制备辊锻毛坯的工艺及设计原则

制坯辊锻工艺的用途是为后续模锻提供合理的毛坯。其设计程序一般为：根据锻件图设计辊锻毛坯图、确定辊锻道次、选择型槽系、计算各道毛坯与型槽截面尺寸、计算型槽的纵向尺寸及变形力等。

（一）辊锻毛坯设计

设计辊锻毛坯的基础是锻件截面图和计算毛坯图。通常可将截面图按长度上面积不同分成若干特征段，如图6-1-15所示的连杆可分成大头、杆部、小头及过渡区段。辊锻毛坯与之相对应区段的形状设计应遵循如下原则：

1）截面变化急剧的区段可用等截面代替，如图6-1-15所示的大、小头部，这样可简化型槽形状，便于加工。

2）过渡区段应平滑过渡，以免产生折叠。过渡区段的斜角β一般取45°～60°，或其长度l_a′按下式计算：

式中 S、S′——过渡区段两个特征截面的面积（见

图6-1-15b）。

3）两端部区段长度应比锻件相应区段长度略短些，这样既便于模锻时放料，又可避免因毛坯过长引起端部折叠。中间部分长度应与锻件相同。

4）为了便于辊锻及后续模锻的送料，辊锻毛坯上应留有夹钳料头。夹钳料头有两种形式：一是利用毛坯不变形的端部作为辊锻时的夹持部位（见图6-1-16中的a、c、d）。为了夹持牢固，端部长度不得小于其边长或直径的1/2。二是在辊锻的最后阶段辊出（图6-1-16中的虚线表示为夹钳料头）。

图6-1-16 辊锻毛坯的几种典型型式

（二）辊锻道次确定

根据锻件截面图中的最大截面积计算出原始毛坯的直径或边长，并按标准钢材取值。原始毛坯长度L₀按式（6-1-18）计算：

式中 V₀——辊锻毛坯体积；

S₀——原始毛坯横截面积；

K_S——烧损系数。

辊锻道次N可按式（6-1-19）确定：

式中 λ_Z——总延伸系数，λ_Z=S₀/S_min；

S_min——辊锻毛坯中最小横截面积；

λ_p——平均延伸系数，通常取为1.4～1.6。

图6-1-17 制坯辊锻常用型槽系

a）椭圆—方形型槽系 b）椭圆—圆形型槽系 c）菱形—方形型槽系 d）矩形（箱形）型槽系 e）六角—方形型槽系

（三）辊锻型槽系选择

（1）辊锻型槽系 制坯辊锻常用的型槽系有椭圆—方、椭圆—圆、菱形—方、六角—方及箱形—矩形等（见图6-1-17），它们的变形特点见表6-1-7。

（2）坯料在型槽中辊锻的稳定性 坯料在型槽中辊锻时要求不转动，即稳定性要好，否则辊锻过程无法正常进行。影响稳定性的因素有：型槽与坯料的截面形状、轴长比，以及辊锻模的制造安装精度等。型槽与坯料的截面形状配合关系不同，其稳定性也不同。如表6-1-7所示，椭圆、菱形和六角形坯料进入方形型槽稳定性好，而椭圆—圆、菱形—菱形型槽系的稳定性则较差。坯料长轴与短轴之比对稳定性影响很大。轴长比越大，变形程度就越大，但稳定性也越差，因此，欲增大变形量，往往要受到稳定性条件即极限轴长比的限制。常用型槽系的极限轴长比见表6-1-8。

