輥鍛工藝的應(yīng)用與發(fā)展方向

文/劉化民·吉林大學(xué)輥鍛工藝研究所劉翊安·北華航天工業(yè)學(xué)院

輥鍛工藝的應(yīng)用與發(fā)展方向

文/劉化民·吉林大學(xué)輥鍛工藝研究所劉翊安·北華航天工業(yè)學(xué)院

輥鍛是回轉(zhuǎn)鍛造的一種，屬于連續(xù)局部塑性成形工藝。相較于自由鍛、模鍛等鍛造方法具有很多優(yōu)點，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于農(nóng)機具、餐具、汽車零部件、葉片、工具行業(yè)等的制坯和成形工序，近年來在鐵路、機車等行業(yè)關(guān)鍵零部件制坯中得到了廣泛應(yīng)用。

輥鍛工藝是將縱向軋制技術(shù)引入鍛造成形范疇，并經(jīng)不斷發(fā)展而形成的鍛造工藝，屬于連續(xù)局部塑性成形。相比于自由鍛、模鍛等鍛造方法具有很多優(yōu)點，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于農(nóng)機具、餐具、汽車零部件、葉片、工具行業(yè)等的制坯和成形工序，近年來在鐵路、機車等行業(yè)關(guān)鍵零部件制坯中得到了廣泛應(yīng)用。

輥鍛的變形原理

在常規(guī)軋制中，坯料軸線與軋輥軸線互相垂直，而且制件的運動趨勢和軋輥的轉(zhuǎn)向是一致的，可稱之為縱軋。輥鍛是塑性變形中坯料長度小于軋輥圓周長的縱軋。輥鍛變形時通過一對反向旋轉(zhuǎn)的模具使毛坯連續(xù)地產(chǎn)生局部變形。平輥變形是輥鍛最簡單的變形情況，圖1是平輥變形的原理圖。

從圖1可以看出，隨著上下輥的反向轉(zhuǎn)動，坯料在高度方向受到了模具的擠壓，產(chǎn)生塑性變形，高度減小，長度增加。這一形變過程類似于縱軋，變形的主要參數(shù)有變形區(qū)長度l、坯料入口斷面的高度h0和寬度b0、坯料出口斷面的高度h1和寬度b1、變形區(qū)所對應(yīng)的軋輥圓心角α（咬入角）等。

平輥同軋制一樣，坯料在輥鍛任意時刻的變形情況，都可以代表整個變形過程，這個變形過程非常穩(wěn)定。但是，實際生產(chǎn)中的輥鍛變形中，坯料軸向截面一般都發(fā)生變化，變形不穩(wěn)定。實際生產(chǎn)中的輥鍛工藝原理簡圖如圖2所示。

由圖2可以看出，輥鍛模具安裝在鍛輥上，隨著上、下鍛輥向相反方向的轉(zhuǎn)動，坯料隨模具型槽的變化發(fā)生連續(xù)、局部的塑性變形。在實際生產(chǎn)中輥鍛模具型槽截面在不斷變化，則輥鍛的變形區(qū)受力、輥鍛過程中坯料的咬入、輥鍛時的前滑、后滑和展寬都在不斷變化，這導(dǎo)致輥鍛過程比平輥復(fù)雜。

圖1 平輥變形原理圖

圖2 實際生產(chǎn)中的輥鍛工藝原理簡圖

輥鍛過程首先是坯料的咬入。輥鍛開始前，輥鍛模具轉(zhuǎn)離工作位置，坯料放置在兩軋輥之間，坯料的高度大于輥鍛模具型槽間的最小距離；輥鍛開始時，坯料受到模具的擠壓，坯料與模具之間產(chǎn)生摩擦力，當(dāng)坯料的咬入角（圖1中的α）小于模具與坯料之間的摩擦角時，輥鍛進入穩(wěn)定咬入狀態(tài)，輥鍛變形開始。坯料的咬入分為兩種，如圖3所示。

前滑與后滑是輥鍛中兩個重要的參數(shù)，輥鍛的前滑、后滑如圖4所示。

圖3 輥鍛咬入方式

圖4 輥鍛前、后滑示意圖

從圖4中可以看出，輥鍛中前滑區(qū)的金屬流動速度大于鍛輥水平速度，后滑區(qū)的金屬流動速度小于鍛輥水平速度，兩者相等的位置為臨界面。在前滑區(qū)的每個垂直斷面上，金屬流動的平均水平速度等于鍛輥相應(yīng)處線速度水平分量與金屬和鍛輥之間相對滑動的水平分速度之和，前滑區(qū)金屬流動的水平分速度大于相應(yīng)處鍛輥線速度的水平分量；與前滑區(qū)相反，在后滑區(qū)的每個垂直斷面上，金屬流動的平均水平速度等于鍛輥相應(yīng)處線速度水平分量減去金屬和鍛輥之間相對滑動的水平分速度，后滑區(qū)金屬流動的水平分速度小于相應(yīng)處鍛輥線速度的水平分量。因此，在輥鍛過程中除臨界面外，變形區(qū)內(nèi)各個斷面上的金屬流動速度的分布是連續(xù)而不均勻的。前滑的影響因素主要有輥徑、相對壓下量、軋件高度、坯料寬度、摩擦系數(shù)。

