大型環(huán)鍛設備軸向軋輥異形改造

王 超

（天津特鋼精鍛有限公司，天津 300300）

0 引言

近年來，在國家政策的大力支持下，我國風電產(chǎn)業(yè)得到迅速發(fā)展，尤其是大型海上風力發(fā)電，2021 年我國風電發(fā)電量達到6526 億千瓦時。作為風力發(fā)電發(fā)展的基礎，我國風電設備的制造技術和生產(chǎn)能力也得到了同步快速發(fā)展。而大型風電法蘭及軸承是風力發(fā)電機組的重要零部件，由于風力發(fā)電機組具有使用周期長，以及惡劣的工作環(huán)境、事后維修困難和維修成本高等特點，因此風電法蘭及軸承制造是有著嚴格的工藝和質(zhì)量要求，目前主要采用鑄坯整體鍛造成環(huán)件作為其加工毛坯。天津市特鋼精鍛有限公司(后稱特鋼精鍛公司)成立于2014 年4 月，通過引進國際先進全自動化碾環(huán)設備及技術，成為國內(nèi)大型、高端環(huán)鍛件產(chǎn)品的重要生產(chǎn)企業(yè)。其主要核心產(chǎn)品年產(chǎn)能達到5 萬噸，2021年實際產(chǎn)能4.5萬噸。其中風電法蘭超過3萬噸。

經(jīng)過多年的生產(chǎn)實踐，特鋼精鍛公司積累了大量技術和生產(chǎn)經(jīng)驗的，但如果要在嚴峻的市場競爭環(huán)境中生存和發(fā)展，就要不斷的探索創(chuàng)新，在提高產(chǎn)品性能、質(zhì)量的前提下降低產(chǎn)品制造成本。本文對碾環(huán)機結(jié)構(gòu)組成、工作原理及生產(chǎn)工藝流程進行了介紹，針對降低產(chǎn)品原材料用量、減少后續(xù)環(huán)鍛件的機加工量，對碾環(huán)機軸向軋輥裝置進行了革新改造。通過軸向軋輥工裝工具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，達到了降本增效的預期目的。

1 碾環(huán)機軋制工藝及設備技術性能

1.1 碾環(huán)機工作原理

碾環(huán)軋制是連續(xù)局部塑性成形工藝，是軋制技術與機械零件制造技術的交叉和結(jié)合。與傳統(tǒng)的環(huán)件自由鍛造工藝、模鍛工藝、火焰切割工藝等相比，具有顯著的技術經(jīng)濟優(yōu)點。其主要特點是：環(huán)件精度高、組織性能好、加工余量少、材料利用率高，設備噸位小、投資少、加工范圍大，生產(chǎn)效率高、成本低。大型環(huán)鍛件的軋制是通過鍛壓機制好坯料后，進入碾環(huán)工序，由錐型輥施加軸向壓力，芯軸施加徑向壓力，配合主輥和抱輥完成整個軋制過程。

碾環(huán)機徑-軸向環(huán)軋工藝流程：原材料→下料→加熱→制坯→再加熱→環(huán)軋→冷卻→熱處理→車削→校驗[1]。對于直徑1～2m 的大型環(huán)件，制坯的工藝相對簡便、效率高、時間短，一般制坯后可以進行直接軋制；對于直徑5M 以上的超大型環(huán)件或者復雜形狀環(huán)件，由于坯子變形量大、制坯時間長，導致制坯結(jié)束后環(huán)件溫度過低，一般低于800℃，不能一火完成后續(xù)熱軋成型，需要在制坯結(jié)束后二次加熱，再軋制成形。

1.2 碾環(huán)機結(jié)構(gòu)及性能

碾環(huán)機是大型環(huán)鍛件軋制的核心設備。特鋼精鍛公司引了進德國先進碾環(huán)機，碾環(huán)最大直徑為10000mm、高度為2500mm，設備長約34m，徑向軋制力為10000KN，軸向軋制力為6300KN。碾環(huán)機徑向軋制力是由液壓產(chǎn)生并通過芯軸傳遞到工件，徑向壓下量是通過減少驅(qū)動主輥和芯軸之間的距離而達到的。軸向軋制力是由液壓產(chǎn)生并通過上軸向輥傳遞到工件，軸向壓下量是通過垂直調(diào)整上軸向輥而達到的。對中裝置用于固定環(huán)件在軋制過程中的位置。機器控制系統(tǒng)允許軋制過程通過手動或自動模式運行，所有的機械運動都是通過PLC 控制，CNC 控制系統(tǒng)是為執(zhí)行自動軋制過程提供的。

