中大型環(huán)件軋制技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

文/吳君三，季永蘭，吳劍，陸亞娟·江蘇省張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司

中大型環(huán)件軋制技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

文/吳君三，季永蘭，吳劍，陸亞娟·江蘇省張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司

環(huán)件軋制又稱為環(huán)件輾擴或擴孔，它是借助環(huán)件軋機來軋制孔形，使環(huán)件生產(chǎn)過程中出現(xiàn)連續(xù)的局部塑性變形，進而實現(xiàn)壁厚減小、直徑擴大、截面輪廓成形的塑性加工工藝。它適用于生產(chǎn)各種形狀、尺寸的環(huán)形機械零件，具有大幅度降低設(shè)備噸位和減少投資、振動沖擊小、節(jié)能節(jié)材等顯著經(jīng)濟優(yōu)點。在機械、汽車、火車、船舶、石油化工、航空航天、原子能等眾多工業(yè)領(lǐng)域中日益得到廣泛的應(yīng)用。徑─軸向軋制是中大型環(huán)件軋制的主要方式，適用于壁厚大、大軋制比或截面復(fù)雜的環(huán)件加工，主要生產(chǎn)外徑尺寸為1～9m的環(huán)件。

軋制原理

中大型環(huán)件所采用的臥式徑─軸向熱軋制技術(shù)如圖1所示，其軋制原理為：驅(qū)動輥作旋轉(zhuǎn)運動，靠其與環(huán)件表面的摩擦力，帶動環(huán)件一起旋轉(zhuǎn)；芯輥作直線進給運動，并在其與環(huán)件摩擦力的作用下，作空轉(zhuǎn)運動，使環(huán)件在驅(qū)動輥和芯輥構(gòu)成的孔形中，逐漸減少局部徑向壁厚。與此同時，兩個軸向錐輥作旋轉(zhuǎn)運動和軸向進給運動，使環(huán)件在兩輥構(gòu)成的孔形中實現(xiàn)局部高度減小。兩個導(dǎo)向輥在背壓力作用下，以一定的方式運動，并始終與環(huán)件保持接觸，對環(huán)件施加很小的支持力，使環(huán)件保持一定的圓度，并能防止環(huán)件在軋制過程中歪斜。這樣經(jīng)過多轉(zhuǎn)軋制，環(huán)件就能夠?qū)崿F(xiàn)壁厚連續(xù)地減小、高度連續(xù)降低、內(nèi)外徑增大、截面輪廓成形的塑性變形，并最終獲得符合尺寸要求和形狀要求的環(huán)形產(chǎn)品。

圖1 臥式徑─軸向熱軋制簡圖

對于臥式徑─軸向環(huán)件軋制而言，其一般加工過程如圖2所示。目前，中大型鍛件的軋制已比較成熟，特別是巨型環(huán)件的生產(chǎn)，其生產(chǎn)精度已有明顯提高。近凈成形技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，使得異形環(huán)件軋制技術(shù)在生產(chǎn)線上得到推廣。

圖2 加工過程流程簡圖

研究現(xiàn)狀

環(huán)件軋制涉及直線進給運動、旋轉(zhuǎn)軋制運動、導(dǎo)向運動，以及環(huán)件自身的轉(zhuǎn)動和直徑擴大運動，而且軋制過程是可變的，具有高度的幾何非線性和物理非線性。這使得環(huán)件軋制物理力學(xué)機制變得極為復(fù)雜，研究工作難度加大。

經(jīng)過長期理論和實踐探索，從靜力學(xué)、運動學(xué)、動力學(xué)、幾何學(xué)、塑性成形原理和系統(tǒng)控制等方面，深入研究了環(huán)件徑向軋制工藝的軋制條件、成形流動規(guī)律、力能計算方法、工藝設(shè)計方法和過程控制方法，揭示了徑向軋制的物理本質(zhì)，建立了環(huán)件徑向軋制理論體系。

