一种离心铸造双金属环件热辗扩毛坯尺寸的确定方法与流程

本发明属于环件加工成形设计领域，具体涉及一种离心铸造双金属环件热辗扩毛坯尺寸的确定方法。

背景技术：

双金属复合环件是由两种不同金属材料构成的复合环件，内、外层材料通过机械压合、冶金反应或原子扩散结合而形成紧密结合，可以最大限度的发挥内、外层单金属各自的最佳性能(如高强度、耐磨损、抗腐蚀)，其所具有的物理、化学以及力学性能都比单一金属材料环件优越得多，逐渐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、海洋工程、能源和航空航天等工业领域装备制造中具有广阔的应用前景。传统的双金属复合环件的生产方法主要有两种：1)通过环件辗扩工艺分别制造两个单一金属环件，再将它们嵌合装配成双金属复合环件；2)将两个单一金属材料环形锻坯同心贴合组装，利用辗环机使其产生壁厚减小、直径扩大和截面轮廓成形的连续局部塑性变形，得到具有一定质量性能的双金属复合环件。然而，两个单一金属环件分开辗扩成形时会导致工序多、效率低，内、外层接触面只发生弹性变形或小塑性变形，没有扩散结合面，从而导致接触界面质量差；两个单一金属环形锻坯组合辗扩成形的辗扩过程稳定性差，容易产生轴向端面翘曲，轧制前制坯困难，设备投资大，材料浪费严重，同时辗扩变形时交界面为完全的机械结合，结合强度较低，无法满足高性能双金属复合环件制造技术的要求。

根据中国发明专利申请号“201410629533.6”公开了一种基于铸坯的环件径轴向辗扩毛坯尺寸设计方法、申请号“201510610173.x”公开了一种离心铸造双金属复合环件热辗扩成形工艺和申请号“201510610418.9”公开了一种内层q345b外层40cr复合环件的离心铸造方法，可知，基于离心铸坯的双金属环件热辗扩成形工艺有效解决了传统生产工艺中存在的双金属接触界面结合强度低、材料浪费严重及生产效率低等问题。但是该双金属环件制造技术往往存在内、外层壁厚不一样及其辗扩变形量均不同的情况，以满足具有内层易焊接、外层耐磨的双金属复合环件的服役性能要求，此时则无法分别准确地确定离心铸造过程中毛坯内层、外层的尺寸，若仅仅依赖于传统工艺中的生产经验、或者辗扩前后体积不变原理，会导致毛坯尺寸太大，脱离了铸造工艺的生产实际，增加了生产成本，降低了设计与生产效率，同时也会使得内、外层金属的不合理分配导致交界面出现应力集中，降低交界面的冶金结合强度和力学性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种离心铸造双金属环件热辗扩毛坯尺寸的确定方法，可以有效克服现有技术存在的缺点。

本发明目的是这样实现的，其特征在于包括以下步骤：

(1)只考虑离心铸造毛坯和环件锻件的外层壁厚b01、b1分别大于其内层b02、b2的情况，且热辗扩前后轴向高度不变、壁厚减薄和直径扩大；

(2)根据双金属环件锻件的外层外径d1、内层内径d2、内外层交界面直径d、轴向高度h、外层壁厚b1、内层壁厚b2，分别确定内、外层的辗扩比k1、k2与环件锻件的内外层交界面直径d的关系：

(3)确定离心铸造毛坯的交界面直径d0与环件锻件的内外层交界面直径d的关系：

(4)确定在离心铸造完毛坯外层后的间隔时间内毛坯外层的收缩量δ与毛坯外层壁厚b01的关系：

δ＝-19.46b01²+39.67b01+4.23(4)

(5)根据热辗扩前后的塑性变形体积不变原理，即：再由几何关系和h0＝h，即可确定离心铸造毛坯的外层外径d01、内层内径d02、内外层交界面直径d0、轴向高度h0、毛坯的外层壁厚b01、毛坯的内层壁厚b02。

本发明的优点及有益效果是：由于本发明在热辗扩前后轴向高度不变、外层壁厚要大一些的条件下，分别确定了内层和外层的辗扩比k1、k2分别与环件锻件的内外层交界面直径d的关系，还确定了离心铸造双金属毛坯的交界面直径d0与环件锻件的内外层交界面直径d的关系，另外还考虑了在离心铸造完毛坯外层后的间隔时间内毛坯外层的收缩量δ与毛坯外层壁厚b01的关系，针对某一特定的双金属环件热辗扩成形加工，便能够快速、准确地确定出离心铸造双金属毛坯的尺寸，其尺寸较小且唯一，提高了设计效率，为大型双金属复合环件的辗扩成形加工及其毛坯尺寸设计提供了科学合理的理论依据，以满足外层耐磨的使用要求，本发明的方法还能够满足具有内层易焊接、外层耐磨的双金属复合环件的服役性能时离心铸造毛坯和环件锻件的外层壁厚均要大于其内层的特殊要求。

附图说明

图1为离心铸造双金属环件热辗扩示意图；

图2为离心铸造双金属环件辗扩后环件锻件的截面尺寸标识图；

图3为离心铸造双金属环件辗扩前毛坯的截面尺寸标识图。

图中：1—驱动辊2—导向辊3—环件锻件的外层4—环件锻件的内层5—芯辊6—端面锥辊7—毛坯的外层8—毛坯的内层；

d1—环件锻件的外层外径，d2—环件锻件的内层内径，d—环件锻件的内外层交界面直径，b1—环件锻件的外层壁厚，b2—环件锻件的内层壁厚，h—环件锻件的轴向高度，d01—毛坯的外层外径，d02—毛坯的内层外径，d0—毛坯的内外层交界面直径，b01—毛坯的外层壁厚，b02—毛坯的内层壁厚，h0—毛坯的轴向高度。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种离心铸造双金属环件热辗扩毛坯尺寸的确定方法作进一步详细说明。

如图1～图3所示，设定双金属环件锻件的尺寸为：外层外径d1＝1855mm、内层内径d2＝1700mm、内外层交界面直径d＝1740mm、轴向高度h＝90mm、外层壁厚b1＝57.5mm、内层壁厚b2＝20mm，其毛坯尺寸的设计步骤是：

(1)只考虑离心铸造毛坯和环件锻件的外层壁厚b01、b1分别大于其内层b02、b2的情况，且热辗扩前后轴向高度不变、壁厚减薄和直径扩大；

(2)根据双金属环件锻件的外层外径d1、内层内径d2、内外层交界面直径d、轴向高度h、外层壁厚b1、内层壁厚b2，分别确定内、外层的辗扩比k1、k2与环件锻件的内外层交界面直径d的关系：

(3)确定离心铸造毛坯的交界面直径d0与环件锻件的内外层交界面直径d的关系：

(4)确定在离心铸造完毛坯外层后的间隔时间内毛坯外层的收缩量δ与毛坯外层壁厚b01的关系：

δ＝-19.46b01²+39.67b01+4.23＝10.11mm(4)

(5)根据热辗扩前后的塑性变形体积不变原理，即：再由几何关系和h0＝h，即可确定离心铸造毛坯的尺寸为：外层外径d01＝868mm、内层内径d02＝450mm、内外层交界面直径d0＝546mm、轴向高度h0＝90mm、外层壁厚b01＝161mm、内层壁厚b02＝48mm。