一种用于梯形截面轴承环轧制的环坯及环坯设计方法

摘要

本发明提出一种用于梯形截面轴承环轧制的环坯及环坯设计方法，包括圆环形本体，圆环形本体的两端头的外表面为对称的圆锥形结构，通过合理分配环坯金属体积，保证热轧中金属体积沿周向流动成形梯形截面轴承环锻件，先对环坯和锻件的体积进行关联性分析，定义体积分配系数μ和体积比系数λ，再对热轧成形的梯形截面轴承环锻件截面应变均匀性进行评估，得出显著提高梯形截面轴承环锻件变形均匀性的最佳结构。本发明提高梯形截面轴承环变形均匀性，进而提高梯形截面轴承环组织细化均匀性。

说明书

技术领域

本发明属于梯形截面轴承环件轧制成形的技术领域，尤其涉及一种用于梯形截面轴承环轧制的环坯及环坯设计方法。

背景技术

目前，轴承公司普遍采用一端有锥度的轴承环坯(如附图1所示)热轧成形制造梯形截面轴承环锻件，该轴承环坯小端呈锥形，热轧中金属沿着轴向从大端向小端流动填充空腔。在环锻件大端，金属轧制成形；而环锻件小端，金属填充成形，这导致梯形截面轴承环锻件塑形变形轴向分布不均匀，梯形截面轴承环锻件组织细化不均匀，材料内部产生大量的位错、亚结构等晶体缺陷分布不均匀，导致再结晶形核位置分布不均匀，梯形截面轴承环组织细化不均匀。需要通过改进环坯结构合理分配毛坯金属体积，使热轧成形的梯形截面轴承环应变分布较均匀。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于梯形截面轴承环轧制的环坯及环坯设计方法，根据轧辊结构特点合理分配环坯金属体积，保证热轧中金属体积沿周向流动成形梯形截面轴承环，提高梯形截面轴承环变形均匀性，进而提高梯形截面轴承环组织细化均匀性。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于梯形截面轴承环轧制的环坯，其特征在于，包括圆环形本体，所述圆环形本体的两端头的外表面为对称的圆锥形结构。

一种用于梯形截面轴承环轧制的环坯的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)首先将梯形截面轴承环锻件沿轴向分割为上倒圆台段、小圆柱段和下圆台段三部分，体积分别为V₁、V₂、V₃，V₁＝V₃，锻件的总体积V＝2V₁+V₂，再将环坯沿轴向分割为上圆台段、大圆柱段和下倒圆台段三部分，体积分别为V₀₁、V₀₂、V₀₃，V₀₁＝V₀₃，环坯的总体积V₀＝2V₀₁+V₀₂，根据体积不变原则，有V＝V₀，然后对锻件和环坯中间段的体积进行关联分析，定义锻件和环坯的体积分配系数μ以及体积比系数λ；

S2)通过参数化建立梯形截面轴承环坯热轧成形模型，对热轧成形的梯形截面轴承环截面应变均匀性通过如下公式评估，

其中，ε'—等效应变标准差；ε_i—各节点单位等效应变值；n—节点单位数量；—等效应变平均值，

进而确定不同环坯结构热轧成形的梯形截面轴承环的应变标准差，从而得出显著提高梯形截面轴承环的变形均匀性的最佳梯形截面轴承环坯结构，即可确定合理体积分配系数μ和体积比系数λ。

按上述方案，所述步骤S1)中包括如下内容：锻件高度为B，外径为D，最大内径为D₁，最小内径为d，小圆柱段高度为b，下圆台段的轴向截面为梯形AKCG，梯形上下两底边与中心线的交点分别为E、F，两腰延长线的交点为O，根据几何学，ΔOAK～ΔOCG，有AK/CG＝OE/OF，设OE＝h₁，则得到：又因为AK＝d，CG＝D₁，则有由此得到：

V＝V₁+V₂+V₃＝2V₁+V₂；

环坯高度为H₀，外径为D₀，内径为d₀，小圆柱段高度为h₀，上圆台段的轴向截面为梯形A₀B₀C₀G₀，两腰延长线的交点为O₀，腰线与水平面夹角为α₀，根据几何学，ΔO₀A₀B₀∽ΔO₀C₀G₀，则得：A₀B₀/C₀G₀＝O₀E₀/O₀F₀，令O₀E₀＝h₀₁，由于O₀F₀＝O₀E₀+E₀F₀，则根据几何关系知：

根据几何学相似关系得：

于是

V₀＝V₀₁+V₀₂+V₀₃＝2V₀₁+V₀₂，

根据体积不变原则，有V＝V₀，然后对锻件和环坯中间段的圆柱体积进行关联分析，定义体积分配系数μ，以及体积比系数λ，则，

V₂＝μV，V₀₂＝μλV，

本发明的有益效果是：本发明提供，根据轧辊结构特点合理设计环坯结构，使环坯中间金属体积较大填充芯辊型腔，热轧成形的梯形截面轴承环应变分布较均匀，金属内部产生的位错、亚结构等晶体缺陷分布较均匀，再结晶形核位置分布较均匀，进而提高了梯形截面轴承环组织细化均匀性。

