大型环件径轴向轧制成形工艺制定研究

谷瑞杰，张淑莲，杨大祥，马步强，郝宏昭，杨展飞

(1. 中国重型机械研究院股份公司, 陕西 西安 710032; 2. 金属挤压/锻造装备技术国家重点实验室, 陕西 西安 710032; 3. 西北工业大学 材料学院, 陕西 西安 710072)

大型环件径轴向轧制成形工艺制定研究

谷瑞杰1,2,3，张淑莲1,2，杨大祥1,2，马步强1,2，郝宏昭1,2，杨展飞1,2

(1. 中国重型机械研究院股份公司, 陕西 西安 710032; 2. 金属挤压/锻造装备技术国家重点实验室, 陕西 西安 710032; 3. 西北工业大学 材料学院, 陕西 西安 710072)

大型环件径轴向轧制成形工艺复杂，合理的成形工艺可以提高大型环件径轴向轧制成形的产品质量。本文对大型环件径轴向轧制成形工艺制定进行研究，给出了成形工艺制定流程和方法，其中包括轧制成形环件冷态和热态尺寸的确定、环件毛坯冷态和热态尺寸的确定、环件径轴向轧制成形工艺的确定。本文的研究成果在大型环件径轴向轧制技术的实际生产中获得了成功应用。

大型环件；径轴向轧制；成形工艺；工艺制定

0 前言

环件径轴向轧制成形(图1)是通过轧辊对环件壁厚和高度的连续局部压下作用使得环件壁厚和高度逐渐减小，半径不断长大，截面轮廓成形的工艺过程[1-3]，采用该成形工艺加工环件精度高、性能好，生产效率高，对加工设备吨位要求小，目前已经成为生产大型环件最佳，甚至是必须采用的加工方法[4-7]。

大型环件径轴向轧制成形工艺过程是一个多因素耦合作用下的高度非线性的复杂塑性成形过程。合理的大型环件径轴向轧制成形工艺流程可以提高产品的加工质量、材料利用率和生产效率，降低生产成本和劳动强度，因此对大型环件径轴向轧制成形工艺的制定进行系统研究是十分重要的。

图1 环件径轴向轧制成形原理图Fig.1 Sketch of ring radial-axial rolling

本文对大型环件径轴向轧制成形工艺的制定进行研究，给出了成形工艺制定的流程和方法，其中包括轧制成形环件冷态尺寸的确定、轧制成形环件热态尺寸的确定、轧制环件毛坯冷态尺寸的确定、轧制环件毛坯热态尺寸的确定和环件径轴向轧制工艺的确定。

1 轧制成形环件冷态尺寸的确定

大型环形零件产品是轧制成形半成品环件经过机械加工获得，对于给定规格的大型环形零件，确定其轧制成形半成品环件冷态尺寸时必须加上机械加工余量，即

(1)

式中，Dc、tc、hc和D、t、h分别为环件机械加工前后的外径、壁厚和高度;Δt和Δh分别是环件壁厚和高度的机械加工余量。

径轴向轧制成形环件的机械加工余量大小可以根据以下原则来确定：

(1)机械加工余量的大小由径轴向轧制成形环件的精度所决定，与环件径轴向轧制成形工艺和轧环设备精度等密切相关，对于截面质量和外径成形精度较高的径轴向轧制成形环件，机械加工余量可以取的较小，反之则机械加工余量就要取的较大。

(2)环件径轴向双向轧制成形时，经过径向轧制变形区的截面上下端面出现鱼尾坑，经过轴向轧制变形区的截面内外环面出现鱼尾坑，为了减小轧制环件的机械加工量，往往需要在径轴向双向轧制后进行单径向轧制以消除环件内外环面鱼尾坑，但是在该阶段环件上下端面鱼尾坑会更深。

(3)环件径轴向轧制成形时其圆度往往会有一点的偏差，如果圆度偏差较大，则必须对环件进行较圆后再进行机械加工。即使环件圆度偏差较小，在确定环件内外环面机械加工余量时也必须对其进行充分考虑，使得环件内外环面机械加工余量足以同时消除环件的圆度偏差和氧化皮等表面缺陷。

(4)如果径轴向轧制成形环件需要切除试样进行力学性能测试，首先要根据相关标准确定试样的尺寸和在环件上的切取位置，然后在确定轧制成形环件尺寸时必须有足够的机械加工余量来切取标准试样，这会在很大程度上增加成形环件的机械加工余量。

2 轧制成形环件热态尺寸的确定

大型环件径轴向轧制成形是在热态下进行的，轧制成形环件冷却下来后，环件尺寸会减小。对于确定尺寸的冷态环件，热态成形的环件尺寸可以通过下式确定

(2)

式中，Dh、th和hh分别为轧制成形环件热态下的外径、壁厚和高度;k为材料的线膨胀系数;ΔTr是轧制成形环件热态温度和常温的差值。

需要注意的是，热态径轴向轧制成形的大型环形温度分布是不均匀的，在采用式(2)计算热态下的成形环件尺寸时，材料的线膨胀系数k和轧制成形环件热态温度与常温的差值ΔTr均取其平均值。

