大型筒體鍛件軋制技術(shù)研究進(jìn)展

門正興　孫　嫘　馬亞鑫　岳太文

(1．成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空制造工程系，四川610021；2．中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)大型鑄鍛件研究所，四川618013)

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大型筒體鍛件軋制技術(shù)研究進(jìn)展

門正興1孫嫘2馬亞鑫1岳太文1

(1．成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空制造工程系，四川610021；2．中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)大型鑄鍛件研究所，四川618013)

通過分析大型筒體軋制技術(shù)的成形特點(diǎn)、設(shè)備結(jié)構(gòu)、工藝流程，對(duì)大型筒體軋制技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展方向進(jìn)行了闡述。

大型筒體；軋制技術(shù)；進(jìn)展

大型筒體(或稱筒節(jié))類鍛件作為大型核電壓力容器、大型加氫反應(yīng)器、大型煤液化反應(yīng)器等大型容器類設(shè)備的核心部件，其高參數(shù)、精細(xì)化、超大型化發(fā)展趨勢(shì)明顯，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊，是我國(guó)重型裝備高端制造業(yè)發(fā)展的主要方向之一。

隨著高端裝備制造業(yè)迅猛發(fā)展，我國(guó)大型筒體類鍛件的生產(chǎn)能力不斷提升。2013年，中國(guó)二重集團(tuán)采用特殊制造方法，成功生產(chǎn)出外徑7 m的壓力容器筒體鍛件；2015年中信重工機(jī)械股份有限公司用338 t鋼錠在185 MN油壓機(jī)上成功生產(chǎn)出外徑6.72 m、高3.95 m、單重202 t的超大型加氫筒體鍛件。這兩個(gè)筒體鍛件均采用傳統(tǒng)的水壓機(jī)上馬杠擴(kuò)孔方式生產(chǎn)，但是已基本達(dá)到水壓機(jī)的最大生產(chǎn)極限。為了滿足生產(chǎn)更大外徑筒體鍛件產(chǎn)品的需求，日本在20世紀(jì)80年代發(fā)明了“體外鍛造法”[1]，即采用輔助傳力裝置在水壓機(jī)外成形大型筒體鍛件的方法，成功生產(chǎn)了外徑8.4 m的加壓重水堆壓力容器。

2013年，中國(guó)一重采用自主研發(fā)的3 700 mm筒體軋機(jī)成功鍛造了外徑9.1 m、壁厚360 mm、高度2.7 m的筒體類鍛件。該筒體鍛件的成功制造標(biāo)志著我國(guó)大型筒體類鍛件制造能力的大幅提升，也為我國(guó)大型筒體類鍛件的生產(chǎn)以及筒體類鍛件的精密成形開辟了一條新的道路。

1　大型筒體軋制方法

筒體軋制方法的靈感來源于大型環(huán)件軋制，所以大型筒體軋機(jī)也稱為重型軋環(huán)機(jī)，目前采用環(huán)軋工藝可以生產(chǎn)的環(huán)件最大直徑為10 m。與馬杠擴(kuò)孔方式相比，筒體軋制方法具有產(chǎn)品精度高和生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)。2011科技重大專項(xiàng)“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”子課題“大型筒體軋機(jī)”申報(bào)指南中指出軋制筒體的經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)與馬杠擴(kuò)孔傳統(tǒng)工藝相比，生產(chǎn)效率提高50%以上，節(jié)能40%以上，綜合成本降低30%以上，節(jié)材20%以上。馬杠擴(kuò)孔與筒體軋制方法具體對(duì)比見表1[2-5]。

2　大型筒體軋制設(shè)備

大型筒體軋機(jī)軋制的基本工作原理是：利用軋輥帶動(dòng)筒體坯料沿軸向旋轉(zhuǎn)，隨著軋輥間距不斷減小，筒體徑向厚度變薄、周向尺寸擴(kuò)展，最終得到指定尺寸和質(zhì)量的筒體類鍛件。大型筒體軋制與大型環(huán)件軋制的主要區(qū)別是：

