辊锻工艺的应用与发展方向

文/刘化民·吉林大学辊锻工艺研究所刘翊安·北华航天工业学院

辊锻工艺的应用与发展方向

文/刘化民·吉林大学辊锻工艺研究所刘翊安·北华航天工业学院

辊锻是回转锻造的一种，属于连续局部塑性成形工艺。相较于自由锻、模锻等锻造方法具有很多优点，现广泛应用于农机具、餐具、汽车零部件、叶片、工具行业等的制坯和成形工序，近年来在铁路、机车等行业关键零部件制坯中得到了广泛应用。

辊锻工艺是将纵向轧制技术引入锻造成形范畴，并经不断发展而形成的锻造工艺，属于连续局部塑性成形。相比于自由锻、模锻等锻造方法具有很多优点，现广泛应用于农机具、餐具、汽车零部件、叶片、工具行业等的制坯和成形工序，近年来在铁路、机车等行业关键零部件制坯中得到了广泛应用。

辊锻的变形原理

在常规轧制中，坯料轴线与轧辊轴线互相垂直，而且制件的运动趋势和轧辊的转向是一致的，可称之为纵轧。辊锻是塑性变形中坯料长度小于轧辊圆周长的纵轧。辊锻变形时通过一对反向旋转的模具使毛坯连续地产生局部变形。平辊变形是辊锻最简单的变形情况，图1是平辊变形的原理图。

从图1可以看出，随着上下辊的反向转动，坯料在高度方向受到了模具的挤压，产生塑性变形，高度减小，长度增加。这一形变过程类似于纵轧，变形的主要参数有变形区长度l、坯料入口断面的高度h0和宽度b0、坯料出口断面的高度h1和宽度b1、变形区所对应的轧辊圆心角α（咬入角）等。

平辊同轧制一样，坯料在辊锻任意时刻的变形情况，都可以代表整个变形过程，这个变形过程非常稳定。但是，实际生产中的辊锻变形中，坯料轴向截面一般都发生变化，变形不稳定。实际生产中的辊锻工艺原理简图如图2所示。

由图2可以看出，辊锻模具安装在锻辊上，随着上、下锻辊向相反方向的转动，坯料随模具型槽的变化发生连续、局部的塑性变形。在实际生产中辊锻模具型槽截面在不断变化，则辊锻的变形区受力、辊锻过程中坯料的咬入、辊锻时的前滑、后滑和展宽都在不断变化，这导致辊锻过程比平辊复杂。

图1 平辊变形原理图

图2 实际生产中的辊锻工艺原理简图

辊锻过程首先是坯料的咬入。辊锻开始前，辊锻模具转离工作位置，坯料放置在两轧辊之间，坯料的高度大于辊锻模具型槽间的最小距离；辊锻开始时，坯料受到模具的挤压，坯料与模具之间产生摩擦力，当坯料的咬入角（图1中的α）小于模具与坯料之间的摩擦角时，辊锻进入稳定咬入状态，辊锻变形开始。坯料的咬入分为两种，如图3所示。

前滑与后滑是辊锻中两个重要的参数，辊锻的前滑、后滑如图4所示。

图3 辊锻咬入方式

图4 辊锻前、后滑示意图

从图4中可以看出，辊锻中前滑区的金属流动速度大于锻辊水平速度，后滑区的金属流动速度小于锻辊水平速度，两者相等的位置为临界面。在前滑区的每个垂直断面上，金属流动的平均水平速度等于锻辊相应处线速度水平分量与金属和锻辊之间相对滑动的水平分速度之和，前滑区金属流动的水平分速度大于相应处锻辊线速度的水平分量；与前滑区相反，在后滑区的每个垂直断面上，金属流动的平均水平速度等于锻辊相应处线速度水平分量减去金属和锻辊之间相对滑动的水平分速度，后滑区金属流动的水平分速度小于相应处锻辊线速度的水平分量。因此，在辊锻过程中除临界面外，变形区内各个断面上的金属流动速度的分布是连续而不均匀的。前滑的影响因素主要有辊径、相对压下量、轧件高度、坯料宽度、摩擦系数。

辊锻的变形实质是坯料的轧制延伸，坯料部分截面变小而长度增加。辊锻坯料金属纵向流动使其长度增加，同时进行横向流动导致宽度有所增加，形成展宽。展宽的主要形式有三种，如图5所示。展宽的主要影响因素包括压下量、锻辊直径、坯料宽度、摩擦系数、金属化学成分、辊锻道次。