輥鍛的變形實質(zhì)是坯料的軋制延伸，坯料部分截面變小而長度增加。輥鍛坯料金屬縱向流動使其長度增加，同時進行橫向流動導(dǎo)致寬度有所增加，形成展寬。展寬的主要形式有三種，如圖5所示。展寬的主要影響因素包括壓下量、鍛輥直徑、坯料寬度、摩擦系數(shù)、金屬化學(xué)成分、輥鍛道次。

人工進行輥鍛模具設(shè)計時較難，尤其是復(fù)雜形狀輥鍛件的模具設(shè)計。長期以來，模具的設(shè)計主要依賴設(shè)計人員的實踐經(jīng)驗，設(shè)計周期長，精度低，模具成本高。德國Eratz公司和DGN有限公司與SMS Eumuco有限公司共同成功開發(fā)了專門用于設(shè)計輥鍛模具的CAD/CAM軟件——VeraCAD。VeraCAD可直接輸入鍛件的三維造形數(shù)據(jù)，自動計算合適的輥坯形狀，或者直接人工輸入輥坯形狀。在確定了總的輥鍛道次后，軟件能夠自動計算每道次輥鍛后的毛坯形狀及模具型腔形狀，并生成加工模具型腔所需的NC數(shù)據(jù)。整個模具設(shè)計過程可在一天內(nèi)完成，比原手工設(shè)計效率提高了30倍，鍛件材料分配合理，廢品率低，質(zhì)量好。

圖5 展寬形式

VeraCAD的價格非常昂貴，一般企業(yè)很難接受，不過通過人工模具設(shè)計，然后經(jīng)三維制圖軟件進行模具制圖，通過有限元模擬軟件進行輥鍛工藝過程的數(shù)值模擬，從而檢查輥鍛模具設(shè)計是否合理，優(yōu)化模具、坯料設(shè)計，同樣可以減少人工模具設(shè)計的不足，極大地減少模具調(diào)試時間。

輥鍛工藝的特點

相對金屬體積塑性成形中的自由鍛、模鍛等工藝，輥鍛工藝具有以下特點：

⑴生產(chǎn)效率高。制坯輥鍛、成形輥鍛成形過程中，一個輥鍛周期通常只需十幾秒甚至幾秒，適合大批量生產(chǎn)要求，相較于自由鍛、模鍛等工藝生產(chǎn)效率高、成形穩(wěn)定。

⑵所需設(shè)備噸位小，可實現(xiàn)小設(shè)備制造大零件。輥鍛屬于漸進連續(xù)局部變形，在變形的每一瞬間，上下模與坯料的接觸面積較小，相同噸位的設(shè)備可產(chǎn)生較大的壓強，設(shè)備噸位利用率高。

⑶勞動環(huán)境好。輥鍛過程屬于漸進連續(xù)局部變形，坯料的塑性變形是在靜壓下進行的，振動小、噪聲小，有助于工人進行生產(chǎn)。

⑷模具磨損小，使用壽命長。輥鍛過程屬于漸進連續(xù)局部變形，所需變形力小，摩擦力小，模具磨損?。惠佸戇^程中坯料在靜壓下進行塑性變形，沖擊小，模具使用壽命長。

⑸操作簡單，易于實現(xiàn)機械化與自動化。

⑹適用于坯料截面積減小的塑性變形過程。由輥鍛變形的原理可知，變形過程中坯料的長度增加，截面積減小，如桿件的拔長、板坯的輾片以及沿桿件軸向分配金屬體積的變形過程。輥鍛工藝對于加工軸對稱長軸類零件具有很大的優(yōu)越性。

⑺鍛件質(zhì)量高。由輥鍛變形的原理可知，變形過程中金屬主要流向坯料的軸向，寬度方向流動較少，因此，輥鍛件擁有良好的金屬流線，產(chǎn)品力學(xué)性能高。