圖1 為碾環(huán)機結(jié)構(gòu)總圖。圖中1-芯軸滑塊、2-芯軸、3-軋制平臺、4-軸向輥、5-軸向立架、6-軸向輥滑塊、7-測量裝置、8-主輥驅(qū)動器、9-主輥、10-對中輥。

圖1 碾環(huán)機結(jié)構(gòu)總圖

1.3 環(huán)鍛產(chǎn)品主要用途

特鋼精鍛公司是生產(chǎn)大型、高端環(huán)鍛件的專業(yè)廠家，積累了大量環(huán)鍛件生產(chǎn)制造經(jīng)驗，目前公司環(huán)鍛產(chǎn)品主要應用于風電大型法蘭及軸承的制造，以及工程機械回轉(zhuǎn)支撐環(huán)、核電和石化壓力容器環(huán)、運載火箭燃料艙體環(huán)等的制造。本文重點介紹風電大型法蘭及軸承的制造用途。

（1）風電法蘭。風電法蘭主要是指風力發(fā)電塔筒法蘭，它是連接風電塔筒各段或塔筒與輪轂以及輪轂與葉片之間的結(jié)構(gòu)件，是風電機組的重要零部件之一，相互間通常采用高強螺栓連接。由于風力發(fā)電機組惡略的工作環(huán)境以及事后維修困難等使用特點，因此風電法蘭制造是有著嚴格的工藝要求，目前主要采用鑄坯整體鍛造成環(huán)件作為其加工毛坯。風電法蘭實物形狀如圖2所示。

圖2 風電法蘭實物

（2）風電軸承。風電軸承，尤其是風機的主軸軸承，其主要用于連接輪轂和齒輪箱，將葉片產(chǎn)生的風能通過齒輪箱傳遞給發(fā)電機，其機械性能、加工精度和使用壽命等會直接影響整機的運行與使用情況。因此其環(huán)件坯料的生產(chǎn)與風電法蘭一樣，也是采用鑄坯整體鍛造成型，風電軸承實物形狀如圖3所示。

圖3 風電軸承實物

2 碾環(huán)機軸向軋輥結(jié)構(gòu)及改進

為了在保證安全生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量的前提下提高原料利用率、降低后續(xù)機加工成本，本文重點對碾環(huán)機軸向軋制輥裝置結(jié)構(gòu)及運動原理進行了分析，并對軸向軋輥工裝工具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提出改進建議。

2.1 碾環(huán)機軸向軋輥運動分析

圖4 為碾環(huán)機軸向立柱裝置示意圖，圖中，1-軸向立柱，2、3、5-液壓缸，4-軸向輥滑塊，6-軌道輪，7-導軌，8-下軸向輥，9-上軸向輥。

圖4 碾環(huán)機軸向立柱示意圖

軸向軋輥裝置運動原理：軸向立柱是用來支撐上、下軸向輥裝置的；下軸向輥是安裝在軸向立柱上的；上軸向輥是安裝在軸向輥滑塊中的，軸向輥滑塊可以通過液壓缸2 帶動上軸向輥在軸向立柱上移動；液壓缸3 是用來平衡軸向輥滑塊的重量，它被液壓油永久加壓；碾環(huán)機軋制期間，軸向立柱可通過軌道輪在導軌上移動，其位置調(diào)節(jié)是通過液壓缸5 來執(zhí)行的，軸向立柱的位置可由液壓缸5 上的位置測量系統(tǒng)檢測，并顯示在機器控制系統(tǒng)。