（3）辊锻型槽系的选择 可供制坯辊锻选用的型槽系方案见图6-1-18。

图6-1-18 制坯辊锻型槽系方案

选择辊锻型槽系时，应考虑以下几项原则：

①原始毛坯截面形状对型槽系选择关系很大。圆坯因价格便宜最常用，只有批量很大时才能考虑采用方形或矩形毛坯。

②最后一道型槽形状必须满足辊锻毛坯图的要求。

③多型槽制坯辊锻，辊锻完一道移向下一型槽时，往往坯料需要翻转90°或45°，所以坯料不允许产生飞边。

表6-1-7 制坯辊锻常用型槽系变形特点

表6-1-8 常用型槽系许用的坯料极限轴长比

（四）各道型槽横截面尺寸的确定

制坯辊锻大多数采用椭圆—方或椭圆—圆形型槽系，故在此只介绍这两种型槽系尺寸的确定方法。

（1）经验法 确定型槽系尺寸的步骤为：

①根据原始毛坯形状和总延伸率，按表6-1-9确定辊锻道次及各道次的延伸率、轴长比、充满系数。

表6-1-9 辊锻道次及各道次延伸率分配表

②根据原始毛坯的横截面面积S₀和各道延伸率λ_i计算出各道辊锻后坯料的横截面面积S_i：

③对于椭圆形型槽（见图6-1-19），其截面尺寸可按下列公式计算：

式中 S、a——椭圆坯料的横截面积、轴长比；

δ——椭圆形型槽的充满系数，可由表6-1-9查得。

图6-1-19 椭圆形型槽

图6-1-20 圆形型槽

④对于圆形型槽（见图6-1-20），在过渡圆角部位有一段与圆周相切的直线，其斜度为20°～40°，型槽圆角半径一般取r=0.05D：

⑤对于方形型槽（见图6-1-21），一般取r₁=0.15c，r₂=0.10c：

（2）图解法一 对于不同型槽系、不同道次，应用不同的图表：

图6-1-21 方形型槽

图6-1-22 在椭圆形型槽中辊锻圆形毛坯时，椭圆毛坯轴长比a₁及压缩系数d₀/h₁的确定（δ=0.8）

①圆—椭圆形型槽系的单道次辊锻

已知：锻辊中心距D₀、原始毛坯横截面积S₀和辊锻后坯料截面积S₁及型槽充满系数δ=0.8。

图解法：a）求出延伸系数λ=S₀/S₁；

b）求出D₀/d₀（d₀为原始毛坯直径）；

c）根据λ和D₀/d₀，查图6-1-22，即可求得椭圆毛坯的轴长比a₁及压缩系数d₀/h₁，进而求出h₁。其他尺寸计算方法同上。

②圆—椭圆—圆形型槽系的两道次辊锻

已知：锻辊中心距D₀、原始毛坯直径d₀和辊锻后直径d₁，椭圆形型槽充满系数δ=0.8，圆形型槽充满系数δ=1.0。

图解法：a）计算出D₀/d₁和d₀/d₁；

b）查图6-1-23的上部，可求出椭圆毛坯的轴长比a₁，在图表下部，根据D₀/d₁和a₁，即可确定h₁/d₁，其他尺寸计算方法同上；

c）圆形毛坯在椭圆形型槽中辊锻时的延伸系数λ₁可由图6-1-22确定，椭圆毛坯在圆形型槽中辊锻时的延伸系数λ₂，可用式（6-1-27）求出：

图6-1-23 在圆—椭圆—圆形型槽系两道次辊锻时，椭圆毛坯尺寸的确定（椭圆形型槽δ=0.8，圆形型槽δ=1.0）

③圆—椭圆—方形型槽系的两道次辊锻

已知：锻辊中心距D₀、原始毛坯直径d₀和辊锻后边长c₁，椭圆和方形型槽充满系数δ=0.9。

图解法：a）计算出D₀/h_k2和d₀/h_k2（h_k2为方形型槽的理论高度及宽度）；

b）查图6-1-24的上部，可求出椭圆毛坯的轴长比a₁，在图表下部，根据D₀/h_k2和a₁，即可确定h₁/h_k2，其他尺寸计算方法同上；

c）圆形毛坯在椭圆形型槽中辊锻时的延伸系数λ₁可由图6-1-22确定，椭圆毛坯在方形型槽中辊锻时的延伸系数λ₂，可用式（6-1-28）求出：

④方—椭圆形型槽系的单道次辊锻

