大型環件徑軸向軋制成形工藝制定研究

谷瑞杰，張淑蓮，楊大祥，馬步強，郝宏昭，楊展飛

(1. 中國重型機械研究院股份公司, 陜西 西安 710032; 2. 金屬擠壓/鍛造裝備技術國家重點實驗室, 陜西 西安 710032; 3. 西北工業大學 材料學院, 陜西 西安 710072)

大型環件徑軸向軋制成形工藝制定研究

谷瑞杰1,2,3，張淑蓮1,2，楊大祥1,2，馬步強1,2，郝宏昭1,2，楊展飛1,2

(1. 中國重型機械研究院股份公司, 陜西 西安 710032; 2. 金屬擠壓/鍛造裝備技術國家重點實驗室, 陜西 西安 710032; 3. 西北工業大學 材料學院, 陜西 西安 710072)

大型環件徑軸向軋制成形工藝復雜，合理的成形工藝可以提高大型環件徑軸向軋制成形的產品質量。本文對大型環件徑軸向軋制成形工藝制定進行研究，給出了成形工藝制定流程和方法，其中包括軋制成形環件冷態和熱態尺寸的確定、環件毛坯冷態和熱態尺寸的確定、環件徑軸向軋制成形工藝的確定。本文的研究成果在大型環件徑軸向軋制技術的實際生產中獲得了成功應用。

大型環件；徑軸向軋制；成形工藝；工藝制定

0 前言

環件徑軸向軋制成形(圖1)是通過軋輥對環件壁厚和高度的連續局部壓下作用使得環件壁厚和高度逐漸減小，半徑不斷長大，截面輪廓成形的工藝過程[1-3]，采用該成形工藝加工環件精度高、性能好，生產效率高，對加工設備噸位要求小，目前已經成為生產大型環件最佳，甚至是必須采用的加工方法[4-7]。

大型環件徑軸向軋制成形工藝過程是一個多因素耦合作用下的高度非線性的復雜塑性成形過程。合理的大型環件徑軸向軋制成形工藝流程可以提高產品的加工質量、材料利用率和生產效率，降低生產成本和勞動強度，因此對大型環件徑軸向軋制成形工藝的制定進行系統研究是十分重要的。

圖1 環件徑軸向軋制成形原理圖Fig.1 Sketch of ring radial-axial rolling

本文對大型環件徑軸向軋制成形工藝的制定進行研究，給出了成形工藝制定的流程和方法，其中包括軋制成形環件冷態尺寸的確定、軋制成形環件熱態尺寸的確定、軋制環件毛坯冷態尺寸的確定、軋制環件毛坯熱態尺寸的確定和環件徑軸向軋制工藝的確定。

1 軋制成形環件冷態尺寸的確定

大型環形零件產品是軋制成形半成品環件經過機械加工獲得，對于給定規格的大型環形零件，確定其軋制成形半成品環件冷態尺寸時必須加上機械加工余量，即

(1)

式中，Dc、tc、hc和D、t、h分別為環件機械加工前后的外徑、壁厚和高度;Δt和Δh分別是環件壁厚和高度的機械加工余量。

徑軸向軋制成形環件的機械加工余量大小可以根據以下原則來確定：

(1)機械加工余量的大小由徑軸向軋制成形環件的精度所決定，與環件徑軸向軋制成形工藝和軋環設備精度等密切相關，對于截面質量和外徑成形精度較高的徑軸向軋制成形環件，機械加工余量可以取的較小，反之則機械加工余量就要取的較大。

(2)環件徑軸向雙向軋制成形時，經過徑向軋制變形區的截面上下端面出現魚尾坑，經過軸向軋制變形區的截面內外環面出現魚尾坑，為了減小軋制環件的機械加工量，往往需要在徑軸向雙向軋制后進行單徑向軋制以消除環件內外環面魚尾坑，但是在該階段環件上下端面魚尾坑會更深。

(3)環件徑軸向軋制成形時其圓度往往會有一點的偏差，如果圓度偏差較大，則必須對環件進行較圓后再進行機械加工。即使環件圓度偏差較小，在確定環件內外環面機械加工余量時也必須對其進行充分考慮，使得環件內外環面機械加工余量足以同時消除環件的圓度偏差和氧化皮等表面缺陷。

