一种离心铸造双金属异形环件热辗扩成形方法与流程

本发明属于环件加工技术领域，具体涉及一种离心铸造双金属异形环件热辗扩成形方法。

背景技术：

双金属异形环件是指外表面或内表面的材质不一样、截面形状不规则的异形环件，图1所示环件的内层N和外层W所用材质不同，且环件内层的内表面具有斜度，形状复杂，所具有的物理、化学以及力学性能都比单一金属环件优越得多，成为贵重单金属环件的替代产品，在服役条件恶劣的石油化工、能源和航空航天等工业领域得到广泛的应用。工程领域常用的双边支重轮体、混凝土搅拌车支撑导轨、双边法兰和高压球阀体等关键基础件均属于双金属异形环件，对其尺寸精度、组织稳定性及耐磨性等性能质量的要求较高。

目前，该类双金属异形环件的生产方法主要是先采用锻造、冲孔工序预制成两个单金属矩形截面环形锻坯，再同心贴合在一起，利用辗环机使其产生壁厚减小、直径扩大的连续局部塑性变形，得到具有一定质量性能的双金属矩形截面环件锻件，然后经过机械切削加工出环件内层内表面具有一定倾斜度的形状。上述方法的缺点是会导致环件内层周向金属纤维流线在切削过程中被破坏，组织性能恶化，严重降低其使用寿命；并且，在目前的生产方法中，辗扩前制坯困难，锻造、冲孔工序设备投资大，材料与能源浪费严重，生产效率低。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种离心铸造双金属异形环件热辗扩成形方法，可以有效地克服现有技术存在的缺点。

本发明的目的是这样实现的，其特征在于工艺步骤如下：

(1)根据双金属异形环锻件的尺寸，设计出环坯的尺寸：

图1所示为双金属异形环锻件的尺寸标识图，图中：D为异形环锻件的外径，d₁为异形环锻件的内径，D₁为异形环锻件内层与外层结合面的直径，H为异形环锻件的轴向高度，α为异形环锻件内壁的倾斜角，异形环锻件的体积为：

图2所示为双金属环坯的尺寸标识图，环坯截面为矩形截面，图中：D₀为环坯外径，d₀为环坯内径，D₀₁为环坯内层与外层结合面的直径，H₀为环坯的轴向高度，计算辗扩比K＝[(d₁+2Htanα)-150]/d₀，K的取值范围为1.8～2.4，根据辗扩变形前后的体积不变原理，环坯的轴向高度为：

环坯内径：d₀＝[(d₁+2Htanα)-150]/K

环坯外径：

环坯内层与外层结合面的直径：D₀₁＝(D₀+d₀)/2

(2)辗扩孔型设计：

图3所示为双金属异形环件辗扩示意图，驱动辊1为中部带有外台阶5.1的柱形辊，芯辊2为中部带有上、下外台阶6.1、6.2，上、下外台阶之间为锥形柱面，驱动辊1与芯辊2的外台阶面相切合，形成辗扩成形腔7，驱动辊外台阶5.1的高度H_q与芯辊成形腔7的高度H_X相等，即H_q＝H_X＝H+3～5mm，H为异形环锻件的轴向高度，驱动辊1与芯辊2的成形腔7半径应满足：(1/R_X1+1/R_q)≤1.75θ/H₀，R_X1为芯辊成形腔大端处半径，R_q为驱动辊外台阶5.1半径，θ＝tan^-1μ为摩擦角，μ为摩擦系数，μ的取值范围为0.5～0.7，R_X1、R_q根据壁厚减薄量Δh＝[(D₀-d₀)-(D-(d₁+2Htanα))]/2和辗扩过程的咬入条件与锻透条件的关系进行确定，芯辊外台阶直径芯辊成形腔7的上、下内壁与水平面夹角β为4°～8°；

(3)辗扩成形加工：

①对采用离心铸造方法制造的内层Q345B、外层40Cr双金属环坯4进行加热，外层加热温度为1180～1230℃，保温时间12～15h；

②将加热的双金属环坯4放置在闭式辗环机上，如图3所示，驱动辊1外台阶5.1的外表面与环坯4外表面外切，芯辊2的成形腔7斜面与环坯4的内表面接触；

③初始辗扩温度为环坯4内层N′温度为1160～1180℃，外层W′温度为1170～1200℃；

④启动驱动辊1带动双金属环坯4和芯辊2作旋转运动，驱动辊1转速为24.7～27.8r/min，同时，芯辊2沿着环坯4径向壁厚方向向驱动辊1作变速进给运动：首先，芯辊2进给速度为3.0～3.5mm/s，时间10～15s，完成内层斜边成形70％；然后，芯辊2进给速度为2.0～2.5mm/s，时间20～30s，完成内层斜边成形95％和环锻件截面总体尺寸成形85％；最后，芯辊2进给速度为1.0～1.5mm/s，时间10～15s，完成环锻件所有截面尺寸成形加工；辗扩过程中应持续向驱动辊1和芯辊2之间的成形腔7内的环坯4喷高压冷却水，水温为25～30℃，当内层温度降至820～850℃时，停机，辗扩结束，将双金属异形环锻件风冷至室温，鼓风机风压为1815～1674Pa，流量为4520～5820m³/h。