3 轧制环件毛坯冷态尺寸的确定

在大型环件毛坯加热和径轴向轧制成形过程中，材料氧化产生的损耗必须予以考虑。环件在热态下的尺寸与其温度有直接关系，因此环件热态成形前后的体积关系很难确定。轧制环件毛坯冷态尺寸和成形环件冷态尺寸满足如下关系

(3)

其中，Dc0、tc0和hc0分别为环件毛坯在冷态下的外径、壁厚和高度;a为环件毛坯加热和成形过程中的热耗率。

将式(3)进行简化可得

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

(4)

上式即为环件毛坯冷态尺寸必须满足的条件。

对于同样的轧制成形环件尺寸，可以采用不同几何尺寸的环件毛坯来成形，与之对应的环件径轴向轧制成形工艺过程也完全不同。大型环件毛坯尺寸确定必须充分考虑环件径轴向轧制成形过程的材料变形机理。同时，环件在径轴向轧制阶段后的单径向轧制阶段壁厚还会有一定减小，这在环件毛坯尺寸确定时也必须予以考虑。

4 轧制环件毛坯热态尺寸的确定

轧制环件毛坯热态下的尺寸比冷态下的大，对于确定的冷态环件毛坯尺寸，轧制环件毛坯热态下的尺寸可以通过下式确定

(5)

式中，Dh0、th0和hh0分别为轧制环件毛坯热态下的外径、壁厚和高度；k为材料的线膨胀系数；ΔTb为轧制环件毛坯加热温度和常温的差值。

5 环件径轴向轧制成形工艺过程的确定

在径轴向轧制环件毛坯热态尺寸和成形环件热态尺寸确定后，就可以确定环件径轴向轧制成形工艺过程。大型环件径轴向轧制成形工艺过程确定必须充分考虑材料的变形机理，同时还要考虑设备的加工能力等因素。

(1)环件毛坯一般通过锻造压机来制作，其形状和尺寸精度往往很低，因此环件毛坯在轧制初始阶段首先要对其进行校形，在此阶段主要以径向轧制为主。环件的成形主要是在径轴向双向轧制阶段，在该阶段环件壁厚和高度同时减小，环件直径增大。环件在径轴向轧制阶段形成的内外环面鱼尾坑要通过单径向轧制阶段消除，在此阶段环件壁厚减小，高度不变，环件直径仍又一定的增大。环件在最后的轧制阶段还要进行较圆，在此阶段芯辊的进给速度很小，环件高度不变，直径的增大很小。综上所述，大型环件径轴向轧制成形工艺过程包括毛坯校形、径轴向双向主轧制、单径向轧制和环件成品较圆四个阶段。

(2)大型环件径轴向轧制成形工艺过程必须满足环件的咬入和锻透等稳定轧制成形条件。环件的咬入条件要求轧辊和环件之间的摩擦系数较大，对于大型环件径轴向轧制成形来说，环件在热态下和轧辊间的摩擦系数往往很大，因此环件的咬入条件一般比较容易满足。环件的锻透条件要求轧辊的进给速度要大于一定的值，但是过大的进给速度会使得环件直径的增大速度过快，从而使得环件轧制过程出现不稳定，而且较大的进给速度也会使得环件成形需要更大的轧制力和轧制力矩，对设备的力能参数要求更高。

(3)大型环件径轴向轧制成形工艺必须综合考虑轧制过程的时间和设备的加工能力。轧辊进给速度快，环件轧制往往需要很大的轧制力和轧制力矩，对设备力能参数要求高，但是轧制过程需要的时间短，在环件轧制过程后期环件仍然可以保持较高的温度，这对于环件后期成形是有利的。反之，轧辊进给速度慢，环件轧制往往需要较小的轧制力和轧制力矩，对设备力能参数要求低，但是轧制过程需要的时间长，在环件轧制过程后期环件温度较低会使得材料变形抗力提高，这对于环件后期成形是不利的，甚至可能由于环件温度过低而使得材料塑性大大降低，环件后期无法成形。

6 结论

本文对大型环件径轴向轧制成形工艺制定进行研究，给出了成形工艺制定流程和方法，其中包括轧制成形环件冷态和热态尺寸的确定、轧制环件毛坯冷态和热态尺寸的确定、环件径轴向轧制工艺的确定。本文的研究成果在大型环件径轴向轧制成形的实际生产中获得了成功应用。

[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, 张淑莲, 杨大祥, 等. 超大型环件径向轧制设备动梁受力分析和优化[J]. 重型机械, 2012(3): 137-140.

[5] 谷瑞杰, 权晓惠, 张淑莲, 等. 径轴向数控轧环机定心辊位置自动控制技术研究[J]. 重型机械, 2013(6): 6-9.

[6] 张淑莲, 何养民, 杨大祥, 等. 5m径轴向数控轧环机主要参数的确定[J]. 重型机械, 2007(2): 12-14.

[7] 杜学斌, 韩炳涛, 葛东辉, 等. Φ5000mm径轴向数控轧环机[J]. 锻压装备与制造技术, 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

“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项(2010ZX04004-131)；国家重点基础研究发展计划(2012CB724300)

谷瑞杰(1980-)，男,中国重型机械研究院股份公司高级工程师,工学博士,专业领域：锻压设备与工艺。

TG333.12

A

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