大型復(fù)雜環(huán)件軋制工藝發(fā)展現(xiàn)狀與對(duì)策

文/戴玉同·張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司

馬琦·武漢理工大學(xué)材料與工程學(xué)院

大型復(fù)雜環(huán)件軋制工藝發(fā)展現(xiàn)狀與對(duì)策

文/戴玉同·張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司

馬琦·武漢理工大學(xué)材料與工程學(xué)院

大型環(huán)鍛件，通常是指環(huán)件尺寸和質(zhì)量較大，且生產(chǎn)時(shí)對(duì)制坯設(shè)備及軋制設(shè)備噸位要求都很高的環(huán)形鍛件。直徑超過5m的超大型環(huán)件，廣泛用于大型風(fēng)電機(jī)組軸承和風(fēng)塔法蘭、石油化工壓力容器、海洋工程、大型運(yùn)載火箭倉體等，是大型能源、石化和武器裝備的關(guān)鍵基礎(chǔ)零件，其性能質(zhì)量對(duì)于大型能源、石化和武器裝備的性能、壽命有著決定性影響。

常見復(fù)雜環(huán)件截面有T形、內(nèi)凸臺(tái)、內(nèi)溝槽、外凸臺(tái)、外溝槽等，廣泛應(yīng)用于汽車工程、機(jī)械工程、冶金工程等行業(yè)。尤其是在工程、冶金、石化、機(jī)車鐵路等領(lǐng)域中，很多環(huán)件的截面不僅不規(guī)則，而且還會(huì)有十分復(fù)雜的溝槽結(jié)構(gòu)。

目前，超大型環(huán)件的傳統(tǒng)制造方法主要有鑄造成形、焊接成形。鑄造成形的大型環(huán)件，晶粒粗大，組織分布不均勻，而且存在縮松、氣孔等孔隙缺陷，產(chǎn)品機(jī)械性能較差。焊接成形的大型環(huán)件，焊縫區(qū)材料組織為鑄態(tài)組織且不均勻，造成產(chǎn)品性能和壽命明顯降低。所以，鑄造成形和焊接成形的大型環(huán)件都難以滿足重載和沖擊載荷的工作要求。

環(huán)件軋制是一種特種軋制技術(shù)，它通過使環(huán)件毛坯產(chǎn)生連續(xù)局部塑性變形積累，而使其壁厚減小、直徑擴(kuò)大、截面輪廓成形，以獲得規(guī)定形狀尺寸的環(huán)件產(chǎn)品。環(huán)件軋制分為中、小型環(huán)件徑向軋制（包括冷軋和熱軋）和大型環(huán)件徑軸向軋制（熱軋）。

大型環(huán)件徑軸向軋制成形原理如圖1所示：驅(qū)動(dòng)輥?zhàn)餍D(zhuǎn)軋制運(yùn)動(dòng)，壓力輥?zhàn)鲝较蜻M(jìn)給和旋轉(zhuǎn)軋制運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)向輥?zhàn)鲗?dǎo)向運(yùn)動(dòng)，錐輥?zhàn)鬏S向進(jìn)給和旋轉(zhuǎn)軋制運(yùn)動(dòng)；在驅(qū)動(dòng)輥、壓力輥和錐輥的共同作用下，環(huán)件產(chǎn)生徑向和軸向的連續(xù)局部回轉(zhuǎn)塑性變形，通過多轉(zhuǎn)變形積累，最終實(shí)現(xiàn)其整體截面成形和直徑擴(kuò)大。

圖1 大型環(huán)件徑軸向軋制成形原理

相比傳統(tǒng)制造方法，大型環(huán)件徑軸向軋制成形利用較小噸位設(shè)備能較快成形幾何精度高、內(nèi)部組織致密、金屬流線分布完整的優(yōu)質(zhì)環(huán)件，具有節(jié)能、節(jié)材、優(yōu)質(zhì)、高效等技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)點(diǎn)，已成為高性能大型無縫環(huán)鍛件的先進(jìn)制造技術(shù)。

