一种高精度细晶孔型斜轧轧辊设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种高精度细晶孔型斜轧轧辊设计方法，包括如下步骤：S1、斜轧轧件和棒料尺寸设计：考虑加工余量和热膨胀效应，计算零件轧制尺寸；考虑成形过程中的扩径效应，确定棒料直径；S2、斜轧轧辊基本参数设计：基于已有工艺经验数据及关系式，确定轧辊基本参数；S3、斜轧轧辊凸棱高度变化特征设计：保证轧件稳定咬入的前提下，基于协调材料均匀变形原则进行设计；S4、斜轧轧辊凸棱宽度变化特征设计：基于与连接颈轴向延伸相适应原则进行设计。本发明能够实现斜轧孔型凸棱高度和宽度的合理设计，利于轧件变形状态与孔型相适应，协调材料均匀变形，获得更佳的成形精度和晶粒细化程度。
【专利说明】
-种高精度细晶孔型斜$L$L撮设计方法
技术领域
[0001] 本发明属于回转塑性加工技术领域，具体设及一种高精度细晶孔型斜社社漉设计 方法，用于提高球形、圆柱形或圆锥形等回转体零件螺旋孔型斜社成形精度和晶粒细化程 度。
【背景技术】
[0002] 螺旋孔型斜社工艺(简称斜社)是一种球形、圆柱形、圆锥形等回转体零件先进回 转塑性成形技术，相比于传统锻压、铸造和车削工艺，具有优质、节能、节材、高效等显著优 点，广泛用于球磨钢球、轴承钢球和滚子等回转体零件的成形制造。螺旋孔型斜社工艺中， 合理的社漉孔型设计是社制高精度合格产品的前提和重要保障。
[0003] 社漉孔型几何结构中，螺旋凸棱高度和宽度的变化特征决定着社件社制成形过程 中变形模式和金属流动充型能力，是社漉孔型设计的关键参数。传统的斜社社漉孔型设计 方法中，凸棱高度变化特征受限于社漉的加工技术，通常简化为按直线规律变化设计，而凸 棱宽度的变化特征则是基于经验数据进行选择，两者均没有较好结合斜社工艺过程中变形 特点和金属流动规律来进行合理设计。此外，传统凸棱宽度按经验数据初选设计的方法，需 再进行反复的校核与修正计算，设计效率低。由此可见，现阶段斜社社漉孔型设计方法多基 于传统经验，设计繁琐，效率低，同时也未有效结合斜社工艺的变形特征和金属流动特点， 难W实现高精度、高性能斜社零件的生产。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种高精度细晶孔型斜社社漉设计方法，它不仅可W简化 孔型设计，提高设计效率，还可W使得孔型变化更好的适应斜社工艺变形特征和金属流动 特点，显著提高了斜社成形零件的成形精度和晶粒细化程度。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006] -种高精度细晶孔型斜社社漉设计方法，包括如下步骤：
[0007] S1、斜社社件和棒料尺寸设计：
[000引S101、根据加工余量和热膨胀效应，计算零件最大社制尺寸Umax;
[0009] S102、根据成形过程中的扩径效应，确定棒料直径d;
[0010] S2、斜社社漉基本参数设计：基于已有工艺经验数据及关系式，确定社漉基本参 数，包括社漉凸棱起始高度化、起始宽度Wb、终了宽度W。、社漉名义直径Dm、基圆直径化、孔型 成形区段螺旋总长度0f、孔型精整区段螺旋总长度0S、凸棱终了高度出；
[0011] S3、斜社社漉凸棱高度变化特征设计:保证社件能稳定咬入社制孔型的前提下，基 于协调社制过程中金属材料均匀变形原则进行设计，将成形段凸棱高度变化特征设计为幕 指函数曲线变化形式，对应于螺旋孔型展开长度为θχ位置的凸棱高度Η(θχ)由包含指数Eh的 下述幕指函数式确定，