已知：锻辊中心距D₀、原始毛坯横截面积S₀和辊锻后坯料截面积S₁，方形毛坯边长c₀及型槽充满系数δ=0.8。

图解法：a）求出延伸系数λ=S₀/S₁和参数D₀/c₀；

b）查图6-1-25，即可求得椭圆毛坯的轴长比a₁及压缩系数c₀/h₁，进而求出h₁。其他尺寸计算方法同上。

图6-1-24 在圆—椭圆—方形型槽系两道次辊锻时，椭圆毛坯尺寸的确定（椭圆和方形型槽充满系数δ=0.9）

图6-1-25 在椭圆形型槽中辊锻方形毛坯时，椭圆毛坯轴长比a₁及压缩系数c₀/h₁的确定（δ=0.8）

⑤方—椭圆—圆形型槽系的两道次辊锻

已知：锻辊中心距D₀原始毛坯边长c₀和辊锻后直径d₁，椭圆形型槽充满系数δ=0.8，圆形型槽充满系数δ=1.0。

图解法：a）计算出D₀/d₁和c₀/d₁；(www.xing528.com)

b）查图6-1-26的上部，可求出椭圆毛坯的轴长比a₁，在图表下部，根据D₀/d₁和a₁，即可确定h₁/d₁，其他尺寸计算方法同上。

⑥方—椭圆—方形型槽系的两道次辊锻

已知：锻辊中心距D₀、原始毛坯边长c₀和辊锻后边长c₁，椭圆和方形型槽充满系数δ=0.9。

图解法：a）计算出D₀/h_k2和c₀/h_k2（h_k2为方形型槽的理论高度及宽度）

b）查图6-1-27的上部，可求出椭圆毛坯的轴长比a₁，在图表下部，根据D₀/h_k2和a₁，即可确定h₁/h_k2，其他尺寸计算方法同上。

图6-1-26 在方—椭圆—圆形型槽系两道次辊锻时，椭圆毛坯尺寸的确定（δ=0.8）

图6-1-27 在方—椭圆—方形型槽系两道次辊锻时，椭圆毛坯尺寸的确定（δ=0.9）

图6-1-28 圆—椭圆—立椭圆形型槽系

a）第一道 b）第二道

⑦圆—椭圆—立椭圆形型槽系两道次辊锻（见图6-1-28）

椭圆坯料在圆形型槽中辊锻时，如其轴长比大于3，就易于失稳而产生废品。而用立椭圆形型槽代替圆形型槽，即使椭圆坯料轴长比大于4，仍能保证可靠的稳定性。

已知：锻辊中心距D₀、原始毛坯直径d₀及截面积S₀、辊锻后立椭圆截面积S₂，并给定平椭圆形型槽充满系数δ₁=0.9，立椭圆形型槽充满系数δ₂=1.0，立椭圆形型槽的轴长比a₂=b₂/h₂=0.8。

图解法：a）按式（6-1-29）计算出立椭圆的高度：

b）计算总延伸率λ_Z=S₀/S₂及D₀/h₂；

c）查图6-1-29确定平椭圆形型槽的轴长比a₁及椭圆形型槽压缩系数d₀/h₁。图表使用方法如箭头所示：先在横坐标上找到计算出的D₀/h₂值，向上作垂线并与相应的λ_Z值水平线相交，求出在实线上的a₁值，然后继续向上在虚线上找到相应的a₁值作水平线交于图表右侧纵坐标，即得d₀/h₁值。

图6-1-29 圆—椭圆—立椭圆形型槽系确定a₁及d₀/h₁

d）按下列公式计算出立椭圆型槽尺寸：

立椭圆圆弧半径：

立椭圆宽度：b₂=a₂h₂ （6-1-31）

立椭圆圆角半径：r₁=0.25b₂ （6-1-32）

r₂=0.2b₂ （6-1-33）

e）平椭圆形型槽其他尺寸计算同前。

f）计算各道延伸系数：

⑧上述型槽系的四道次辊锻。四道次辊锻可以分解为两个两道次辊锻，关键在于求出第二道辊锻后坯料直径或边长，其确定方法为：

求出第二道辊锻坯料直径或边长后，即可按上述方法确定出第一道和第三道椭圆形型槽的尺寸。

（3）图解法二 该图表（见图6-1-30）适用于1100～1200℃的辊锻温度，用于确定方形（圆形）—椭圆—方形（圆形）型槽和尺寸和截面积。图表的左边列出验算数值的公式，右边给出截面减小系数。图中阴影线表示的极限截面减小系数适用于碳钢，对于合金钢，应适当增大系数，后几道次截面减小系数也应适当增大，以便保持工作表面光洁。