對于大型環(huán)件徑─軸向的軋制，介紹其軋制原理和發(fā)展歷程，以及現(xiàn)階段的一些應(yīng)用現(xiàn)狀，分析軋制過程中的環(huán)件尺寸變化關(guān)系，以及設(shè)備控制的原理和特點，針對實際軋制設(shè)備，描述整個中大型環(huán)件的軋制工藝流程。環(huán)件徑─軸向軋制工藝，相比徑向軋制工藝而言，由于其工藝和控制以及軋制設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且設(shè)備價格昂貴，試驗成本也較高，使得對其工藝分析和成形規(guī)律方面的研究，一直處于緩慢發(fā)展的狀態(tài)。在較長的一段時間里，人們對于徑─軸向軋制的認(rèn)識主要來源于實際生產(chǎn)經(jīng)驗，并針對自身生產(chǎn)的要求，從不同的角度總結(jié)了徑─軸環(huán)件軋制生產(chǎn)的規(guī)律，得到了一系列有關(guān)的經(jīng)驗公式和設(shè)計方法，包括環(huán)鍛件的加工余量配置，毛坯設(shè)計方法，環(huán)件軋制進給方案與工藝參數(shù)設(shè)定等。

這些經(jīng)驗公式較好地指導(dǎo)了中大型環(huán)件的實際軋制生產(chǎn)，但沒有與之配套的理論支撐。由于徑─軸向軋制工藝的特殊性，一般都是利用大型軋機進行中大型環(huán)件的軋制，其能源消耗巨大。而且在沒有任何指導(dǎo)的情況下，僅靠軋制試驗的摸索，勢必造成大量環(huán)件材料的浪費和能源的消耗。從20世紀(jì)60年代開始，人們就進行理論研究工作，提出了各種各樣的理論模型，由于受到客觀條件的限制，大量的工作被限制在近似或經(jīng)典塑性成形理論的研究領(lǐng)域內(nèi)。主要研究方向有初等解析法、滑移線法和上限法等等，這些研究方法都對軋制過程的分析起到了很大的作用。

近年來，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，以及有限元模擬軟件的興起，將中大型環(huán)件徑─軸向軋制的理論分析、計算機模擬和實際生產(chǎn)有效地結(jié)合在一起。軋制的運動學(xué)和靜力學(xué)系統(tǒng)探討了環(huán)件變形規(guī)律，包括軋制過程的咬入條件、鍛透條件、剛度條件等基礎(chǔ)理論，并在此基礎(chǔ)上建立了徑─軸向軋制的有限元分析模型，計算機有限元分析軟件已成為當(dāng)前徑─軸向軋制工藝分析的主要工具，建模技術(shù)不斷地成熟，也使得計算機模型越來越貼近實際生產(chǎn)的需要。

生產(chǎn)過程中存在的問題

⑴環(huán)件軋制生產(chǎn)過程的不穩(wěn)定性。由于中大型環(huán)件軋制生產(chǎn)表現(xiàn)出極大的幾何非線性和物理非線性的耦合性質(zhì)，影響因素極為復(fù)雜。在實際生產(chǎn)中，極易出現(xiàn)夾皮、型腔充不滿、粗晶等現(xiàn)象。一般而言，外徑較小環(huán)件的生產(chǎn)相對穩(wěn)定，而外徑較大環(huán)件的質(zhì)量則比較難控制，需保證環(huán)件的尺寸、圓度、表面質(zhì)量等。中大型環(huán)件軋制生產(chǎn)的不穩(wěn)定性，一方面是由于工藝本身的復(fù)雜性，另一方面是人為因素對環(huán)件生產(chǎn)過程具有較大影響，特別是大型環(huán)件，工人的經(jīng)驗和熟練程度直接決定了環(huán)件軋制的成敗。生產(chǎn)過程的不穩(wěn)定性已成為中大型環(huán)鍛企業(yè)的主要生產(chǎn)風(fēng)險之一，嚴(yán)重時會給企業(yè)帶來重大的經(jīng)濟損失和嚴(yán)重的資源浪費。