[0012]
,其中，9b和θ。分别为凸棱起始和终了位置螺旋孔 型展开长度值，[EH]m《巧Ηη<1，[EH]min为满足公式
的指数Eh的最小值；
[0013] S4、斜社社漉凸棱宽度变化特征设计:基于与连接颈轴向延伸相适应原则进行设 计，由于连接颈轴向延伸程度随其外径减小而增大，故凸棱宽度变化特征设计为先缓慢增 加、社制后期再快速增加，将凸棱宽度变化特征设计成幕指函数曲线变化形式，任意螺旋孔 型展开长度为θχ位置的凸棱宽度W( θχ)由下式确定，
[0014]
痒中，Εβ为凸棱宽度的幕指函数的指数，Εβ〉1。
[0015] 按上述技术方案，在步骤S101中，对于零件的某一尺寸以，根据其加工余量和高溫 下热膨胀效应，其冷态斜社成形尺寸レ,c = Li+Δレ，热态斜社成形尺寸^,h=化i+Ak)Q，对 应的最大社制尺寸心,。3、=111日义也,。山,〇，其中，么1广对应尺寸以的加工余量，9-材料对应 社制溫度下的热膨胀系数。
[0016] 按上述技术方案，在步骤S102中，根据棒料斜社成形过程中的扩径效应确定棒料 直径d，d = ( 1 -k ) Lr, max，其中，k-棒料社制成形中的扩径率，k为3~4 %，Lr, max-零件最大社制 尺寸。
[0017] 按上述技术方案，基于已有工艺经验数据，确定社漉凸棱起始高度化、起始宽度Wb 和终了宽度W。，根据W下关系式确定
[001引社漉名义直径Dm=巧~7)d，
[0019]基圆直径 Db = Dm-Lr,max，
[0020] 孔型成形区段螺旋总长度目f = 360°~630°，
[0021] 孔型精整区段螺旋总长度目s = 450°~630°，
[0022] 凸棱终了高度 H〇 = Dm-dc，其中，山二（0.18 ~0.22)Lr,max。
[0023] 按上述技术方案，步骤S3中，指数Eh大小的确定包括W下步骤：
[0024] a)、凸棱高度增加的快慢程度可根据其变化曲线斜率绝对值判断，幕指函数曲线 斜率绝对值可由其一阶导函数的绝对值确定，即
[0025]
[0026] 当θχ从0b减小到Θ。时，为使凸棱高度的变化特征合理，即先W较快的增高速度完成 社件的初步社制成形、后在社制后期W较慢的增高速度结束社制，得到Eh<1 ;
[0027] b)、为保证社件能顺利稳定的咬入到社制孔型中，凸棱高度变化规律应使得社漉 的每转进给量m满足斜社孔型的咬入条件，即其斜率绝对值的最大值应该满足
[002引
，其中，μ-社件与社漉件的摩擦系数，
[0029]由凸棱高度幕指函数的一阶导函数的绝对值表达式可知，θχ接近凸棱起始位置0b 时，其斜率绝对值越大，当θχ为0b时，斜率绝对值为无穷大，为此将孔型咬入条件限定在孔型 展开长度值为9b-20到Θ。之间，当θχ在此区间变化时，在θχ为(0b-2〇)时取得最大，即
[0033] 上式左边为底数小于1的指数函数，右边为反比列函数，求得指数Eh的最小值
[Enlmin ；
[0034] C)、综上，Eh取值范围为[EH]min《EH<l。
[0035] 本发明，具有W下有益效果:本发明合理设计斜社孔型的凸棱高度和宽度的变化 规律，使之较好的贴合斜社成形过程中金属材料的流动变形特点，从而提高社制过程中社 件变形状态与孔型的适应性W及社制过程中变形的协调与均匀性，最终使零件获得更佳的 成形精度和晶粒细化程度。
【附图说明】
[0036] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0037] 图1是本发明实施例中螺旋孔型斜社社漉的结构示意图；