(1)大型筒體自重大。一般情況下，大型筒體重量約200 t，而大型環(huán)件自重不超過10 t，因此大型環(huán)件軋制使用的徑軸向軋機(jī)結(jié)構(gòu)不適用于大型筒體。另外，筒體的大自重需要更大的載荷使筒體沿軸向旋轉(zhuǎn)以及更大的軋制力。

(2)大型筒體高度大。大型筒體的高度一般在3 m左右，因此在變形過程中，筒體軸向變形基本可以忽略，因此不需要采用軋制大型環(huán)件通用的徑軸向軋機(jī)結(jié)構(gòu)，而只需要徑向軋制即可。

表1　馬杠擴(kuò)孔與筒體軋制成形方式對(duì)比

大型筒體軋機(jī)設(shè)備與大型環(huán)件軋制設(shè)備的區(qū)別[6-8]主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

(1)不同于大型環(huán)軋機(jī)徑軸向軋制方式，大型筒體軋機(jī)主要由上下分布的驅(qū)動(dòng)輥和芯輥(通常稱為上輥和下輥)，以及兩個(gè)對(duì)稱分布的導(dǎo)向輥組成。

(2)為了帶動(dòng)大型筒體沿軸向旋轉(zhuǎn)，筒體軋機(jī)采用雙輥驅(qū)動(dòng)而不是環(huán)軋機(jī)常用的單輥驅(qū)動(dòng)，即成形過程中，軋機(jī)上輥和下輥分別進(jìn)行反方向軸向旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)筒體旋轉(zhuǎn)。

(3)上輥和下輥沿軸向旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力均由萬向接軸、減速器和電機(jī)系統(tǒng)提供。

(4)成形過程中，軋機(jī)下輥逐漸向上移動(dòng)，使得筒體厚度減少。與軋環(huán)機(jī)不同的是，筒體軋機(jī)下輥由下方兩個(gè)液壓缸控制，其不僅能實(shí)現(xiàn)上下平動(dòng)，還可以實(shí)現(xiàn)兩側(cè)不同的進(jìn)給量移動(dòng)，在成形過程中防止筒體偏離中心位置，與機(jī)架發(fā)生碰撞。

(5)筒體軋機(jī)導(dǎo)向輥不僅具有定位、穩(wěn)定的作用，還要承載部分筒體重量。

3　工藝流程

盡管筒體軋制具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是其成形載荷有限的缺點(diǎn)使筒體軋機(jī)無法直接軋制厚壁零件。2011科技重大專項(xiàng)“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”子課題“大型筒體軋機(jī)”申報(bào)指南提出筒體軋機(jī)可軋制最大壁厚640 mm的筒體，因此，大厚型筒體的軋制只能采用馬杠擴(kuò)孔制坯。

大型筒體軋制的基本工藝流程是：下料→鐓粗→沖孔→馬杠擴(kuò)孔→筒體軋制。筒體軋制技術(shù)雖然不能縮短整個(gè)大型筒體的鍛造成形周期，但是由于筒體軋制具有成形精度高、成形速度快等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)水壓機(jī)上馬杠擴(kuò)孔無法實(shí)現(xiàn)的超大尺寸筒體精整成形。

筒體軋制具體成形過程[5]是：

(1)對(duì)經(jīng)過馬杠擴(kuò)孔達(dá)到一定壁厚的大型筒體進(jìn)行加熱后，用專用吊鉗放置在大型筒體軋機(jī)的導(dǎo)向輥上。

(2)軋機(jī)上輥從換輥裝置中伸出，穿過筒體后，與萬向接軸固定。

(3)修平軋制階段。采用壓力控制的軋制方式，采用小軋制力修正筒體毛坯壁厚差以及去除表面氧化皮。

(4)大壓力軋制階段。采用壓力控制的軋制方式，采用大軋制力使筒體壁厚接近預(yù)定厚度要求。

(5)降壓軋制階段。采用壓力控制的軋制方式，采用小軋制力使筒體壁厚達(dá)到預(yù)定厚度要求。

(6)恒輥縫軋制階段。采用位置控制的軋制方式，修正筒體外形尺寸。

4　主要應(yīng)用范圍

雖然受到成型載荷、機(jī)械結(jié)構(gòu)等因素的制約，大型筒體軋制技術(shù)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)還無法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水壓機(jī)馬杠擴(kuò)孔方式，但是其在以下幾個(gè)方面也發(fā)揮著重要作用。