⑵粗放型的增長模式不可持續(xù)。中大型環(huán)件成功軋制往往是以較多材料損耗，較高能源消耗為代價的，為保證產(chǎn)品的合格率，最常用的方法就是增加加工余量，往往忽略了從工藝設(shè)計的角度來改進。此外，對于一些新產(chǎn)品軋制生產(chǎn)，需要在生產(chǎn)現(xiàn)場不斷地進行試軋，這就導(dǎo)致了大量材料和能源的浪費，利用先進的CAE分析技術(shù)對新產(chǎn)品的傳統(tǒng)研發(fā)方式進行改進，也是中大型環(huán)鍛件企業(yè)提高自身研發(fā)能力的必然要求。落后的設(shè)備也是增加單位產(chǎn)量消耗的主要原因之一，在中大型環(huán)鍛件生產(chǎn)過程中，高消耗不利于企業(yè)競爭力的提升和持續(xù)發(fā)展。

⑶生產(chǎn)過程過分依賴于個人經(jīng)驗。對于對技術(shù)依賴程度高的環(huán)鍛件生產(chǎn)企業(yè)而言，知識是至關(guān)重要的。由于長期以來對知識有效積累的忽略，出現(xiàn)企業(yè)知識型人才匱乏的現(xiàn)狀。無論是成熟的環(huán)鍛件產(chǎn)品，還是新開發(fā)的環(huán)鍛件產(chǎn)品，其生產(chǎn)技術(shù)往往僅被少數(shù)人掌握，缺乏科學(xué)有效的技術(shù)知識積累方式，不利于團體研發(fā)的開展和后續(xù)優(yōu)化，阻礙了環(huán)件軋制技術(shù)的提升。另外，生產(chǎn)流水線自動化程度低下，導(dǎo)致了生產(chǎn)對工人操作技能和熟練程度的過分依賴，不僅加大了環(huán)件生產(chǎn)的不穩(wěn)定性，也不利于生產(chǎn)的科學(xué)化和規(guī)范化。提高裝備自動化程度不僅能提升成熟環(huán)件的生產(chǎn)效率，也有利于環(huán)件軋制的研究與新產(chǎn)品的開發(fā)。

圖3 異形環(huán)鍛件

⑷軋制理論研究與生產(chǎn)實際脫節(jié)。盡管在中大型環(huán)件軋制理論研究方面已取得一些實質(zhì)性的成果，但并沒有在企業(yè)生產(chǎn)過程和實際研發(fā)中得到應(yīng)用。對于中大型環(huán)件軋制過程已建立了多種數(shù)學(xué)模型，基本揭示了其內(nèi)在規(guī)律，特別是有限元軟件的興起，為工藝研究與產(chǎn)品研發(fā)提供了較好的工具。但是，仍然缺少針對實際生產(chǎn)問題的理論和計算機模型。另一方面，中大型環(huán)件軋制生產(chǎn)過程中的問題，并沒有得到科學(xué)的分析與研究，依然采用實際試軋或增加余量的方式來解決，而并未體現(xiàn)出環(huán)件軋制理論的研究思想和方法。如何有效地將中大型環(huán)件軋制理論研究與生產(chǎn)實際結(jié)合，是企業(yè)建立自主知識體系并指導(dǎo)實際生產(chǎn)必須解決的問題。

未來發(fā)展趨勢

⑴軋制生產(chǎn)的精密化。精密化軋制生產(chǎn)可以使企業(yè)以較小的材料消耗，軋制生產(chǎn)出較高質(zhì)量的環(huán)件，對于中大型環(huán)件，由于軋制過程變形的非均勻性、熱效應(yīng)、環(huán)件尺寸大等因素，難以準(zhǔn)確地控制環(huán)件尺寸，環(huán)件軋制的精密化程度主要體現(xiàn)在加工尺寸公差和加工余量。它與設(shè)備的精度和軋制生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性有密切關(guān)系，除需更換高精度的設(shè)備以外，最為關(guān)鍵的措施還在于工藝過程的制定，生產(chǎn)工藝的成熟程度是精密化軋制的基礎(chǔ)。