[0038] 图2是本发明实施例中社漉凸棱处的局部放大图；
[0039] 图3是本发明实施例中斜社社漉凸棱高度的设计示意图；
[0040] 图4是本发明实施例中斜社社漉凸棱宽度的设计示意图。
【具体实施方式】
[0041 ]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用W解释本发明，并不 用于限定本发明。
[0042] 在本发明的较佳实施例中，如图1-图4所示，一种高精度细晶孔型斜社社漉设计方 法，包括如下步骤：
[0043] S1、斜社社件和棒料尺寸设计：
[0044] S101、因为斜社成形的制件通常需要为后续的机加工和热处理工序留一定的加工 余量，对于热社产品通常还需考虑材料在高溫下的膨胀，因此，根据加工余量和热膨胀效 应，计算零件最大社制尺寸max,具体的，对于零件的某一尺寸以，根据其加工余量和高溫 下热膨胀效应，其冷态斜社成形尺寸(对于热斜社即为其冷态尺寸化i,c = Li+Ak，热态斜社 成形尺寸Li,h=(Li+Aレ)Q，对应的最大社制尺寸Lr,max=maxαi,c，Li,h)，其中，ΔL广对应尺 寸以的加工余量，Q-材料对应社制溫度下的热膨胀系数；
[0045] S102、根据成形过程中的扩径效应，确定棒料直径d，根据计算值再对照选择接近 的标准圆钢，具体的，根据棒料斜社成形过程中的扩径效应确定棒料直径d，d=(l-k)k,max， 其中，k-棒料社制成形中的扩径率，对于轴承钢通常k为3~4%，Lr,max-零件最大社制尺寸；
[0046] S2、斜社社漉基本参数设计：基于已有工艺经验数据及关系式，确定社漉基本参 数，包括社漉凸棱起始高度化、起始宽度Wb、终了宽度W。、社漉名义直径Dm、基圆直径化、孔型 成形区段螺旋总长度目f、孔型精整区段螺旋总长度目S、凸棱终了高度H。，具体的，基于已有工 艺经验数据，确定社漉凸棱起始高度化、起始宽度Wb和终了宽度W。，根据W下关系式确定
[0047] 社漉名义直径Dm=巧~7)d，
[004 引基圆直径 Db = Dm-Lr,max，
[0049] 孔型成形区段螺旋总长度目f = 360°~630°，
[0050] 孔型精整区段螺旋总长度目s = 450°~630°，
[0化1 ]凸棱终 了高度H〇 = Dm-dc，其中，dc= (0.18~0.22)Lr,max;
[0052] S3、如图3所示，斜社社漉凸棱高度变化特征设计:零件斜社成形过程中凸棱高度 从孔型咬入到成形终了的变化特征直接决定了社件社制成形过程中金属流动和变形行为， 因此，凸棱高度变化特征的设计为在保证社件能稳定咬入社制孔型的前提下，应有利于协 调社制过程中金属材料的均匀变形，来提高社制成形制品成形精度和晶粒细化程度，即基 于协调社制过程中金属材料均匀变形原则进行设计，基于上述思想，合理的凸棱高度变化 特征应该将凸棱压下量的增加速度设计为随社制进行而逐渐减小，即凸棱高度先是W较快 的增高速度完成社件的初步社制成形，然后在社制后期则W较慢的增高速度结束社制，常 见的数学函数曲线中，幕指函数关系较为简单，曲线变化特点能较好的满足上述凸棱高度 的变化特征，故可W将成形段凸棱高度变化特征设计为幕指函数曲线变化形式，对应于螺 旋孔型展开长度为θχ位置的凸棱高度Η(θχ)由包含指数Eh的下述幕指函数式确定，
[0053]
其中，9b和Θ。分别为凸棱起始和终了位置螺旋孔 型展开长度值，[EH]m《:iEHn<l，[EH]niin为满足公式
的指数Eh的最小值；