⑻材料利用率高。輥鍛件表面粗糙度值較小，對坯料計算得當(dāng)可實現(xiàn)無余量生產(chǎn)，材料利用率高。

我國輥鍛工藝的研究與應(yīng)用

輥鍛工藝主要分為制坯輥鍛和成形輥鍛。制坯輥鍛是為模鍛準(zhǔn)備所需形狀、尺寸的毛坯；成形輥鍛能直接制出符合零件形狀、尺寸要求的鍛件。由于輥鍛技術(shù)具有高效、節(jié)能和環(huán)保等特點，因此被列為國家重點推廣的新技術(shù)之一。

輥鍛成形復(fù)雜模鍛件是我國對輥鍛工藝的創(chuàng)新。內(nèi)燃機連桿是形狀復(fù)雜、質(zhì)量要求高、需求量大的典型模鍛件。連桿輥鍛工藝的研制成功，解決了諸如突變截面輪廓成形、多道次變形匹配、型槽約束區(qū)內(nèi)金屬前滑規(guī)律、成形輥鍛中不產(chǎn)生干涉的條件及臨界包容角、臨界前壁角的計算等一系列關(guān)鍵技術(shù)問題。吉林大學(xué)輥鍛工藝研究所在山東淄博建成了我國第一條連桿輥鍛自動化生產(chǎn)線，節(jié)省材料10%、勞動生產(chǎn)率提高2倍、單位成本降低35%、產(chǎn)品質(zhì)量為優(yōu)等品，初顯了輥鍛專業(yè)化生產(chǎn)的優(yōu)越性。吉大輥鍛所為了制造高精密度的轎車連桿，已經(jīng)開發(fā)出了輥鍛制坯+熱模鍛壓力機的成形工藝，其連桿精度達到精密級，質(zhì)量公差可控制在10g以下，在全國已建成多條輥鍛制坯+熱模鍛壓力機生產(chǎn)線。

汽車前軸是汽車的重要承載件，其形狀復(fù)雜、質(zhì)量大，直接采用自由鍛、模鍛生產(chǎn)設(shè)備噸位大、生產(chǎn)效率低、材料利用率低。完全采用輥鍛成形工藝可以生產(chǎn)前軸，容易出現(xiàn)局部填充不足的現(xiàn)象。北京機電研究所開發(fā)的載重汽車前軸精密輥鍛—整體模鍛技術(shù)、用自動輥鍛機和熱模鍛壓力機生產(chǎn)復(fù)雜彎曲長搖臂鍛件等都取得不錯的經(jīng)濟效益。利用精密輥鍛將前軸的工字形和彈簧座成形到位，然后通過模鍛僅對前軸的兩個端部成形。這種輥鍛+模鍛工藝生產(chǎn)前軸，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，可有效地減小制坯、成形過程中對大噸位模鍛設(shè)備的依賴，降低設(shè)備投資85%，同時提高生產(chǎn)效率，可靈活生產(chǎn)各種類型的前軸，提高材料利用率，適合大、中批量的前軸生產(chǎn)。汽車擺臂、彎臂采用輥鍛制坯+模鍛成形工藝同樣極大地提高了生產(chǎn)率、材料利用率，降低了設(shè)備噸位，取得了良好的經(jīng)濟效果。

汽車變截面鋼板彈簧的變截面彈簧片雖然形狀不算復(fù)雜，但長而薄，利用自由鍛、模鍛等加工方法成形較難。精密輥鍛工藝可以很好地解決這一問題。20世紀(jì)90年代中期，吉大輥鍛所開展了變截面板簧片精密輥鍛工藝及其模具CAD/CAM的研究，成功地研制出了變截面板簧精密輥鍛成形自動化裝置，成果很快在全國大面積推廣應(yīng)用，技術(shù)市場占有率在53%以上，并建立了多家專業(yè)化的變截面板簧生產(chǎn)廠。

鐵路貨車鉤尾框展開后尺寸長，厚度小，采用輥鍛制坯，解決了其制坯困難、效率低、質(zhì)量差等問題。北京機電研究所率先研發(fā)了17型鐵路貨車鉤尾框精密輥鍛+摩擦壓力機模鍛成形技術(shù)?，F(xiàn)今，北京機電研究所和吉大輥鍛所在全國二十幾個廠家推廣應(yīng)用了該技術(shù)，并實現(xiàn)了17型和13B型鉤尾框輥鍛制坯成形。目前，正在研發(fā)1200輥鍛機和16型鉤尾框的輥鍛成形工藝。

在農(nóng)機具行業(yè)，輥鍛工藝同樣占據(jù)很重要的地位。通過輥鍛制坯或成形可以高效、高質(zhì)量地生產(chǎn)墾鋤、園藝鍬、鎬頭、鋼叉、犁刀等。聯(lián)合收割機護刃器通過輥鍛制坯+模鍛成形工藝，使其在我國可以大批量的利用鍛件替代鑄件，并遠(yuǎn)銷國外。機引犁鏵輥鍛工藝的研制成功，解決了橫向不對稱工件輥鍛時產(chǎn)生側(cè)彎、板片類工件展寬與延伸變形協(xié)調(diào)等技術(shù)難題，現(xiàn)已建成多條犁鏵輥鍛生產(chǎn)線。

