辊锻技术

图5-3 前压力与金属前滑的关系曲线
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3.影响约束区金属前滑的因素
1) 辊锻的延伸率。辊锻的延伸率越大, 产生的前滑也越大。 2) 摩擦系数。前滑与摩擦系数成反比。摩擦系数越小, 前滑 越大。 3) 与横向展宽有关。自由展宽, 前滑就比较小。限制展宽, 前滑就比较大。
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1.约束区内金属运动分析
由于成形辊锻模型槽几何形状复杂，在此只研究简单的型槽，如图5-1：
AB面：型槽前壁面；
CD面：型槽后壁面； BD面：型槽顶壁面； Ψ：型槽包容角，为包含型槽前后壁 外端顶点的中心角； β：前壁倾斜角工； β1：后壁倾斜角；
Rf：前壁外端顶点半径；
Rb：后壁外端顶点半径； h1：前壁深度, h1= Rf –Rb； Φ0：前壁所对圆心角； Rd:型槽顶壁半径。
P=pA
式中 P——总压力，N； p——平均单位面积压力，MPa；
A——辊锻模在接触弧面上的水平投影面积，mm2。
辊锻模在接触弧面上的水平投影面积A可按下式计算：
A=bl 式中 l——变形区长度，mm，l≈ R——辊锻模工作半径，mm；
Rh
图2-1 变形区压力分布
∆h——压下量，mm； ∆h=2（h0-h1），2h0、2h1为变形前、变形后的高度； b——变形区平均宽度，mm，b=
图4-1 辊锻工作过程
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（1）纵向过程分析 辊锻时坯料的中间部分受到局部压缩，迫使金属横向展宽；而由于型 槽侧壁的存在，有限制了金属的展宽。在辊锻过程中，强迫展宽和限 制展宽同时存在，坯料在长度方向必然得到伸长，因而金属的变形流 动变得较为复杂。 （2）横向过程分析 由于型槽侧向模壁对金属流动的限制作用，造成展宽较小。并且，型 槽截面具有高度方向起伏，纵向延伸受到一定约束，这样有利金属在 型槽高度方向上的充填。
工作原理：如图 1-1 所示
当辊锻模转离工作位置时，坯料在两 轧辊的间隙中送进，辊锻时坯料 在高 度方向上经辊锻模压缩后，除 一小部 分金属横向流动外，大部分 被压缩的 金属沿坯料的长度方向流 动。被辊锻 的毛坯，横断面积减小，长度增加， 由辊锻变形的实质 可见，它适合于减 小毛坯断面的锻 造过程，是一种坯料 的延伸变形过 程 。
（3）模具寿命长.由于辊锻变形是连续静压过程，没有冲击与震动，金属 与模具之间的相对滑动较小，模具磨损小。 （4）设备吨位小.金属是逐渐连续变形，在变形的一瞬间，模具只与毛坯 的一部分接触，因此所需设备吨位小。 （5）工艺过程简单，易于实现机械化、自动化生产。
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二、辊锻力及力矩
1.辊锻力
辊锻时，上下轧辊作用于毛坯上的压力如图2-1所示，在实际计算中常用经验公式或 实验数值计算，经验公式为：
它表示了工件与型槽在几何上脱离 接触的位置。对于平辊轧制, 工件在 两轧辊连心线处与辊子脱离接触, 型 槽几何约束角表示了型槽与金属脱 离接触的几何上的延后程度。
由图5-2知，几何约束角为：
Φg t = arc cos Rd/Rf
Φg t包含的区段称为型槽几何约束区。 即前滑约束区。
图5-2 型槽几何约束区
图2-2 辊锻力矩
φ——合力作用点系数，当辊锻件带毛边时φ=0.25～0.30；当辊锻件不带毛边时 φ=0.40～0.45.
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三、辊锻成形理论
在实际的辊锻生产中，毛坯在变形区内受到多种因素的影响，造成辊锻 件的前壁（锻件逆辊锻方向，由小截面过渡到大截面的壁）部分比后壁 （锻件逆辊锻方向，由大截面过渡大小截面的壁）部分要高些，并且锻 件的前壁斜度大于模具相应的前壁斜度；由此使得生产出来的锻件尺寸 与模具的尺寸不一致。
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(2)前滑 辊锻过程中，每一时刻流入变形区与流出变形区的材料体积相 等。而变形区的高度是变化的。因此材料沿辊锻方向运动速度也是变速 度，金属流动速度分布如图1-2。这一现象称为前滑。由于辊锻件的长度 由出口处运动速度决定，因此计算前滑有重要意义，计算前滑的芬克公 式为:
s=(R/h一1/2)r² r =(α/2)x(1一α/2β)
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2.约束区内前压力对金属前滑的影响
由文献3中型槽约束区内前压力对前滑影响 的实验研究，试样原始高度H=18.5mm，轧 制后高度12.5mm，摩擦系数f=0.22，试件宽 度B=20mm，轧辊半径R=193mm，如图5-3， 得出：S=S0-ηбB 即在型槽约束区前部前滑值较小，在约束区 后部前滑值较大。 这表明, 约束区前部作用在凸台前缘上的力 较大, 而在后部则较小。
b 0 b1 2
b0、b1分别为辊锻前、辊锻后毛坯宽度。
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2.辊锻力矩
总压力与辊锻力臂的乘积即为辊锻力矩，如图2-2，其计算公式为 M=2Fa 式中 F——总压力； a——力臂，总压力作用点至中心连线的距离。 力臂a可表示为： a= φ l 式中l——变形区长度，l=
Rh
，R为辊锻模的工作半径 ，