[0054] 描述凸棱高度变化特征的幕指函数关系中，指数Eh大小决定着凸棱高度增加形式 和快慢程度，对斜社成形工艺有着重要影响，指数Eh的大小可从W下两方面来加 W确定：
[0055] a)、凸棱高度增加的快慢程度可根据其变化曲线斜率绝对值判断，上述描述凸棱 高度变化特征的幕指函数曲线斜率绝对值可由其一阶导函数的绝对值确定，即
[0化6]
[0057]由此描述凸棱高度变化的幕指函数曲线斜率绝对值可知，指数Eh等于1时，凸棱高 度变化曲线斜率为常数，也即凸棱高度是按传统的直线规律变化;指数Eh大于1时，凸棱高 度从螺旋孔型起始位置（θ〇到孔型终了位置（Θ。），即θχ从0b减小到Θ。时，其斜率绝对值是逐 渐增大；当Eh小于1时，凸棱斜率是逐渐减小，因此，只有当上述幕指函数的指数Eh小于1时， 凸棱高度的升高特征才符合前述设计的先快后慢的变化特点，也就是说，当0X从0b减小到9。 时，为使凸棱高度的变化特征合理，即先W较快的增高速度完成社件的初步社制成形、后在 社制后期W较慢的增高速度结束社制，得到Eh<1 ;
[005引b)、为保证社件能顺利稳定的咬入到社制孔型中，凸棱高度变化规律应使得社漉 的每转进给量m满足斜社孔型的咬入条件，即
[0化9]
其中，μ为社件与社漉件的摩擦系数，
[0060] 为使得按幕指函数曲线规律变化的凸棱高度能实现社件的正常咬入，只需其斜率 绝对值的最大值满足下述咬入关系式，即
[0061]
[0062]由凸棱高度幕指函数的一阶导函数的绝对值表达式可知，θχ接近凸棱起始位置0b 时，其斜率绝对值越大，当θχ为0b时，斜率绝对值为无穷大，为此将孔型咬入条件限定在孔型 展开长度值为9b-20到Θ。之间，当θχ在此区间变化时，在θχ为(0b-2〇)时取得最大，即
[0066] 上式左边为底数小于1的指数函数，右边为反比列函数，可由作图法或借助Matlab 求得指数Eh的最小值[EH]min;
[0067] C)、综上可知，描述凸棱高度变化特征的幕指函数其指数Eh取值范围为[EH]min《EH <1;
[0068] S4、如图4所示，斜社社漉凸棱宽度变化特征设计:零件斜社成形过程中，与凸棱接 触并承受径向挤压的连接颈部分，随着凸棱高度的增加，金属朝两侧型腔流动充型，连接颈 外径不断减小，轴向延伸程度逐渐增大，为最大程度上避免社件在孔型中前滑或后滑而导 致连接颈过早断裂或社件无法正常旋转，斜社社漉凸棱宽度的变化应尽可能与连接颈的轴 向延伸相适应，因此，斜社社漉凸棱宽度变化特征基于与连接颈轴向延伸相适应原则进行 设计，由于连接颈轴向延伸程度随其外径减小而增大，故为使凸棱宽度的变化较好的与之 相适应，将凸棱宽度变化特征设计为先缓慢增加、社制后期再快速增加，数学函数中常见的 幕指函数在其指数大于1时，可W实现上述凸棱宽度变化特征，为此，将凸棱宽度变化特征 设计成幕指函数曲线变化形式，任意螺旋孔型展开长度为θχ位置的凸棱宽度W(0x)由下式确 定，
[0069]
其中，Eb为凸棱宽度的幕指函数的指数，Eb〉1，可 W先按凸棱高度变化曲线指数Eh的倒数取值，再根据封闭孔型位置连接颈长度与凸棱宽度 的适应程度来加 W微调。
[0070] 本发明在具体应用时，参照轴承用钢球标准尺寸系列，选取直径为28.575mm的轴 承钢球为斜社产品对象，下面将W此尺寸的GCrl5轴承钢球斜社社漉孔型的设计和实际热 斜社实验，论述本发明所述零件斜社社漉孔型设计方法的可靠性。
[0071] 本发明具体包括W下步骤：