扳鉗工具中的扳手柄、鉗柄可用輥鍛工藝來拔長；大中型麻花鉆可用輥鍛成形直接制出直槽和刃部，然后在扭轉(zhuǎn)機上扭成麻花狀，此工藝不僅可節(jié)省大量貴重的合金工具鋼，而且還提高了鉆頭的耐用度；醫(yī)用鑷子采用冷輥鍛成形，與熱鍛相比可提高生產(chǎn)率20倍，降低成本30%，而且產(chǎn)品組織致密、彈性更好；寶劍以及餐具中的刀、叉、勺也普遍采用了冷輥鍛、熱輥鍛制坯或直接成形。

葉片是汽輪機、透平壓縮機及渦輪增壓器等動力機械中的主要零件，利用輥鍛技術(shù)替代切削加工來制造葉片，使其材料利用率提高了5倍，生產(chǎn)效率提升了2～4倍；替代模鍛工藝制坯制造葉片，使設(shè)備噸位降低了70%。

輥鍛工藝未來的研究與發(fā)展方向

輥鍛技術(shù)在空心件中的應(yīng)用

輥鍛技術(shù)在實心件制造方面取得了成熟的研究及廣泛的使用，但在空心件輥鍛方面的研究和應(yīng)用還是空白，空心件輥鍛完整理論體系還沒有建成。隨著汽車輕量化的要求，空心件在汽車行業(yè)的應(yīng)用將會獲得長足發(fā)展。經(jīng)過我們的努力，輥鍛技術(shù)在空心件方面的研究及應(yīng)用也取得了一些成果。我們對厚壁空心件輥鍛工藝進行研究，開創(chuàng)了國內(nèi)對厚壁空心件輥鍛工藝研究的先河，為厚壁空心件的輥鍛理論建設(shè)提供了第一手資料。此技術(shù)在汽車后橋殼、半軸套管等的生產(chǎn)中具有廣闊的市場前景。此技術(shù)與機械熱脹形工藝配合，將實現(xiàn)后橋殼整體無焊縫成形，可大幅度提高后橋殼的成形質(zhì)量、使用性能，提升生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

輥鍛技術(shù)在有色金屬成形中的應(yīng)用

輥鍛技術(shù)在鋼鐵材料的成形中的應(yīng)用已初步成熟，其在有色金屬材料成形中的應(yīng)用才剛剛開始。隨著我國節(jié)能減排的深入，輕合金在我國的應(yīng)用將越來越廣泛，其中，鋁合金的應(yīng)用量最大、最廣泛。我國系統(tǒng)的鋁合金材料輥鍛工藝?yán)碚撨€沒有，這需要我國學(xué)者共同努力來建設(shè)。

現(xiàn)今，輥鍛在有色金屬中的應(yīng)用主要集中在汽車鋁合金控制臂的輥鍛制坯中。在有色金屬中，鋁合金占有極其重要的位置，已開始在我們?nèi)粘Ｉ?、生產(chǎn)中大量使用。然而，鋁合金輥鍛的研究才剛剛開始，還沒有形成具體、系統(tǒng)的理論?，F(xiàn)今，我們已對鋁合金的輥鍛進行了初步的研究，研究了在模具設(shè)計中對前滑值選取的規(guī)律，分析了輥鍛速度、坯料變形溫度等方面鋁合金輥鍛變形的規(guī)律。這為我國鋁合金輥鍛理論的建設(shè)提供了第一手的資料，為鋁合金輥鍛模具的設(shè)計提供了參考。隨著汽車輕量化的不斷深入，鋁合金將在汽車產(chǎn)業(yè)革命中起重要作用，鋁合金輥鍛將來必定在鋁合金成形中占有重要地位。

輥鍛技術(shù)應(yīng)用的擴展

輥鍛技術(shù)目前仍然局限于體積成形范疇，屬于鍛造技術(shù)的一個分支。為了擴展輥鍛技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，需要嘗試輥鍛技術(shù)與其他技術(shù)的融合，形成交叉學(xué)科。目前，吉大輥鍛所正在開發(fā)變截面輥壓—輥鍛技術(shù)，將輥鍛技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域拓展到板材成形領(lǐng)域。輥鍛技術(shù)在變截面生產(chǎn)中具有優(yōu)勢，輥壓技術(shù)適合于等截面型材生產(chǎn)，將兩種技術(shù)融合，實現(xiàn)板材變截面成形，為變截面冷彎成形開發(fā)出一條全新的道路。