大型环件轧制生产流程分析和下料体积计算

谷瑞杰，程斯祥，杜学斌，张新生，单宝德

（1.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032；2.衡阳华菱钢管有限公司，湖南 衡阳 421001；3.国机铸锻机械有限公司，山东 济南 250306）

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]。大型环件一般采用热轧成形环件机械加工而成。

大型环件轧制生产工艺流程（图2）包括铸锭下料、铸锭加热、环件毛坯制作、环件毛坯二次加热、环件径轴向轧制成形、环件热处理、环件机械加工和环件成品检测等工艺环节。环件径轴向轧制成形是大型环件轧制生产工艺流程中的关键环节，作者在之前的研究中对大型环件径轴向轧制成形工艺进行了深入研究[4-6]。

大型环件轧制生产工艺流程的合理制订对提高大型环件产品的加工质量、材料利用率和生产效率，降低能源消耗、生产成本和劳动强度是十分重要，其中下料体积的精确计算对于整个大型环件轧制生产过程都会产生较大影响。本文对大型环件轧制生产工艺流程进行系统分析，基于此建立大型环件轧制生产下料体积计算方法。本文的研究成果可以用于精确计算大型环件轧制生产下料体积和指导大型环件轧制实际生产流程。

1 大型环件轧制生产工艺流程分析

1.1 铸锭下料

大型环件径轴向轧制生产所用的原材料一般为连续铸锭。大型环件径轴向轧制生产过程中产生的材料损耗在下料时必须予以考虑，其中包括初始毛坯一次加热的氧化皮、环件毛坯制作的冲孔落料、环件毛坯二次加热的氧化皮等。下料一般在带锯床上锯切完成，锯切下料的材料损耗可以按1mm～2mm铸锭厚度考虑。在材料下料体积确定后，可以根据铸锭的截面尺寸计算出需要的铸锭长度，然后对连续铸锭进行划线，在锯床上对其进行锯切下料，获得所需的大型环件生产原始毛坯。

1.2 铸锭加热

大型环件铸锭的加热一般采用数控燃气加热炉，加热炉必须具备热风循环，保证加热炉内的温度均匀性。铸锭加热的温度、速度和保温时间可以较为精确的控制。铸锭加热必须制定严格的加热路线，其中包括铸锭单位时间的温升、最终的加热温度和保温时间等，这些参数的制定与铸锭的材料、尺寸及其在加热炉中的叠放方式等都有一定的关系。为了防止材料过烧，加热升温后期的温升速度应较前期稍慢。对于一般的碳钢材料，单位时间的温升应该不大于200℃/h，最终加热温度应该控制在1250℃左右，保温时间必须长于2h。

1.3 环坯制作

大型环件毛坯的制作（图3）一般在锻造压机上完成，铸锭长度相对于铸锭直径必须小于3，在该工步不仅要制作出环件毛坯的形状和尺寸，还必须完全消除铸锭中存在的疏散和缩孔等铸态组织缺陷。大型环件毛坯制作必须制定合理的锻造工艺，铸锭在高度方向和径向的锻造比都要大于3，以消除材料各个方向的铸造缺陷。环坯制作的冲孔落料体积应尽量小，以减小其材料消耗。较小的环件毛坯往往通过镦粗和冲孔等工序就可以完成其制作，但是较大的环件毛坯除了需要镦粗和冲孔工序外，往往还需要通过马架扩孔来完成其制作。

1.4 环坯二次加热

在锻造压机上进行大型环件毛坯的制作过程中，材料的温度会下降很多，因此，一般在环件毛坯制作好后还要将其重新放入数控燃气加热炉中进行二次加热。环坯的二次加热也要有一定的规范，其中包括环坯单位时间的温升、最终的加热温度和保温时间等，这些参数的制定同样与环坯的材料、尺寸及其在加热炉中的叠放方式等都有一定的关系。环坯最终加热温度应该控制在1250℃左右，保温时间必须长于2h。

1.5 径轴向轧制成形

大型环件径轴向轧制成形过程（图4）在数控轧环机上完成，该成形的工艺性很强，必须制定严格的轧制成形工艺路线。即使这样，在大型环件径轴向轧制成形过程中也往往需要适当的人工干预，在大型环件径轴向轧制过程中必须注意观察整个成形过程的发展，如果发现环件轧制过程出现不稳定现象时，及时做出相应的调整，从而使得轧制过程可以稳定地进行下去，直至轧制出满足精度要求的大型环件，轧制环件的圆度偏差一般可控制在±2/1000以内，厚度和高度偏差一般可控制在2mm以内。