[0072] S1、斜社社件和棒料尺寸设计:依据前述斜社社件和棒料尺寸的设计方法，对于成 品直径。为28.575111111的GCrl5轴承钢球，加工余量取/^。为1.125111111，热膨胀系数取1.01，可 W确定其冷态直径尺寸U,。为29.7mm，热态直径尺寸Li, h为30mm，对应的社制用棒料直径d则 为29mm;
[0073] S2、斜社社漉基本参数设计:根据本发明前述斜社社漉参数设计方法，可W确定社 漉名义直径Dm为180mm，社漉基圆直径化为150mm，孔型成形区段螺旋长度9f为630°，孔型精 整区段螺旋长度目S为630°，凸棱起始高度化和宽度Wb分别为1.5mm和2mm，凸棱终了高度H。和 宽度W。分别为13.6mm和4.4mm;
[0074] S3、凸棱高度变化特征设计:根据本发明所述的凸棱高度变化特征设计方法，可W 确定高度变化特征的幕指函数指数为0.8，则其任意位置凸棱高度H( θχ)为：
[0075]
[0076] S4、凸棱宽度变化特征设计:根据本发明所述的凸棱宽度变化特征设计方法，可W 确定宽度变化特征的幕指函数指数为1.2,则其任意位置凸棱宽度W(0x)为：
[0077]
[0078] S5、热斜社成形:为了说明本发明所述斜社社漉孔型设计方法优越性，分别用按传 统孔型设计方法的设计的社漉和本发明所述的社漉设计方法设计的社漉进行轴承钢球热 斜社成形实验，社漉转速60r/min，棒料经感应加热后的社制溫度为115(TC，两社漉交叉布 置倾角为3°，为便于测定钢球斜社成形后的晶粒尺寸，对从斜社机社制完成的钢球立即入 水冷却。
[0079] 分别对按传统孔型设计方法和本发明所述方法设计而社制成形的钢球进行了成 形尺寸和晶粒尺寸测量。借助游标卡尺对钢球直径的测量结果表明本发明所述方法社制成 形的钢球直径在球面各个位置比较稳定，维持在39.68~39.72mm，而按传统设计方法社制 的钢球在靠近连接颈的位置尺寸偏小，测得的最小直径为39.30mm，比设计的成形尺寸 39.7mm小了 0.4mm。沿钢球社制过程中径向挤压方向上选取钢球屯、部、二分之一半径处和表 层进行晶粒尺寸测量，测得按传统孔型设计方法社制的钢球晶粒尺寸依次为:44.2μπι，35.6 μπι，27.5μπι;而按本发明所述孔型设计方法社制成形的钢球晶粒尺寸测量结果依次为:37.2 4111，33.〇4111，23.祉口。由上述实验验结果可知，相比传统孔型设计方法，按本发明所述的斜社 孔型设计方法能有效地提高斜社零件的充型效果和晶粒尺寸细化程度，较好的提升了斜社 产品成形精度和晶粒细化程度。
[0080] 应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可W根据上述说明加 W改进或变换， 而所有运些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
【主权项】
1. 一种高精度细晶孔型斜社社漉设计方法，其特征在于它包括如下步骤： 51、 斜社社件和棒料尺寸设计： 5101、 根据加工余量和热膨胀效应，计算零件最大社制尺寸Umax; 5102、 根据成形过程中的扩径效应，确定棒料直径d; 52、 斜社社漉基本参数设计:基于已有工艺经验数据及关系式，确定社漉基本参数，包 括社漉凸棱起始高度化、起始宽度Wb、终了宽度W。、社漉名义直径Dm、基圆直径化、孔型成形区 段螺旋总长度目f、孔型精整区段螺旋总长度目S、凸棱终了高度H。； 53、 斜社社漉凸棱高度变化特征设计:保证社件能稳定咬入社制孔型的前提下，基于协 调社制过程中金属材料均匀变形原则进行设计，将成形段凸棱高度变化特征设计为幕指函 数曲线变化形式，对应于螺旋孔型展开长度为θχ位置的凸棱高度Η(θχ)由包含指数Eh的下述 幕指函数式确定，，其中，0b和Θ。