(1)超大筒體鍛造成形。對(duì)于超過水壓機(jī)制造極限的大型筒體，采用筒體軋機(jī)生產(chǎn)能夠拓展設(shè)備產(chǎn)品范圍。

(2)常規(guī)大型筒體精密制造。對(duì)于水壓機(jī)制造能力范圍內(nèi)的大型筒體，筒體軋制技術(shù)可以作為筒體精密加工工序代替馬杠擴(kuò)孔最后火次成形，從而提高零件精度以及綜合力學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)大型筒體類鍛件的批量流水線生產(chǎn)。

(3)異形截面筒體精密制造。異形截面筒體在大型筒體類鍛件中占比大，傳統(tǒng)方法是采用增大加工余量方法成形，材料利用率較低，而現(xiàn)在可以采用筒體軋機(jī)配異形截面軋輥進(jìn)行成形，該方法在環(huán)軋成形中已得到普遍應(yīng)用。

(4)對(duì)于鍛造溫度窄、難變形的金屬筒體，采用筒體軋制技術(shù)成形，通過縮短成形時(shí)間，改善受力狀況，降低鍛件成形難度。

5　國(guó)內(nèi)主要科研團(tuán)隊(duì)介紹

(1)中國(guó)第一重型機(jī)械集團(tuán)。國(guó)內(nèi)第一臺(tái)筒體軋機(jī)由一重集團(tuán)大連設(shè)計(jì)研究院于2009年開始設(shè)計(jì)制造，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)采用筒體軋機(jī)批量生產(chǎn)大型筒體鍛件的能力。中國(guó)一重在大型筒體軋機(jī)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)控制和軋制力計(jì)算模型等方面進(jìn)行了大量的研究。

(2)燕山大學(xué)。參與了2011年科技重大專項(xiàng)“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造設(shè)備”子課題“3 700 mm筒體軋機(jī)”項(xiàng)目。彭艷、孫建亮、劉宏民、杜鳳山等圍繞大型筒體成形技術(shù)，開展了筒體熱成形過程微觀組織演化規(guī)律、在線檢測(cè)技術(shù)、軋制力模型、工藝參數(shù)優(yōu)化等方向的研究。

(3)北京機(jī)電研究所。參與了2011年科技重大專項(xiàng)“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造設(shè)備”子課題“3 700 mm筒體軋機(jī)”項(xiàng)目。鐘志平教授等采用Deform-2D軟件對(duì)5 258 mm×4 086 mm×3 080 mm筒體的軋制成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究了軋制溫度、進(jìn)給速度、變形量和角速度對(duì)成形的影響規(guī)律。

(4)太原科技大學(xué)。劉建生教授的團(tuán)隊(duì)采用有限元軟件Simufact建立大型筒形件的軋制工藝模型，通過數(shù)值模擬分析得到了筒形鍛件軋制過程中塑性區(qū)和溫度的分布情況，以及軋制力能參數(shù)和筒形件直徑變化規(guī)律。

(5)中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)。中國(guó)二重于2013年采用公開招標(biāo)方式對(duì)7 500 t筒節(jié)軋機(jī)進(jìn)行采購(gòu)，并對(duì)筒體軋機(jī)軋制工藝參數(shù)設(shè)計(jì)及軋機(jī)除鱗裝置等展開研究。

6　研究方向

(1)筒體軋制系統(tǒng)控制及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。筒體軋制技術(shù)才起步，目前只能實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化控制，成形過程中結(jié)構(gòu)變形的研究也未見報(bào)道，未來還需進(jìn)一步改進(jìn)，逐步實(shí)現(xiàn)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化和控制自動(dòng)化。