大型環(huán)鍛件發(fā)展現(xiàn)狀

對(duì)于大型環(huán)鍛件的研究，國外發(fā)達(dá)國家如德國、英國、日本等起步較早，國外學(xué)者及企業(yè)技術(shù)人員通過長期研究，部分發(fā)達(dá)國家已掌握了大型環(huán)件軋制的核心技術(shù)，尤其是φ(5～8）m的大型環(huán)鍛件軋制成形制造技術(shù)，其軋制成形環(huán)件的徑向誤差可控制在0.1%以下，已實(shí)現(xiàn)精密軋制成形制造。然而，為了制約我國重大裝備制造業(yè)的自主發(fā)展，這些國家對(duì)φ5m以上超大型環(huán)件軋制技術(shù)和設(shè)備實(shí)行了戰(zhàn)略性技術(shù)封鎖和市場(chǎng)壟斷。

早期，我國通過引進(jìn)國外工藝和設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)單技術(shù)開發(fā)和設(shè)備仿制。由于研究起步比較晚，缺乏技術(shù)理論支持，加上國外對(duì)軋制核心技術(shù)實(shí)施嚴(yán)格技術(shù)封鎖，導(dǎo)致我國超大型環(huán)件發(fā)展緩慢，整體技術(shù)水平較低。

目前，國內(nèi)大型環(huán)鍛件制造企業(yè)已普遍采用環(huán)件軋制技術(shù)制造φ(2～5）m的大型環(huán)鍛件。濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所已經(jīng)設(shè)計(jì)制造了大型數(shù)控?zé)彳埈h(huán)機(jī)30余臺(tái)；填補(bǔ)了我國航天工業(yè)所需的高強(qiáng)度、高精度大型環(huán)件軋制設(shè)備的空白，西安重型機(jī)械研究所于2006年9月為西南鋁業(yè)公司研制了國內(nèi)首臺(tái)軋制大型環(huán)件的φ5000mm徑軸向數(shù)控軋環(huán)機(jī)，該設(shè)備具有大力矩、高精度、高效率、大直徑和新工藝等特點(diǎn)。

張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司已掌握了φ(2～5）m大型環(huán)鍛件制備的核心技術(shù)與批量生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，其工藝流程如圖2所示，我公司在建立校企產(chǎn)學(xué)研合作的同時(shí)，在現(xiàn)有的生產(chǎn)基礎(chǔ)上與武漢理工大學(xué)合作開發(fā)了RAM 9000徑軸向軋制設(shè)備，成功制造出國內(nèi)能軋制最大壁厚為580mm的環(huán)形鍛件，還生產(chǎn)出了國內(nèi)第一件φ9m的超大型環(huán)鍛件（圖3）等，其軋制過程如圖4所示，但是該鍛件的生產(chǎn)并沒有形成系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)鏈。

但由于缺乏關(guān)鍵技術(shù)支撐，加之前期的開發(fā)缺乏理論技術(shù)支持，軋制工藝基本是憑經(jīng)驗(yàn)試錯(cuò)確定，而大型環(huán)鍛件設(shè)備對(duì)能源要求較高，直接導(dǎo)致研發(fā)成本較高，某種程度上打擊了一些企業(yè)深入研發(fā)大型環(huán)鍛件的積極性。另外，軋制過程也是通過人工控制，隨機(jī)性誤差以及軋制過程穩(wěn)定性的控制不當(dāng)，導(dǎo)致成形精度差、尺寸波動(dòng)大，基于以上原因，國內(nèi)許多企業(yè)都是通過加大切削余量來保證超大型鍛件尺寸，而后續(xù)大量機(jī)械切削不僅破壞了金屬組織結(jié)構(gòu)流線分布，降低了產(chǎn)品性能，而且還大大增加了人力、物力的投入，無法滿足企業(yè)對(duì)節(jié)能節(jié)材的要求。

圖2 生產(chǎn)工藝流程

圖3 φ9m的超大型環(huán)鍛件

圖4 φ9m環(huán)鍛件軋制過程

綜合以上分析可知，國內(nèi)大型環(huán)鍛件的生產(chǎn)還不能實(shí)現(xiàn)高性能環(huán)件精密軋制成形制造，高性能大型環(huán)件產(chǎn)品主要依賴進(jìn)口。而對(duì)于φ5m以上大型環(huán)鍛件，由于前期市場(chǎng)需求量不大，國內(nèi)關(guān)于其軋制技術(shù)研究開發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化建設(shè)處于剛剛起步的階段，高性能超大型軋制成形環(huán)鍛件幾乎完全依賴進(jìn)口。然而，隨著國內(nèi)快速發(fā)展的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)逐漸向著陸地大功率裝機(jī)和海上裝機(jī)發(fā)展，φ5m以上大型風(fēng)塔法蘭、風(fēng)電機(jī)組回轉(zhuǎn)支承等超大型環(huán)鍛件市場(chǎng)需求量日趨增大，而其高性能自主制造也成為制約我國風(fēng)電設(shè)備國產(chǎn)化發(fā)展的瓶頸。