本发明的优点及积极效果：采用本发明可以实现双金属异形环件辗扩过程的稳定进行和工艺参数的合理设计，环件的外形尺寸精确，双金属异形环件内、外层交界面结合强度高，内部组织性能质量好，提高了辗环成品率，避免了切削加工所导致的材料浪费，节省了设备投资，降低了能源消耗。

附图说明

图1为双金属异形环锻件的尺寸标识图。

图2为双金属环坯的尺寸标识图。

图3为双金属异形环件辗扩示意图。

图4为图3的俯视图。

图5为图4中A-A剖视图。

图中：W—异形环锻件的外层 N—异形环锻件的内层 W′—环坯外层 N′—环坯内层 1—驱动辊 2—芯辊 3—导向辊 4—环坯 5—驱动辊横截面 5.1—驱动辊外台阶 6—芯辊横截面 6.1、6.2—芯辊上、下外台阶 7—成形腔

D—异形环锻件的外径，D₁—异形环锻件内层与外层结合面的直径，H—异形环锻件的轴向高度，d₁—异形环锻件的内径，α—异形环锻件内壁的倾斜角，D₀—环坯外径，D₀₁—环坯内层与外层结合面的直径，H₀—环坯的轴向高度，d₀—环坯内径，D_q—驱动辊外台阶直径，R_q—驱动辊外台阶半径，H_q—驱动辊外台阶高度，d_q—驱动辊直径，D_X—芯辊外台阶直径，d_X—芯辊上下端部直径，R_X1—芯辊成形腔大端处半径，H_X—芯辊成形腔高度，β—芯辊成形腔的上、下内壁与水平面夹角

具体实施方式

图1所示为双金属异形环锻件的尺寸标识图，异形环锻件的外径D＝1850mm，异形环锻件内层与外层结合面的直径D₁＝1800mm，异形环锻件的内径d₁＝1670mm，异形环锻件的轴向高度H＝95mm，异形环锻件内壁的倾斜夹角α＝10°；进行热辗扩成形的工艺步骤是：如图1～5所示，

(1)根据双金属异形环锻件的尺寸，设计出环坯的尺寸：

图1所示为双金属异形环锻件的尺寸标识图，图中：D为异形环锻件的外径，d₁为异形环锻件的内径，D₁为异形环锻件内层与外层结合面的直径，H为异形环锻件的轴向高度，α为异形环锻件内壁的倾斜角，异形环锻件的体积为：

图2所示为双金属环坯的尺寸标识图，环坯截面为矩形截面，图中：D₀为环坯外径，d₀为环坯内径，D₀₁为环坯内层与外层结合面的直径，H₀为环坯的轴向高度，计算辗扩比K＝[(d₁+2Htanα)-150]/d₀，取K为2.0，根据辗扩变形前后的体积不变原理，环坯的轴向高度为：

环坯内径：d₀＝[(d₁+2Htanα)-150]/K＝780mm

环坯外径：

环坯内层与外层结合面的直径：D₀₁＝(D₀+d₀)/2＝920mm

(2)辗扩孔型设计：

图3所示为双金属异形环件辗扩示意图，驱动辊1为中部带有外台阶5.1的柱形辊，芯辊2为中部带有上、下外台阶6.1、6.2，上、下外台阶之间为锥形柱面，驱动辊1与芯辊2的外台阶面相切合，形成辗扩成形腔7，驱动辊外台阶5.1的高度H_q与芯辊成形腔7的高度H_X相等，即H_q＝H_X＝H+3～5mm＝100mm，H为异形环锻件的轴向高度，驱动辊1与芯辊2的成形腔7半径应满足：(1/R_X1+1/R_q)≤1.75θ/H₀，R_X1为芯辊成形腔大端处半径，R_q为驱动辊外台阶半径，θ＝tan^-1μ为摩擦角，μ为摩擦系数，取值为0.7，R_X1、R_q根据壁厚减薄量Δh＝[(D₀-d₀)-(D-(d₁+2Htanα))]/2和辗扩过程的咬入条件与锻透条件的关系进行确定，经计算得到R_X1＝90mm、R_q＝240mm；芯辊外台阶直径芯辊成形腔7的上、下内壁与水平面夹角β为4°；

(3)辗扩成形加工：

①对采用离心铸造方法制造的内层Q345B、外层40Cr双金属环坯4进行加热，外层加热温度为1180℃，保温时间12h；

②将加热的双金属环坯4放置在闭式辗环机上，如图3所示，驱动辊1外台阶5.1的外表面与环坯4外表面外切，芯辊2的成形腔7斜面与环坯4的内表面接触；

③初始辗扩温度为环坯4内层N′温度为1160℃，外层W′温度为1170℃；

④启动驱动辊1带动双金属环坯4和芯辊2作旋转运动，驱动辊1转速为24.7r/min，同时，芯辊2沿着环坯4径向壁厚方向向驱动辊1作变速进给运动：首先，芯辊2进给速度为3.0mm/s，时间10s，完成内层斜边成形70％；然后，芯辊2进给速度为2.0mm/s，时间25s，完成内层斜边成形95％和环锻件截面总体尺寸成形85％；最后，芯辊2进给速度为1.2mm/s，时间10s，完成环锻件所有截面尺寸成形加工；辗扩过程中应持续向驱动辊1和芯辊2之间的成形腔7内的环坯4喷高压冷却水，水温为30℃，当内层温度降至820℃时，停机，辗扩结束，将双金属异形环锻件风冷至室温，鼓风机风压为1815Pa，流量为4520m³/h。