(4)如果徑軸向軋制成形環件需要切除試樣進行力學性能測試，首先要根據相關標準確定試樣的尺寸和在環件上的切取位置，然后在確定軋制成形環件尺寸時必須有足夠的機械加工余量來切取標準試樣，這會在很大程度上增加成形環件的機械加工余量。

2 軋制成形環件熱態尺寸的確定

大型環件徑軸向軋制成形是在熱態下進行的，軋制成形環件冷卻下來后，環件尺寸會減小。對于確定尺寸的冷態環件，熱態成形的環件尺寸可以通過下式確定

(2)

式中，Dh、th和hh分別為軋制成形環件熱態下的外徑、壁厚和高度;k為材料的線膨脹系數;ΔTr是軋制成形環件熱態溫度和常溫的差值。

需要注意的是，熱態徑軸向軋制成形的大型環形溫度分布是不均勻的，在采用式(2)計算熱態下的成形環件尺寸時，材料的線膨脹系數k和軋制成形環件熱態溫度與常溫的差值ΔTr均取其平均值。

3 軋制環件毛坯冷態尺寸的確定

在大型環件毛坯加熱和徑軸向軋制成形過程中，材料氧化產生的損耗必須予以考慮。環件在熱態下的尺寸與其溫度有直接關系，因此環件熱態成形前后的體積關系很難確定。軋制環件毛坯冷態尺寸和成形環件冷態尺寸滿足如下關系

(3)

其中，Dc0、tc0和hc0分別為環件毛坯在冷態下的外徑、壁厚和高度;a為環件毛坯加熱和成形過程中的熱耗率。

將式(3)進行簡化可得

(Dc0+tc0)tc0hc0=(Dc+tc)tchc(1+a)

(4)

上式即為環件毛坯冷態尺寸必須滿足的條件。

對于同樣的軋制成形環件尺寸，可以采用不同幾何尺寸的環件毛坯來成形，與之對應的環件徑軸向軋制成形工藝過程也完全不同。大型環件毛坯尺寸確定必須充分考慮環件徑軸向軋制成形過程的材料變形機理。同時，環件在徑軸向軋制階段后的單徑向軋制階段壁厚還會有一定減小，這在環件毛坯尺寸確定時也必須予以考慮。

4 軋制環件毛坯熱態尺寸的確定

軋制環件毛坯熱態下的尺寸比冷態下的大，對于確定的冷態環件毛坯尺寸，軋制環件毛坯熱態下的尺寸可以通過下式確定

(5)

式中，Dh0、th0和hh0分別為軋制環件毛坯熱態下的外徑、壁厚和高度；k為材料的線膨脹系數；ΔTb為軋制環件毛坯加熱溫度和常溫的差值。

5 環件徑軸向軋制成形工藝過程的確定

在徑軸向軋制環件毛坯熱態尺寸和成形環件熱態尺寸確定后，就可以確定環件徑軸向軋制成形工藝過程。大型環件徑軸向軋制成形工藝過程確定必須充分考慮材料的變形機理，同時還要考慮設備的加工能力等因素。

(1)環件毛坯一般通過鍛造壓機來制作，其形狀和尺寸精度往往很低，因此環件毛坯在軋制初始階段首先要對其進行校形，在此階段主要以徑向軋制為主。環件的成形主要是在徑軸向雙向軋制階段，在該階段環件壁厚和高度同時減小，環件直徑增大。環件在徑軸向軋制階段形成的內外環面魚尾坑要通過單徑向軋制階段消除，在此階段環件壁厚減小，高度不變，環件直徑仍又一定的增大。環件在最后的軋制階段還要進行較圓，在此階段芯輥的進給速度很小，環件高度不變，直徑的增大很小。綜上所述，大型環件徑軸向軋制成形工藝過程包括毛坯校形、徑軸向雙向主軋制、單徑向軋制和環件成品較圓四個階段。