復(fù)雜環(huán)鍛件發(fā)展現(xiàn)狀

復(fù)雜環(huán)鍛件通常是指截面為異形的環(huán)形鍛件，與矩形截面相比，復(fù)雜環(huán)鍛件的軋制對(duì)于模具設(shè)計(jì)要求以及液壓設(shè)備的穩(wěn)定性要求都比較高。通常復(fù)雜環(huán)鍛件的生產(chǎn)流程如下：制造模具→采購原材料→下料→加熱→選用模具壓機(jī)制坯→選用模具環(huán)鍛輾環(huán)→探傷→熱處理→機(jī)加工→理化檢驗(yàn)→探傷→產(chǎn)品交付。

在以往，復(fù)雜環(huán)鍛件首先必須進(jìn)行試制，研發(fā)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)跟蹤與指導(dǎo)，總結(jié)試制經(jīng)驗(yàn)后，制定工藝進(jìn)行批量生產(chǎn)；生產(chǎn)中進(jìn)一步求證，如發(fā)現(xiàn)問題，必須找到產(chǎn)生問題的原因所在，作進(jìn)一步調(diào)整和改進(jìn)。這樣實(shí)際生產(chǎn)過程中就主要依靠工程師長期積累的經(jīng)驗(yàn)， 采用傳統(tǒng)試制法， 一些關(guān)鍵性的設(shè)計(jì)參數(shù)要在產(chǎn)品制造出來之后，通過反復(fù)的調(diào)試、修改才能確定，使得產(chǎn)品制造周期長、成本高。

而如今，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)以及各種有限元模擬軟件的發(fā)展，使得這些問題得到了很大程度地改善。在試制之前，技術(shù)人員可以在軟件中根據(jù)實(shí)際情況，依據(jù)簡(jiǎn)化和近似條件，建出軋制模型，在計(jì)算機(jī)上經(jīng)過多次模擬軋制后，得出最佳軋制工藝參數(shù)，再應(yīng)用到試制過程中去。

從現(xiàn)有的情況來看，工程、冶金、石化用復(fù)雜環(huán)鍛件生產(chǎn)中的大量實(shí)例證明，采用這樣的方法，不僅能夠降低試制過程的時(shí)間和成本，而且還能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出輪廓形狀不能成形、輪廓形狀出現(xiàn)又消失、環(huán)件翹曲、形成蝶狀、端面魚尾等缺陷，從而提前預(yù)防并對(duì)模具和其他參數(shù)及時(shí)做出修正。這樣，產(chǎn)品的整個(gè)制造周期和成本都能夠降低。

可是，由于在這些領(lǐng)域中的復(fù)雜環(huán)件截面的不規(guī)則性，為計(jì)算機(jī)的模擬帶來了諸多不便。環(huán)件軋制涉及軋輥的直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)軋制運(yùn)動(dòng)、導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)以及環(huán)件自身的轉(zhuǎn)動(dòng)和直徑擴(kuò)大運(yùn)動(dòng)，而且軋制過程是時(shí)變的，這使得模擬環(huán)件軋制過程變得極為復(fù)雜，特別在模擬徑軸向雙向軋制的異形截面環(huán)件時(shí)還存在復(fù)雜的橫向、縱向金屬流動(dòng)，這些都使得軋制過程變得更加復(fù)雜。

目前，國內(nèi)外基于有限元數(shù)值仿真技術(shù)模擬異形截面環(huán)件一個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)三維全過程動(dòng)態(tài)軋制還鮮有報(bào)道。所以現(xiàn)有的試制前模擬，都必須引入一定的假設(shè)條件，對(duì)如T形、L形等較規(guī)則的復(fù)雜截面環(huán)件的預(yù)測(cè)還能獲得比較準(zhǔn)確的結(jié)果，但是對(duì)于帶有復(fù)雜溝槽的復(fù)雜截面環(huán)件來說，往往還是不能帶來便利。