鉴于此，又分别对刚—塑性体之间 的啮合运动实际过程分为锻件入模 和脱模两个过程进行分析。
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五、型槽约束区的前滑
辊锻过程中的前滑对锻件纵向尺寸精度影响很大，同时也影响锻件各部 分纵向尺寸之间的关系。它既是合理设计辊锻模的一个重要条件，又是 保证与成形辊锻工序相衔接的整形、切边等工序顺利进行的必要条件。 因此成形辊锻过程中前滑问题是成形辊锻规律中的一个重要问题。
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刚体的啮合运动分析
如图4-2所示 辊锻时，模具以角速度ω 转动，锻件 以速度ν 由右向左运动，假定锻件各 部分都以ν向左运动，则模具和锻件 就相当于一个齿轮和一个齿条的啮合 运动。模具上任一点相对于锻件的运 动轨迹是一旋轮线。
通过文献[2]中的分析得出辊锻模型 槽与锻件的形状是不一致的。
图4-2 刚体啮合示意图
图1-1 辊锻过程
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实质：坯料的轧制延伸，坯料部分截面变小而长度增加。
辊锻特征表象为连续局部塑性变形。所谓“局部”是指某一瞬间变形区 为整体锻件的某个局部区域，“连续”是指整个锻件的成形时由局部变 形连续依次叠加而成的。
几个基本概念：
(1)坯料的咬入 只有坯料被辊锻模咬入才能建立起辊锻过程，在实际生 产中有端部自然咬入和中间咬人两种咬入方式。在端部自然咬入进程中， 模具与坯料之间的摩擦力是咬入的主动力，提高摩擦系数。减少咬入角 有利于实现咬入条件。提高摩擦系数可用模具表面粗糙化来实现。减少 咬入角可用减少绝对压下量来实现。中间咬入是由辊锻模上的突出部位 直接压入坯料而强行将坯料拽入变形区，咬入时不受摩擦影响，咬入角 可以加大。为了减少辊锻道次，增加每道次的压下量。端部自然咬入时 咬人角不大于25°，中间咬入时可达32°—37°。
前滑的定义：成形辊锻件形状一般比较复杂，锻件尺寸纵向横向变化剧 烈。此时辊锻模上呈现宽度变化、深浅不一的突变型槽，在横截面突然 发生变化的地方，金属从变形区转出后，不能立即与模具分离，其运动 还要继续受模具的约束，这样的区段称为前滑约束区。由于成形辊锻件 形状复杂，在一个辊锻模上往往形成几个前滑约束区。
图1-2 变形区金属流动速度分布
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其中:S为前滑值;R辊锻模半径;α为咬入角;β为摩擦角;h为变形区出口处高 度。 对于受型槽约束的纵向变断面辊锻，其前滑值较简单辊锻小。 (3)宽展 材料经过辊锻在横向上流动形成了宽展。影响宽展的因素主要 有:绝对压下量、辊锻模直径、坯料原始宽度与摩擦系数等
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辊锻工艺的分类与应用：
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辊锻成形的经济优越性：
辊锻成形过程是一个局部连续的静压成形过程，是轧制和模锻两种工艺的 结合，集中了这两种工艺的优点，与一般锻造工艺相比，优越性体现在：
（1）锻件质量高.具有良好的金属流线，产品精度高，表面粗糙度值小， 可实现无余量生产，节约金属材料。
（2）生产效率高.在锤上拔长时，往往需打击多次，而在辊锻上由于锻辊 是连续运动的，因此只需辗压几次。
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刚体和塑性体的啮合运动分析
辊锻过程是金属的塑性变形过程，把其 中的变形工具——辊锻模看成是刚体， 而把变形体——毛坯看成是塑性体，进 而对刚体和塑性体的啮合运动进行分析。
文献[2]中通过与刚性体啮合运动对 比得出锻件前壁接近于刚体啮合图 的包络线，而后壁接近于模具形状。 如图4-3
图4-3 刚体啮合与刚—塑性体啮合的差异
研 究 生： 指导老师： 日 期：2012-3-20
主要内容
辊锻工艺 辊锻力及力矩 辊锻成形理论 辊锻过程
型槽约束区的前滑
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一、辊锻工艺
基本内容：辊锻是使金属坯料在一对反向旋转的辊锻模具中通过，借
助模具型槽对金属 坯料施加的压力使其产生塑性变形，从而获得所需要 的锻件或锻坯，是由轧 制工艺应用到锻造生产中而发展起来的一种特种 锻造工艺。
为了了解上述差异产生的原因，并在实际生产中得到解决，就必须对辊 锻过程中毛坯与模具的相对运动关系和规律进行分析研究 本次作业主要从以下两个方面进行分析： 1.辊锻过程 2.型槽约束区的金属前滑
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四、辊锻过程
1.辊锻过程的啮合运动分析
辊锻是通过装有扇形模块的一 对轧辊反向旋转运动，借助型 槽产生塑性变形，从而获得所 需形状尺寸的锻件的轧制—锻 造复合工艺，其工作过程示意 图如图4-1所示
图5-1 辊锻模型槽简图
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几何约束角：在辊锻形状对称的锻件时, 轧制线为上下锻辊的对称线。 辊锻件运动方向与轧制线平行。如果把锻件当做主动件, 锻辊在锻件推 动下转动, 则锻件于型槽内部形成的凸台前缘上部在锻辊转动过程中, 于型槽前壁上从上向下滑动, 直到从前壁下端滑出为止。此时锻件与前 壁脱离接触, 锻件推动辊子转动到这个位置时的转角, 称为型槽的几何 约束角。