(2)大型環件徑軸向軋制成形工藝過程必須滿足環件的咬入和鍛透等穩定軋制成形條件。環件的咬入條件要求軋輥和環件之間的摩擦系數較大，對于大型環件徑軸向軋制成形來說，環件在熱態下和軋輥間的摩擦系數往往很大，因此環件的咬入條件一般比較容易滿足。環件的鍛透條件要求軋輥的進給速度要大于一定的值，但是過大的進給速度會使得環件直徑的增大速度過快，從而使得環件軋制過程出現不穩定，而且較大的進給速度也會使得環件成形需要更大的軋制力和軋制力矩，對設備的力能參數要求更高。

(3)大型環件徑軸向軋制成形工藝必須綜合考慮軋制過程的時間和設備的加工能力。軋輥進給速度快，環件軋制往往需要很大的軋制力和軋制力矩，對設備力能參數要求高，但是軋制過程需要的時間短，在環件軋制過程后期環件仍然可以保持較高的溫度，這對于環件后期成形是有利的。反之，軋輥進給速度慢，環件軋制往往需要較小的軋制力和軋制力矩，對設備力能參數要求低，但是軋制過程需要的時間長，在環件軋制過程后期環件溫度較低會使得材料變形抗力提高，這對于環件后期成形是不利的，甚至可能由于環件溫度過低而使得材料塑性大大降低，環件后期無法成形。

6 結論

本文對大型環件徑軸向軋制成形工藝制定進行研究，給出了成形工藝制定流程和方法，其中包括軋制成形環件冷態和熱態尺寸的確定、軋制環件毛坯冷態和熱態尺寸的確定、環件徑軸向軋制工藝的確定。本文的研究成果在大型環件徑軸向軋制成形的實際生產中獲得了成功應用。

[1] Shuai Zhu, He Yang, Lianggang Guo, et al. Research on the effects of coordinate deformation on radial-axial ring rolling process by FE simulation based on in-process control [J]. International Journal of Advanced Manufacture Technology, 72 (2014): 57-68.

[2] Lianggang Guo, He Yang. Towards a steady forming condition for radial-axial ring rolling [J]. International Journal of Mechanical Sciences, 53 (2011): 286-299.

[3] J.L. Songa, A.L. Dowsona, M.H. Jacobsa, J. et al. Coupled thermo-mechanical finite-element modeling of hot ring rolling process [J]. Journal of Materials Processing Technology, 121 (2002): 332-340.

[4] 谷瑞杰, 張淑蓮, 楊大祥, 等. 超大型環件徑向軋制設備動梁受力分析和優化[J]. 重型機械, 2012(3): 137-140.

[5] 谷瑞杰, 權曉惠, 張淑蓮, 等. 徑軸向數控軋環機定心輥位置自動控制技術研究[J]. 重型機械, 2013(6): 6-9.

[6] 張淑蓮, 何養民, 楊大祥, 等. 5m徑軸向數控軋環機主要參數的確定[J]. 重型機械, 2007(2): 12-14.

[7] 杜學斌, 韓炳濤, 葛東輝, 等. Φ5000mm徑軸向數控軋環機[J]. 鍛壓裝備與制造技術, 2007(3): 34-37.

Research on the formation process determination of large ring radial-axial rolling

GU Rui-jie1,2,3， ZHANG Shu-lian1,2，YANG Da-xiang1,2，MA Bu-qiang1,2，Hao Hong-zhao1,2，YANG Zhan-fei1,2

(1.China National Heavy Machinery Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710032, China;2.State Key Laboratory of Metal Extrusion and Forging Equipment Technology, Xi’an 710032, China;3.College of Materials Science and Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

The formation process of large ring radial-axial rolling is complicated and the reasonable process can improve the ring quality. The formation process determination of large ring radial-axial rolling is studied in the paper. The whole determination flow and method is given, which includes the dimension determination of rolled hot ring and rolled cold ring, the dimension determination of cold ring blank and hot ring blank, the process determination of ring radial-axial rolling. The study has been successfully used in the production of large ring radial-axial rolling.

large ring; radial-axial rolling; formation process; process determination

2015-10-16；

2015-11-12

“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重大專項(2010ZX04004-131)；國家重點基礎研究發展計劃(2012CB724300)

谷瑞杰(1980-)，男,中國重型機械研究院股份公司高級工程師,工學博士,專業領域：鍛壓設備與工藝。

TG333.12

A

1001-196X(2016)03-0033-03