考慮到復(fù)雜截面環(huán)鍛件的模擬，能夠提高環(huán)件的生產(chǎn)效率和降低產(chǎn)品價(jià)格，進(jìn)而能夠推動(dòng)復(fù)雜截面環(huán)件在工程、冶金、石化、機(jī)車鐵路等行業(yè)內(nèi)得到更廣泛的應(yīng)用，創(chuàng)造更多的市場(chǎng)價(jià)值，因此，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)以及相關(guān)成形理論的研究和發(fā)展在未來肯定會(huì)得到更多的重視和發(fā)展。

此外，復(fù)雜截面環(huán)鍛件在實(shí)際生產(chǎn)中，最容易出現(xiàn)的缺陷就是夾皮，就是指在壓力機(jī)上鍛造時(shí)產(chǎn)生的氧化皮、沖孔連皮，以及環(huán)件軋制時(shí)產(chǎn)生的氧化皮，沒有被及時(shí)清理干凈，結(jié)果在軋制過程中被輾入到環(huán)件內(nèi)部。另外，鋼錠鍛造過程中的皺褶、彎曲很容易造成環(huán)件成品的內(nèi)部缺陷。

由于帶有夾皮的環(huán)件很容易在工作時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，因此必定會(huì)降低環(huán)件的使用壽命，甚至給生產(chǎn)過程帶來危險(xiǎn)。所以凡是出現(xiàn)此類缺陷的零件，如果不能通過機(jī)加工處理解決，一般會(huì)直接報(bào)廢，這無疑會(huì)大大提高此類環(huán)件的生產(chǎn)成本，不利于其在工程、冶金、石化等行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。現(xiàn)有的解決辦法，就是合理地制定工藝流程，采用合適的鍛造設(shè)備，以及規(guī)范人工操作來降低該缺陷出現(xiàn)的概率。但是如果想要從根本上解決該問題，還需加大研究力度。

復(fù)雜環(huán)鍛件的生產(chǎn)還有一個(gè)重要步驟就是熱處理。矩形截面環(huán)鍛件在熱處理過程中，材料受熱比較均勻，所以整個(gè)過程便于控制，最終得到的組織分布和晶粒大小也比較均勻。但是對(duì)于復(fù)雜截面環(huán)鍛件，尤其是截面較為復(fù)雜的環(huán)鍛件，材料各部分受熱差異性可能較大，而且根據(jù)在工程、冶金、石化、機(jī)車鐵路等行業(yè)內(nèi)的用途不同，各部分熱處理后得到的組織成分和性能要求也不完全相同。所以合理的熱處理工藝方案的研究也顯得尤為重要，圖5是對(duì)φ9m超大型環(huán)件加熱的熱處理爐。

圖5 φ9m超大型環(huán)件的熱處理爐

大型復(fù)雜環(huán)鍛件發(fā)展對(duì)策

重點(diǎn)發(fā)展大型環(huán)鍛件近凈成形技術(shù)

近凈成形技術(shù)生產(chǎn)環(huán)鍛件，代表著行業(yè)的先進(jìn)制造水平和未來發(fā)展方向。環(huán)鍛件行業(yè)技術(shù)特點(diǎn)體現(xiàn)為綜合性、復(fù)合化和高精深的特點(diǎn)，需要金屬材料學(xué)、金屬塑性成形理論、精鍛成形工藝、有限元數(shù)值模擬、模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等多學(xué)科知識(shí)的綜合應(yīng)用，體現(xiàn)了極高的技術(shù)含量。重點(diǎn)發(fā)展大型環(huán)鍛件近凈成形技術(shù)，應(yīng)用此技術(shù)后，后續(xù)加工僅需少量加工或不再加工，同時(shí)，近凈成形環(huán)鍛工藝保證了產(chǎn)品金屬流線的延續(xù)，有利于提高環(huán)鍛件的疲勞強(qiáng)度，是高精度、輕量化、節(jié)能節(jié)材的首選。

復(fù)雜環(huán)鍛件需要合理設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)

