大型環(huán)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(qiáng)，郝宏昭，楊展飛

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

大型環(huán)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(qiáng)1,2，郝宏昭1,2，楊展飛1,2

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

大型環(huán)件徑軸向軋制成形工藝復(fù)雜，合理的成形工藝可以提高大型環(huán)件徑軸向軋制成形的產(chǎn)品質(zhì)量。本文對大型環(huán)件徑軸向軋制成形工藝制定進(jìn)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(huán)件冷態(tài)和熱態(tài)尺寸的確定、環(huán)件毛坯冷態(tài)和熱態(tài)尺寸的確定、環(huán)件徑軸向軋制成形工藝的確定。本文的研究成果在大型環(huán)件徑軸向軋制技術(shù)的實際生產(chǎn)中獲得了成功應(yīng)用。

大型環(huán)件；徑軸向軋制；成形工藝；工藝制定

0 前言

環(huán)件徑軸向軋制成形(圖1)是通過軋輥對環(huán)件壁厚和高度的連續(xù)局部壓下作用使得環(huán)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(huán)件精度高、性能好，生產(chǎn)效率高，對加工設(shè)備噸位要求小，目前已經(jīng)成為生產(chǎn)大型環(huán)件最佳，甚至是必須采用的加工方法[4-7]。

大型環(huán)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(fù)雜塑性成形過程。合理的大型環(huán)件徑軸向軋制成形工藝流程可以提高產(chǎn)品的加工質(zhì)量、材料利用率和生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本和勞動強(qiáng)度，因此對大型環(huán)件徑軸向軋制成形工藝的制定進(jìn)行系統(tǒng)研究是十分重要的。

圖1 環(huán)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(huán)件徑軸向軋制成形工藝的制定進(jìn)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(huán)件冷態(tài)尺寸的確定、軋制成形環(huán)件熱態(tài)尺寸的確定、軋制環(huán)件毛坯冷態(tài)尺寸的確定、軋制環(huán)件毛坯熱態(tài)尺寸的確定和環(huán)件徑軸向軋制工藝的確定。

1 軋制成形環(huán)件冷態(tài)尺寸的確定

大型環(huán)形零件產(chǎn)品是軋制成形半成品環(huán)件經(jīng)過機(jī)械加工獲得，對于給定規(guī)格的大型環(huán)形零件，確定其軋制成形半成品環(huán)件冷態(tài)尺寸時必須加上機(jī)械加工余量，即

(1)

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

徑軸向軋制成形環(huán)件的機(jī)械加工余量大小可以根據(jù)以下原則來確定：

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

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

(3)環(huán)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(huán)件進(jìn)行較圓后再進(jìn)行機(jī)械加工。即使環(huán)件圓度偏差較小，在確定環(huán)件內(nèi)外環(huán)面機(jī)械加工余量時也必須對其進(jìn)行充分考慮，使得環(huán)件內(nèi)外環(huán)面機(jī)械加工余量足以同時消除環(huán)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(huán)件需要切除試樣進(jìn)行力學(xué)性能測試，首先要根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定試樣的尺寸和在環(huán)件上的切取位置，然后在確定軋制成形環(huán)件尺寸時必須有足夠的機(jī)械加工余量來切取標(biāo)準(zhǔn)試樣，這會在很大程度上增加成形環(huán)件的機(jī)械加工余量。

2 軋制成形環(huán)件熱態(tài)尺寸的確定

大型環(huán)件徑軸向軋制成形是在熱態(tài)下進(jìn)行的，軋制成形環(huán)件冷卻下來后，環(huán)件尺寸會減小。對于確定尺寸的冷態(tài)環(huán)件，熱態(tài)成形的環(huán)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(huán)件熱態(tài)下的外徑、壁厚和高度;k為材料的線膨脹系數(shù);ΔTr是軋制成形環(huán)件熱態(tài)溫度和常溫的差值。

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

3 軋制環(huán)件毛坯冷態(tài)尺寸的確定

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

(3)

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

將式(3)進(jìn)行簡化可得

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

(4)

上式即為環(huán)件毛坯冷態(tài)尺寸必須滿足的條件。

對于同樣的軋制成形環(huán)件尺寸，可以采用不同幾何尺寸的環(huán)件毛坯來成形，與之對應(yīng)的環(huán)件徑軸向軋制成形工藝過程也完全不同。大型環(huán)件毛坯尺寸確定必須充分考慮環(huán)件徑軸向軋制成形過程的材料變形機(jī)理。同時，環(huán)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(huán)件毛坯尺寸確定時也必須予以考慮。

4 軋制環(huán)件毛坯熱態(tài)尺寸的確定

軋制環(huán)件毛坯熱態(tài)下的尺寸比冷態(tài)下的大，對于確定的冷態(tài)環(huán)件毛坯尺寸，軋制環(huán)件毛坯熱態(tài)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(huán)件毛坯熱態(tài)下的外徑、壁厚和高度；k為材料的線膨脹系數(shù)；ΔTb為軋制環(huán)件毛坯加熱溫度和常溫的差值。

5 環(huán)件徑軸向軋制成形工藝過程的確定

在徑軸向軋制環(huán)件毛坯熱態(tài)尺寸和成形環(huán)件熱態(tài)尺寸確定后，就可以確定環(huán)件徑軸向軋制成形工藝過程。大型環(huán)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(jī)理，同時還要考慮設(shè)備的加工能力等因素。

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

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

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

6 結(jié)論

本文對大型環(huán)件徑軸向軋制成形工藝制定進(jìn)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(huán)件冷態(tài)和熱態(tài)尺寸的確定、軋制環(huán)件毛坯冷態(tài)和熱態(tài)尺寸的確定、環(huán)件徑軸向軋制工藝的確定。本文的研究成果在大型環(huán)件徑軸向軋制成形的實際生產(chǎn)中獲得了成功應(yīng)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(huán)件徑向軋制設(shè)備動梁受力分析和優(yōu)化[J]. 重型機(jī)械, 2012(3): 137-140.

[5] 谷瑞杰, 權(quán)曉惠, 張淑蓮, 等. 徑軸向數(shù)控軋環(huán)機(jī)定心輥位置自動控制技術(shù)研究[J]. 重型機(jī)械, 2013(6): 6-9.

[6] 張淑蓮, 何養(yǎng)民, 楊大祥, 等. 5m徑軸向數(shù)控軋環(huán)機(jī)主要參數(shù)的確定[J]. 重型機(jī)械, 2007(2): 12-14.

[7] 杜學(xué)斌, 韓炳濤, 葛東輝, 等. Φ5000mm徑軸向數(shù)控軋環(huán)機(jī)[J]. 鍛壓裝備與制造技術(shù), 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(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(2010ZX04004-131)；國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(2012CB724300)

谷瑞杰(1980-)，男,中國重型機(jī)械研究院股份公司高級工程師,工學(xué)博士,專業(yè)領(lǐng)域：鍛壓設(shè)備與工藝。

TG333.12

A

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