(2)小型實(shí)驗(yàn)裝置制造。大型筒節(jié)軋機(jī)小比例實(shí)驗(yàn)裝置未見報(bào)道，目前所有研究都是基于數(shù)值模擬分析結(jié)果，但是數(shù)值模擬分析無法全面真實(shí)的反映筒體軋制的具體情況，也不能對(duì)軋制過程中經(jīng)常出現(xiàn)的筒體軸向竄動(dòng)等問題進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析。

(3)大型筒體軋制理論研究。大型筒體軋制借鑒了大型環(huán)件徑軸向軋制理論研究。但是，大型筒體軋機(jī)的立式雙輥驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、筒體大自重等特點(diǎn)又使筒體軋制理論與大型環(huán)件徑軸向軋制理論有很大差異，需要專門對(duì)大型筒體軋制理論進(jìn)行進(jìn)一步研究。

(4)大型異形筒體成形。目前筒節(jié)軋機(jī)只能成形直筒類零件。而成形異形或異截面筒體是筒體類鍛件精密制造、提高材料利用率的有效方法，需要對(duì)大型異形筒體成形進(jìn)行研究。

7　結(jié)論

作為一種新型大型筒體類鍛件成形技術(shù)，筒體軋制技術(shù)以其高精密、大尺寸、高效率生產(chǎn)等特點(diǎn)而受到重視。盡管目前國(guó)內(nèi)已能進(jìn)行大型筒體批量化生產(chǎn)，但對(duì)于筒體軋制的設(shè)備、機(jī)構(gòu)、參數(shù)以及基礎(chǔ)理論的研究還較缺乏，嚴(yán)重影響了大型筒節(jié)軋制技術(shù)的發(fā)展。另外，由于成型載荷、機(jī)械結(jié)構(gòu)等因素的制約，大型筒體軋制技術(shù)在很長(zhǎng)一段時(shí)間還無法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水壓機(jī)馬杠擴(kuò)孔方式而成為大型筒體制造的主要手段，但其在超大尺寸筒體、筒體精密成形、異形截面大型筒體成形等方面也發(fā)揮了重要作用。

[1]董嵐楓,鐘約先,馬慶賢,等.大型筒體鍛件的成形制造技術(shù)[J].鍛壓技術(shù)，2007，32(3)：1-6.

[2]信穩(wěn).大型筒節(jié)熱成形的熱-力-組織耦合分析研究[D].秦皇島:燕山大學(xué), 2013.

[3]孫彬彬.大型筒節(jié)熱軋過程變形機(jī)理研究[D].秦皇島:燕山大學(xué), 2012.

[4]黃西娜.大型筒節(jié)軋制成形工藝的數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究[D].北京:北京機(jī)電研究所, 2014.

[5]米奕媛.大型筒形件軋制成形工藝的模擬研究[D].太原:太原科技大學(xué), 2014.

[6]吳生富,周曉平,劉剛.一種筒節(jié)軋制工藝及其軋制設(shè)備:中國(guó),CN101574703A[P].2009.

[7]劉義德,劉剛,付環(huán)宇,等.一種筒節(jié)軋制壓下量的分布方式:中國(guó),CN103028681A[P].2013.

[8]劉剛,劉義德,付環(huán)宇,等.一種筒節(jié)軋制防跑偏工藝方法:中國(guó),CN103028682A[P].2013.

編輯杜敏

Research and Development of Rolling Technique for Heavy Cylinder Forgings

Men Zhengxing, Sun Lei, Ma Yaxin, Yue Taiwen

By analyzing the form characteristics, the equipment structure and the technical process of rolling technique for heavy cylinder, the current situation and the development direction of rolling technique have been described.

heavy cylinder; rolling technique; development

2016—01—21

門正興(1980—)，男，副教授，主要研究方向?yàn)榇笮湾懠尚喂に噧?yōu)化及內(nèi)部組織預(yù)測(cè)、大型環(huán)件軋制工藝研究、成形及熱處理過程殘余應(yīng)力分析及預(yù)測(cè)。

TG316

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