復(fù)雜環(huán)鍛件根據(jù)其截面形狀不同在鍛造時(shí)可分為一次鍛造成形和多次鍛造成形，絕大部分為一次鍛造成形。一次鍛造成形復(fù)雜環(huán)鍛件的技術(shù)含量比較高，涉及工裝模具的設(shè)計(jì)與改進(jìn)，生產(chǎn)過程中的困難比較多，并非一般鍛造廠能夠達(dá)到的。非矩形截面環(huán)件軋制成形和矩形截面環(huán)件軋制成形不同，不僅要求通過軋制獲得一定的環(huán)件直徑，而且要求通過軋制獲得一定的截面輪廓形狀。

軋制成形一定截面輪廓的環(huán)件很不容易，而同時(shí)獲得一定截面輪廓形狀和一定直徑的環(huán)件則更困難，圖6為30t復(fù)雜環(huán)鍛件。直接軋制成形復(fù)雜輪廓的環(huán)件，既提高了材料利用率，又減小了后續(xù)加工余量和加工工時(shí)消耗，具有較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，是環(huán)件軋制技術(shù)最有吸引力的領(lǐng)域和發(fā)展方向。非矩形截面環(huán)件軋制過程中，經(jīng)常出現(xiàn)截面輪廓形狀不能成形，或是已經(jīng)成形的截面輪廓形狀在軋制過程中又逐漸消失，還有環(huán)件截面輪廓的部分區(qū)域不能充滿軋制孔形，環(huán)件整體形狀出現(xiàn)蝶形、翹曲等各種特有現(xiàn)象，這些現(xiàn)象是非矩形截面環(huán)件軋制成形規(guī)律的客觀反映。而這些問題要想得到有效解決，首先就要做到合理地設(shè)計(jì)和制造模具。

圖6 30t環(huán)鍛件

充分利用有限元分析軟件

由于大型環(huán)件徑軸向軋制是一個(gè)三維非線性、非對(duì)稱、非穩(wěn)態(tài)、非均勻的成形過程，且環(huán)件尺寸較大，多為貴金屬材料，故軋制設(shè)備一般為大型設(shè)備，如單純采用實(shí)驗(yàn)法或解析法對(duì)其進(jìn)行研究，勢(shì)必造成大量材料和能源的浪費(fèi)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和塑性理論的發(fā)展，CAD/CAE/CAM有限元法作為一種準(zhǔn)確、高效的分析方法，應(yīng)充分應(yīng)用于大型環(huán)件徑軸向軋制的研究中去。

充分借助計(jì)算機(jī)平臺(tái)，使技術(shù)人員預(yù)知產(chǎn)品軋制過程中的金屬流動(dòng)、應(yīng)力應(yīng)變及溫度分布等情況，為優(yōu)化工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)極為有利的工具，與此同時(shí)，也減少了企業(yè)不斷采用試制方法而帶來的巨大研發(fā)成本。

先進(jìn)技術(shù)與人才的引進(jìn)

技術(shù)與人才一直以來都是企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的體現(xiàn)，只有不斷引進(jìn)、吸收與消化國內(nèi)外前沿環(huán)軋核心技術(shù)，建立系統(tǒng)的持續(xù)可發(fā)展的生產(chǎn)理論與試驗(yàn)體系，并注重培養(yǎng)此方面的專業(yè)技術(shù)人員，建立公司內(nèi)部的研發(fā)機(jī)構(gòu)，通過校企合作引進(jìn)指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)，才能使企業(yè)的綜合發(fā)展水平一直處于不敗之地。

結(jié)束語

大型復(fù)雜環(huán)鍛件生產(chǎn)技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用代表著環(huán)鍛行業(yè)的先進(jìn)水平，未來環(huán)鍛行業(yè)對(duì)更大規(guī)格、更先進(jìn)能源與武器設(shè)備的發(fā)展要求會(huì)越來越高，企業(yè)應(yīng)打破傳統(tǒng)生產(chǎn)模式，重視可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，攻克大型復(fù)雜環(huán)鍛件生產(chǎn)中產(chǎn)生的鍛件質(zhì)量不穩(wěn)定的難題，大力發(fā)展近凈成形技術(shù)，以滿足我國大型能源、機(jī)械、國防裝備的發(fā)展需求。