人工进行辊锻模具设计时较难，尤其是复杂形状辊锻件的模具设计。长期以来，模具的设计主要依赖设计人员的实践经验，设计周期长，精度低，模具成本高。德国Eratz公司和DGN有限公司与SMS Eumuco有限公司共同成功开发了专门用于设计辊锻模具的CAD/CAM软件——VeraCAD。VeraCAD可直接输入锻件的三维造形数据，自动计算合适的辊坯形状，或者直接人工输入辊坯形状。在确定了总的辊锻道次后，软件能够自动计算每道次辊锻后的毛坯形状及模具型腔形状，并生成加工模具型腔所需的NC数据。整个模具设计过程可在一天内完成，比原手工设计效率提高了30倍，锻件材料分配合理，废品率低，质量好。

图5 展宽形式

VeraCAD的价格非常昂贵，一般企业很难接受，不过通过人工模具设计，然后经三维制图软件进行模具制图，通过有限元模拟软件进行辊锻工艺过程的数值模拟，从而检查辊锻模具设计是否合理，优化模具、坯料设计，同样可以减少人工模具设计的不足，极大地减少模具调试时间。

辊锻工艺的特点

相对金属体积塑性成形中的自由锻、模锻等工艺，辊锻工艺具有以下特点：

⑴生产效率高。制坯辊锻、成形辊锻成形过程中，一个辊锻周期通常只需十几秒甚至几秒，适合大批量生产要求，相较于自由锻、模锻等工艺生产效率高、成形稳定。

⑵所需设备吨位小，可实现小设备制造大零件。辊锻属于渐进连续局部变形，在变形的每一瞬间，上下模与坯料的接触面积较小，相同吨位的设备可产生较大的压强，设备吨位利用率高。

⑶劳动环境好。辊锻过程属于渐进连续局部变形，坯料的塑性变形是在静压下进行的，振动小、噪声小，有助于工人进行生产。

⑷模具磨损小，使用寿命长。辊锻过程属于渐进连续局部变形，所需变形力小，摩擦力小，模具磨损小；辊锻过程中坯料在静压下进行塑性变形，冲击小，模具使用寿命长。

⑸操作简单，易于实现机械化与自动化。

⑹适用于坯料截面积减小的塑性变形过程。由辊锻变形的原理可知，变形过程中坯料的长度增加，截面积减小，如杆件的拔长、板坯的辗片以及沿杆件轴向分配金属体积的变形过程。辊锻工艺对于加工轴对称长轴类零件具有很大的优越性。

⑺锻件质量高。由辊锻变形的原理可知，变形过程中金属主要流向坯料的轴向，宽度方向流动较少，因此，辊锻件拥有良好的金属流线，产品力学性能高。

⑻材料利用率高。辊锻件表面粗糙度值较小，对坯料计算得当可实现无余量生产，材料利用率高。

我国辊锻工艺的研究与应用

辊锻工艺主要分为制坯辊锻和成形辊锻。制坯辊锻是为模锻准备所需形状、尺寸的毛坯；成形辊锻能直接制出符合零件形状、尺寸要求的锻件。由于辊锻技术具有高效、节能和环保等特点，因此被列为国家重点推广的新技术之一。

辊锻成形复杂模锻件是我国对辊锻工艺的创新。内燃机连杆是形状复杂、质量要求高、需求量大的典型模锻件。连杆辊锻工艺的研制成功，解决了诸如突变截面轮廓成形、多道次变形匹配、型槽约束区内金属前滑规律、成形辊锻中不产生干涉的条件及临界包容角、临界前壁角的计算等一系列关键技术问题。吉林大学辊锻工艺研究所在山东淄博建成了我国第一条连杆辊锻自动化生产线，节省材料10%、劳动生产率提高2倍、单位成本降低35%、产品质量为优等品，初显了辊锻专业化生产的优越性。吉大辊锻所为了制造高精密度的轿车连杆，已经开发出了辊锻制坯+热模锻压力机的成形工艺，其连杆精度达到精密级，质量公差可控制在10g以下，在全国已建成多条辊锻制坯+热模锻压力机生产线。

汽车前轴是汽车的重要承载件，其形状复杂、质量大，直接采用自由锻、模锻生产设备吨位大、生产效率低、材料利用率低。完全采用辊锻成形工艺可以生产前轴，容易出现局部填充不足的现象。北京机电研究所开发的载重汽车前轴精密辊锻—整体模锻技术、用自动辊锻机和热模锻压力机生产复杂弯曲长摇臂锻件等都取得不错的经济效益。利用精密辊锻将前轴的工字形和弹簧座成形到位，然后通过模锻仅对前轴的两个端部成形。这种辊锻+模锻工艺生产前轴，产品质量稳定，可有效地减小制坯、成形过程中对大吨位模锻设备的依赖，降低设备投资85%，同时提高生产效率，可灵活生产各种类型的前轴，提高材料利用率，适合大、中批量的前轴生产。汽车摆臂、弯臂采用辊锻制坯+模锻成形工艺同样极大地提高了生产率、材料利用率，降低了设备吨位，取得了良好的经济效果。