2.2 碾環(huán)機軸向軋輥驅(qū)動裝置

圖5 為碾環(huán)機軸向軋輥驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)圖，圖中，1-上軸向輥，2、12-軸承，3-軸向輥滑塊，4、11-減速箱，5、10-柔性聯(lián)軸器，6、9-驅(qū)動電動機，7、8旋轉(zhuǎn)接頭，13-下軸向輥，14-軸向立柱。由圖5 可以看出，上、下軸向軋輥分別由一個電動機通過柔性聯(lián)軸器和減速箱來進行驅(qū)動。

圖5 碾環(huán)機軸向軋輥驅(qū)動置結(jié)構(gòu)圖

2.3 碾環(huán)機軸向軋輥裝置改造

為了適應大型環(huán)鍛件復雜的斷面結(jié)構(gòu)，使環(huán)鍛產(chǎn)品盡量接近成品環(huán)件斷面形狀，減少環(huán)鍛件原料用量、降低后續(xù)環(huán)件車削工作量，針對軸向軋輥裝置上錐輥結(jié)構(gòu)和軋制工藝進行了分析和革新改造。

（1）首先，根據(jù)異形環(huán)鍛件斷面結(jié)構(gòu)，在原有的上錐輥結(jié)構(gòu)的基礎上，設計異形上錐輥結(jié)構(gòu)，然后安圖加工成帶方形凹槽的異形錐輥。原上錐輥結(jié)構(gòu)如圖6所示，改造后的異形上錐輥結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖6 原上錐輥

圖7 異形上錐輥

（2）將原有環(huán)鍛件軸向軋制過程分成兩個階段：第一階段軋制矩形環(huán)（見圖8）；第二階段設定進給參數(shù)，用改造后錐輥異形部件進行第二階段軋制（見圖9）。上錐輥結(jié)構(gòu)改造前后軋制后產(chǎn)品如圖10、圖11所示。

圖8 改造前軋制過程

圖9 改造后軋制過程

圖10 改造前軋制產(chǎn)品

圖11 改造后軋制產(chǎn)品

3 技術革新改造效果

（1）節(jié)約原材料成本。利用外徑4.5m，內(nèi)徑4m，高150mm 的矩形法蘭做實驗對比。改造前軋制成品體積V 為0.2355m3，根據(jù)法蘭凹槽的尺寸，采用異形錐輥軋制后成品體積為0.21055m3。兩者相減后，節(jié)約部分體積△V 為0.023 m3，改造效果顯著，節(jié)約原材料約10%。

（2）節(jié)約成品加工成本。直接一次成型的異形法蘭環(huán)鍛件與原生產(chǎn)加工工藝比，不但節(jié)約了原材料效耗，還為法蘭環(huán)件后續(xù)加工節(jié)省了大量加工成本。

綜上所述，根據(jù)不同大型環(huán)件斷面結(jié)構(gòu)尺寸，在錐輥軸向進給有效區(qū)域加工寬30～100mm、深40～100mm 凹槽，直接一次成型異形環(huán)鍛件，與原生產(chǎn)加工工藝比，每年可為特鋼精鍛公司節(jié)省原料投入約3000t以上，節(jié)約原料成本約1800萬元。

4 結(jié)語

碾環(huán)軋制工藝與傳統(tǒng)的環(huán)件自由鍛造、模鍛等工藝相比，具有環(huán)件軋制精度高、后續(xù)加工余量少、材料利用率高等特點，提高了大型環(huán)件制造工藝水平和生產(chǎn)效率，使我國風電設備的制造水平和能力上了一個新的臺階，對我國的風電發(fā)展起到極大的促進作用。

風電大型法蘭及軸承制造對環(huán)鍛件工藝尺寸余量要求極其苛刻，在這滿足工藝余量的前提下如何降低環(huán)鍛件原料成本是目前企業(yè)在市場競爭下強有力的存活手段。特鋼精鍛公司在風電大型法蘭及軸承制造方面積累了大量經(jīng)驗，通過碾環(huán)機軸向軋輥異形結(jié)構(gòu)改造和軋制工藝的改進，進一步降低了環(huán)鍛件原料的用量及后續(xù)環(huán)件車削工作量，達到了降本增效的預期目的，這種不斷的技術革新改造將成為我國大型環(huán)段制造業(yè)的發(fā)展方向。