1.6 热处理

径轴向轧制成形大型环件的变形分布很不均匀，环件内部存在很大的残余应力，必须通过热处理手段予以消除。大型环件的热处理可以在专用罩式电阻炉中进行。环件热处理要制定合理的工艺路线，环件的加热温度、温升速度和保温时间、冷却过程等都应符合材料的热处理工艺规范。对于一般的碳钢材料环件，热处理多采用正火处理，加热温度控制在900℃左右，加热和保温总时长与环件的厚度密切相关，单位厚度时长可按1min/mm计算，其中保温时间应长于2h。

1.7 机械加工

径轴向轧制成形的大型环件必须经过机械加工才能得到最终的大型环形零件产品，其中主要包括车削和钻孔（图5）。大型环件车削在立车上完成，为了提高材料利用率，环件内外环面和上下端面的车削加工量应该尽量小，但必须能够完全消除环件外表面的不平整，同时还得能够将环件表层的氧化皮完全去除，对于成形精度较高的大型环件单边加工余量可控制在10mm以内。用作联接法兰的大型环件还需要在大型龙门数控转床上钻孔，为了保证联接法兰能够很好安装，孔的位置精度必须应予保证，一般要求位置度偏差控制在ø0.5mm以内。

1.8 成品检测

大型环形零件产品的检测包括环件外观尺寸的检测、环件内部缺陷的无损检测和材料力学性能的测试等。环件外观尺寸的检测主要包括环件的直径、壁厚、高度、圆度、平整度、联接孔位置精度等。环件内部缺陷的无损检测可以采用超声波和X射线，主要检测环件内部是否存在夹杂和折叠等影响环件性能的缺陷。如果环件还要进行材料力学性能的测试，则在环件机械加工阶段就要切取试样，试样切取的方位必须符合相关标准。

2 大型环件轧制生产下料体积计算

2.1 轧制成形环件体积计算

轧制成形环件体积Vr可以通过下式计算：

其中，Dr、tr、hr分别是轧制成形环件的外径、壁厚和高度。

大型环形最终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外径Dr、壁厚tr和高度hr时必须加上机械加工余量。

2.2 轧制环件毛坯体积计算

轧制环件毛坯是锻造环坯二次加热后去除氧化皮所得，轧制环件毛坯体积Vrb满足：

轧制环件毛坯体积Vrb可以通过下式计算：

其中，Drb、trb、hrb分别是轧制环件毛坯的外径、壁厚和高度，其取值可由环件轧制成形工艺确定。

2.3 锻造成形环坯体积计算

锻造成形环坯体积Vf可以通过下式计算：

其中，Df、tf、hf分别是锻造成形环坯的外径、壁厚和高度。

锻造成形环坯的外径Df、壁厚tf和高度hf可以通过下式计算：

其中，Δt2、Δh2分别是锻造成形环坯二次加热时径向、高度方向单侧氧化皮厚度，其取值与环坯材料、尺寸和二次加热时间有关，大型碳钢环坯可在0.5mm～1.5mm之间取值。

2.4 锻造毛坯体积计算

锻造毛坯是毛坯一次加热后去出氧化皮所得，锻造毛坯体积Vfb可以通过下式计算：

其中，Vp是冲孔落料体积。

其中，Dp、hp分别是冲孔落料的直径和高度。锻造毛坯体积Vfb满足：

其中，Dfb、hfb分别是锻造毛坯的外径和高度，其取值可由环坯锻造成形工艺确定。

2.5 下料体积计算

下料体积V0可以满足：

其中，D0、h0分别下料圆坯的外径和高度。

下料圆坯的外径D0和高度h0可以通过下式计算：

其中，Δt1、Δh1分别是下料圆坯一次加热时径向、高度方向单侧氧化皮厚度，其取值与毛坯材料、尺寸和一次加热时间有关，大型碳钢圆坯可在1mm～3mm之间取值。

连续铸锭的下料长度 可由下式确定：

其中，S0是连续铸锭的截面积。

3 结论

本文对大型环件轧制生产工艺流程进行了系统分析，其中包括铸锭下料、铸锭加热、环件毛坯制作、环件毛坯二次加热、环件径轴向轧制、环件热处理、环件机械加工和环件成品检测；建立了大型环件轧制生产下料体积计算方法，其计算过程包括轧制成形环件体积计算、轧制环件毛坯体积计算、锻造成形环坯体积计算、锻造毛坯体积计算和下料体积计算。本文的研究成果在大型环件轧制生产中获得了成功应用，提高了大型环件轧制生产下料体积计算精度和大型环件轧制实际生产工艺水平。