汽车变截面钢板弹簧的变截面弹簧片虽然形状不算复杂，但长而薄，利用自由锻、模锻等加工方法成形较难。精密辊锻工艺可以很好地解决这一问题。20世纪90年代中期，吉大辊锻所开展了变截面板簧片精密辊锻工艺及其模具CAD/CAM的研究，成功地研制出了变截面板簧精密辊锻成形自动化装置，成果很快在全国大面积推广应用，技术市场占有率在53%以上，并建立了多家专业化的变截面板簧生产厂。

铁路货车钩尾框展开后尺寸长，厚度小，采用辊锻制坯，解决了其制坯困难、效率低、质量差等问题。北京机电研究所率先研发了17型铁路货车钩尾框精密辊锻+摩擦压力机模锻成形技术。现今，北京机电研究所和吉大辊锻所在全国二十几个厂家推广应用了该技术，并实现了17型和13B型钩尾框辊锻制坯成形。目前，正在研发1200辊锻机和16型钩尾框的辊锻成形工艺。

在农机具行业，辊锻工艺同样占据很重要的地位。通过辊锻制坯或成形可以高效、高质量地生产垦锄、园艺锹、镐头、钢叉、犁刀等。联合收割机护刃器通过辊锻制坯+模锻成形工艺，使其在我国可以大批量的利用锻件替代铸件，并远销国外。机引犁铧辊锻工艺的研制成功，解决了横向不对称工件辊锻时产生侧弯、板片类工件展宽与延伸变形协调等技术难题，现已建成多条犁铧辊锻生产线。

扳钳工具中的扳手柄、钳柄可用辊锻工艺来拔长；大中型麻花钻可用辊锻成形直接制出直槽和刃部，然后在扭转机上扭成麻花状，此工艺不仅可节省大量贵重的合金工具钢，而且还提高了钻头的耐用度；医用镊子采用冷辊锻成形，与热锻相比可提高生产率20倍，降低成本30%，而且产品组织致密、弹性更好；宝剑以及餐具中的刀、叉、勺也普遍采用了冷辊锻、热辊锻制坯或直接成形。

叶片是汽轮机、透平压缩机及涡轮增压器等动力机械中的主要零件，利用辊锻技术替代切削加工来制造叶片，使其材料利用率提高了5倍，生产效率提升了2～4倍；替代模锻工艺制坯制造叶片，使设备吨位降低了70%。

辊锻工艺未来的研究与发展方向

辊锻技术在空心件中的应用

辊锻技术在实心件制造方面取得了成熟的研究及广泛的使用，但在空心件辊锻方面的研究和应用还是空白，空心件辊锻完整理论体系还没有建成。随着汽车轻量化的要求，空心件在汽车行业的应用将会获得长足发展。经过我们的努力，辊锻技术在空心件方面的研究及应用也取得了一些成果。我们对厚壁空心件辊锻工艺进行研究，开创了国内对厚壁空心件辊锻工艺研究的先河，为厚壁空心件的辊锻理论建设提供了第一手资料。此技术在汽车后桥壳、半轴套管等的生产中具有广阔的市场前景。此技术与机械热胀形工艺配合，将实现后桥壳整体无焊缝成形，可大幅度提高后桥壳的成形质量、使用性能，提升生产效率，降低生产成本。

辊锻技术在有色金属成形中的应用

辊锻技术在钢铁材料的成形中的应用已初步成熟，其在有色金属材料成形中的应用才刚刚开始。随着我国节能减排的深入，轻合金在我国的应用将越来越广泛，其中，铝合金的应用量最大、最广泛。我国系统的铝合金材料辊锻工艺理论还没有，这需要我国学者共同努力来建设。

现今，辊锻在有色金属中的应用主要集中在汽车铝合金控制臂的辊锻制坯中。在有色金属中，铝合金占有极其重要的位置，已开始在我们日常生活、生产中大量使用。然而，铝合金辊锻的研究才刚刚开始，还没有形成具体、系统的理论。现今，我们已对铝合金的辊锻进行了初步的研究，研究了在模具设计中对前滑值选取的规律，分析了辊锻速度、坯料变形温度等方面铝合金辊锻变形的规律。这为我国铝合金辊锻理论的建设提供了第一手的资料，为铝合金辊锻模具的设计提供了参考。随着汽车轻量化的不断深入，铝合金将在汽车产业革命中起重要作用，铝合金辊锻将来必定在铝合金成形中占有重要地位。

辊锻技术应用的扩展

辊锻技术目前仍然局限于体积成形范畴，属于锻造技术的一个分支。为了扩展辊锻技术的应用领域，需要尝试辊锻技术与其他技术的融合，形成交叉学科。目前，吉大辊锻所正在开发变截面辊压—辊锻技术，将辊锻技术应用领域拓展到板材成形领域。辊锻技术在变截面生产中具有优势，辊压技术适合于等截面型材生产，将两种技术融合，实现板材变截面成形，为变截面冷弯成形开发出一条全新的道路。