图表使用方法：从11或12中的原始毛坯截面尺寸为起点，在一条垂直线上读取21和22区中的椭圆高度和宽度以及3区中的方形边长。然后从41中查得方形截面面积，从42中查得椭圆截面面积。如果辊锻两道次后尚未达到所要求的尺寸，就应从11重新开始来确定其他道次型槽尺寸。

（五）型槽纵向尺寸的确定

（1）辊锻毛坯过渡区段长度（见图6-1-31）可以认为各道次辊锻时过渡区段的体积保持不变。因为：

式中 S_a、S_b——楔形区段边界上的两个横截面积；

L——楔形区段长度。

故各道毛坯的楔形区段长度可按下式由后往前推算：

（2）型槽纵向长度尺寸的确定 由于前滑，型槽底部的长度应比毛坯相应区段的长度短些，即：

式中 s——前滑值，在等截面区段可取为4%～6%，在减压下辊锻区段可取为2%～4%，在增压下辊锻区段可取为6%～12%；

L_k——型槽底部的长度；

L_a——毛坯相应区段的长度。型槽区段所对应的中心角（rad）：

式中 R_z——型槽作用半径，

h——型槽高度，如果型槽高度是连续变化的，则作用半径可按平均值计算。辊锻模具的纵向总长度取决于型槽各区段长度之和（见图6-1-32），即：

θ=θ₁+θ₂+θ₃+…+0.175～0.262 （6-1-40）

模具中心角增加10°～15°的目的在于容纳辊锻过程中可能出现的多余金属。对于悬臂式辊锻机，模具包角一般不大于270°，对于双支承辊锻机，模具包角一般不大于180°。模具型槽各区段间应圆滑过渡，所取圆角半径视具体情况而定。

（六）制坯辊锻模设计示例——95连杆制坯辊锻模

以95型柴油机连杆锻件为例，其锻件图如图6-1-33所示。制坯辊锻工艺设计步骤如下：

1.根据锻件截面图和计算毛坯图设计出辊锻毛坯图（见图6-1-34）

2.确定原始毛坯尺寸

按钢材标准，选用ϕ65圆钢

辊锻毛坯体积V=∑V₁=44391.8mm³

辊锻毛坯质量G=3.48kg

原始毛坯长度

3.确定辊锻道次

总伸长率

取平均伸长率λ_p=1.6

辊锻道次确定为四道次辊锻。

图6-1-30 方形（圆形）—椭圆—方形（圆形）型槽系线解图

图6-1-31 辊锻毛坯过渡区段长度

图6-1-32 辊锻模型槽纵向剖面

图6-1-33 95型连杆锻件图

图6-1-34 95型连杆辊锻毛坯图

4.杆部型槽系选择及尺寸计算

由于杆部为方形，故选用椭圆—方—椭圆—方形型槽系，根据表6-1-13选取各道延伸系数：

λ₁=1.97，λ₂=1.75，λ₃=1.51，λ₄=1.32

已知S₀及各道伸长率λ_i，可计算出各道辊锻后的坯料截面积：

S₁=1736.6mm²，S₂=992.4mm²，S₃=657.2mm²，S₄=497.9mm²

第一道椭圆形型槽尺寸计算：

根据表6-1-13选取椭圆形型槽轴长比a₁=3.5，充满系数δ₁=0.9，根据公式6-1-41：

第二道方形型槽尺寸计算：

取r₂=5，根据公式6-1-46：

第三道椭圆形型槽和第四道方形型槽尺寸计算方法同前。

5.小头型槽系选择及尺寸计算

由于小头总延伸率较小，且为圆形，故可选用椭圆—圆形两道次辊锻，计算方法同前。

6.型槽纵向尺寸计算

首先，计算出各道坯料各特征段的长度：

然后，计算出各道辊锻模型槽弧长及对应的圆心角：