分别为凸棱起始和终了位置螺旋孔型 展开长度值，[EH]min《EH< 1，曲]1111。为满足公^'的 指数Eh的最小值； 54、 斜社社漉凸棱宽度变化特征设计:基于与连接颈轴向延伸相适应原则进行设计，由 于连接颈轴向延伸程度随其外径减小而增大，故凸棱宽度变化特征设计为先缓慢增加、社 制后期再快速增加，将凸棱宽度变化特征设计成幕指函数曲线变化形式，任意螺旋孔型展 开长度为θχ位置的凸棱宽度W(0x)由下式确定，I其中，Eb为凸棱宽度的幕指函数的指数，Eb〉1。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S101中，对于零件的某一尺寸以，根 据其加工余量和高溫下热膨胀效应，其冷态斜社成形尺寸レ,c = Ll+Δレ，热态斜社成形尺寸 Li,h=化i+ΔLi)Q，对应的最大社制尺寸Lr,max=maxαi,c，Li,h)，其中，Δレ-对应尺寸レ的加 工余量，Q-材料对应社制溫度下的热膨胀系数。3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤S102中，根据棒料斜社成形过程中 的扩径效应确定棒料直径d，d = (1-k)max，其中，k-棒料社制成形中的扩径率，k为3~4%， Lr,max-零件最大社制尺寸。4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S2中，基于已有工艺经验数据，确定社 漉凸棱起始高度化、起始宽度Wb和终了宽度W。，根据W下关系式确定 社漉名义直径Dm=巧~7)d， 基圆直径Db = Dm-Lr, max， 孔型成形区段螺旋总长度目f = 360°~630°， 孔型精整区段螺旋总长度目s = 450°~630°， 凸棱终了高度 Ho = Dm-dc，其中，dc=(0.18 ~0.22)Lr,max。5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，指数Eh大小的确定包括W下步 骤： a) 、凸棱高度增加的快慢程度可根据其变化曲线斜率绝对值判断，幕指函数曲线斜率 绝对值可由其一阶导函数的绝对值确定，即当θχ从0b减小到Θ。时，为使凸棱高度的变化特征合理，即先W较快的增高速度完成社件 的初步社制成形、后在社制后期W较慢的增高速度结束社制，得到Eh<1 ; b) 、为保证社件能顺利稳定的咬入到社制孔型中，凸棱高度变化规律应使得社漉的每 转进给量m满足斜社孔型的咬入条件，即其斜率绝对值的最大值应该满足其中，μ-社件与社漉件的摩擦系数， 由凸棱高度幕指函数的一阶导函数的绝对值表达式可知，θχ接近凸棱起始位置0b时，其 斜率绝对值越大，当θχ为0b时，斜率绝对值为无穷大，为此将孔型咬入条件限定在孔型展开 长度值为9b-20到Θ。之间，当θχ在此区间变化时，在θχ为(0b-2〇)时取得最大，即上式左边为底数小于1的指数函数，右边为反比列函数，求得指数Eh的最小值[EH]min; C)、综上，Eh取值范围为化]min《EH< 1。
【文档编号】B21B27/02GK105964697SQ201610270436
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月27日
【发明人】钱东升, 靳妍妍, 华林, 毛华杰, 马明辉, 邓加东
【申请人】武汉理工大学