附图说明

图1为现有的一端有锥度的轴承环坯的剖视图。

图2为本发明一个实施例的热轧成形高铁轴承环的剖视图。

图3为本发明一个实施例的用于高铁轴承环轧制的环坯的剖视图。

图4为本发明一个实施例的轧制过程示意图。

图5为本发明一个实施例的λ-ε'的对应图。

其中：1-一端有锥度的轴承环坯；2-芯辊；3-高铁轴承环；4-驱动辊；5-环坯。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

如图2所示，高铁轴承环是典型的梯形截面轴承环，环件两端金属体积少，中间金属体积大，呈对称梯形截面形状，下面以高铁轴承环坯设计为例进行说明。

如图5所示，一种用于高铁轴承环轧制的环坯5，包括圆环形本体，圆环形本体的两端头的外表面为对称的圆锥形结构。

本发明采取如下的毛坯设计方案：

1)首先将高铁轴承环锻件沿轴向分割为上倒圆台段、小圆柱段和下圆台段三部分，体积分别为V₁、V₂、V₃，V₁＝V₃，锻件的总体积V＝2V₁+V₂，再将环坯沿轴向分割为上圆台段、大圆柱段和下倒圆台段三部分，体积分别为V₀₁、V₀₂、V₀₃，V₀₁＝V₀₃，环坯的总体积V₀＝2V₀₁+V₀₂，根据体积不变原则，有V＝V₀，然后对锻件和环坯中间段的体积进行关联分析，定义锻件和环坯的体积分配系数μ以及体积比系数λ；

锻件高度为B，外径为D，最大内径为D₁，最小内径为d，小圆柱段高度为b，下圆台段的轴向截面为梯形AKCG，梯形上下两底边与中心线的交点分别为E、F，两腰延长线的交点为O，根据几何学，ΔOAK～ΔOCG，有AK/CG＝OE/OF，设OE＝h₁，则得到：

又因为AK＝d，CG＝D₁，则有由此得到：

V＝V₁+V₂+V₃＝2V₁+V₂；

如图3所示，环坯高度为H₀，外径为D₀，内径为d₀，小圆柱段高度为h₀，上圆台段的轴向截面为梯形A₀B₀C₀G₀，两腰延长线的交点为O₀，腰线与水平面夹角为α₀，根据几何学，ΔO₀A₀B₀∽ΔO₀C₀G₀，则得：A₀B₀/C₀G₀＝O₀E₀/O₀F₀，令O₀E₀＝h₀₁，由于O₀F₀＝O₀E₀+E₀F₀，则根据几何关系知：

根据几何学相似关系得：

于是

V₀＝V₀₁+V₀₂+V₀₃＝2V₀₁+V₀₂，

根据体积不变原则，有V＝V₀，然后对锻件和环坯中间段的圆柱体积进行关联分析，定义体积分配系数μ，以及体积比系数λ，则，

V₂＝μV，V₀₂＝μλV，

2)环坯基本尺寸环高H₀、外径D₀、角度α₀保持不变，根据金属体积不变原则，环坯内径d₀随着尺寸h₀的变化而变化，这样体积分配系数μ和体积比系数λ发生变化。为了确定合理体积分配系数μ和体积比系数λ，通过Simufact软件参数化建立高铁轴承环坯热轧成形模型，对热轧成形的高铁轴承环锻件截面应变均匀性通过如下公式评估，

其中，ε'—等效应变标准差；ε_i—各节点单位等效应变值；n—节点单位数量；—等效应变平均值，

进而确定不同环坯结构热轧成形的高铁轴承环3的应变标准差，从而得出显著提高高铁轴承环的变形均匀性的最佳高铁轴承环坯结构，即可确定合理体积分配系数μ和体积比系数λ。

如图4所示，轧制时，环坯套设于芯辊2上，驱动辊4与环坯外周面相贴合配置，芯辊和驱动辊旋转带动环坯旋转轧制成形。

实施例一

铁路轴承公司生产高铁轴承外环的一端锥形毛坯尺寸外径D’为166mm，内径d’为101.14mm，环件高H’为165mm，锥角α’为77°，于是得到的尺寸h’为95mm。通过Simufact软件建立的轧制成形模型得到高铁轴承环锻件，根据公式计算环锻件截面应变分布标准差为0.979。

为了热轧成形相同结构的高铁轴承环锻件，积分配系数μ保持不变，根据高铁轴承环锻件的结构特点，保持两端对称锥形毛坯的大径D₀(166mm)、高度H₀(165mm)、锥角α₀(77°)不变，根据体积不变原则，通过方程确定环坯形状尺寸，通过改变尺寸h₀，小径d₀随着改变，体积比系数λ随之改变，如下表所示，

通过Simufact软件建立高铁轴承环热轧的参数化模型，分别对两端对称锥形毛坯尺寸h₀＝35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85mm时环坯进行轧制，得到的环锻件截面应变分布由标准差公式计算来衡量。在体积比系数λ为1.77时(见图5)，对称锥形毛坯轧制成形的高铁轴承环锻件变形均匀性较好，相对一端有锥度的轴承环坯显著提高了高铁轴承环锻件变形均匀性，这显著提高了高铁轴承环组织细化均匀性。

上述实例仅是对本发明有效性和可行性的实例论证，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的工作原理所实施例任何具体的简单变更、等同变化和修饰，均仍属于本发明的范围内。