⑵近凈成形技術(shù)的應(yīng)用。近凈成形技術(shù)是建立在新材料、新能源、機電一體化、精密模具技術(shù)、計算機技術(shù)、自動化技術(shù)、數(shù)值分析和模擬技術(shù)等多學(xué)科高新技術(shù)成果基礎(chǔ)上，改造了傳統(tǒng)的毛坯成形技術(shù)。在中大型環(huán)件軋制生產(chǎn)中，此技術(shù)主要應(yīng)用于異形環(huán)鍛件的開發(fā)和軋制，異形環(huán)鍛件截面的形狀和尺寸與最終零件較為相似，從而避免了大量材料的浪費。然而，截面的復(fù)雜化會加劇工藝過程的復(fù)雜性。目前，雖然已經(jīng)有企業(yè)生產(chǎn)中大型異形環(huán)鍛件，但其品種規(guī)格還不齊全。開發(fā)出更多的異形件產(chǎn)品，不斷優(yōu)化其生產(chǎn)工藝是中大型環(huán)件軋制生產(chǎn)企業(yè)不懈努力的方向之一。長期以來，江蘇省張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司已開發(fā)十幾種異形環(huán)鍛件品種，其中主要的異形環(huán)鍛件如圖3所示。

⑶軋制生產(chǎn)過程的自動化。自動化是整個制造業(yè)發(fā)展的大趨勢，小型環(huán)件的自動化生產(chǎn)已在全世界范圍內(nèi)基本實現(xiàn)。目前，中大型環(huán)鍛件的自動化只在德國、日本等工業(yè)強國得以實現(xiàn)，在國內(nèi)還沒有真正意義上的自動化生產(chǎn)線。中大型環(huán)件生產(chǎn)的自動化，必須要在成熟的工藝基礎(chǔ)之上，使生產(chǎn)各工序之間得到較好的銜接，開發(fā)集成控制系統(tǒng)使生產(chǎn)線得到統(tǒng)一調(diào)度。環(huán)鍛件的鍛后余熱處理技術(shù)是自動化生產(chǎn)線的關(guān)鍵，它使生產(chǎn)效率得到質(zhì)的提升。江蘇省張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司聯(lián)合上海交通大學(xué)和武漢理工大學(xué)，致力于2000mm自動化生產(chǎn)線的建設(shè)，獲得了不少寶貴經(jīng)驗和研究成果，目前已著手準(zhǔn)備投產(chǎn)。圖4所示的是江蘇省張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司自動化生產(chǎn)線的布局示意圖。

⑷加強技術(shù)儲備，提高生產(chǎn)技術(shù)和研發(fā)能力是各加工制造企業(yè)的核心競爭力，中大型環(huán)鍛件企業(yè)必須著力擺脫經(jīng)驗依賴型的制造模式，著力構(gòu)建科學(xué)技術(shù)儲備機制和研發(fā)體系。隨著計算機的發(fā)展，CAD/CAPP/CAM/CAE已成功地應(yīng)用于許多制造領(lǐng)域。然而，針對中大型環(huán)件軋制生產(chǎn)技術(shù)的計算機系統(tǒng)還不存在，企業(yè)應(yīng)立足于自身，以研發(fā)為手段，以專業(yè)知識為基礎(chǔ)，以計算機軟件為依托，建立中大型環(huán)件軋制生產(chǎn)和研究的知識體系，提升企業(yè)的競爭力。

圖4 自動化生產(chǎn)線布局示意圖

結(jié)束語

中大型環(huán)件工藝技術(shù)是伴隨鐵路運輸業(yè)而發(fā)展起來的，隨著我國日新月異的高鐵建設(shè)的興起，生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)從自身實際出發(fā)，借助先進的制造技術(shù)，共同研究和攻克我國大型軋環(huán)件成形的難題，為我國基礎(chǔ)工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。

吳君三，中級經(jīng)濟師，張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司董事長。