環(huán)件軋制技術(shù)發(fā)展及未來(lái)研究方向

呂明樺，邢兆賀

（山東建筑大學(xué)，濟(jì)南250101）

1 引言

環(huán)件軋制又稱(chēng)環(huán)件輾擴(kuò)或擴(kuò)孔，是借助輾環(huán)機(jī)使環(huán)件壁厚減小、直徑擴(kuò)大、界面輪廓成形的塑性加工工藝[1]。環(huán)件軋制成形是用于制造無(wú)縫環(huán)形零件的連續(xù)局部塑性變形技術(shù)，由于可以滿(mǎn)足環(huán)件對(duì)精確、高效、節(jié)能和數(shù)字化的制造要求，逐步取代了初期工藝生產(chǎn)效率低、尺寸精度差、后續(xù)機(jī)加工量大，而且浪費(fèi)材料的鍛造→沖孔→馬架擴(kuò)孔的生產(chǎn)工藝[2]。環(huán)件軋制技術(shù)隨后在火電、風(fēng)電、水電、火車(chē)、船舶、冶金設(shè)備、石油化工、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)環(huán)件的質(zhì)量要求越來(lái)越高，對(duì)大尺寸環(huán)件的需求量越來(lái)越大，而環(huán)形零件多在高溫、高壓、腐蝕等苛刻條件下服役，其對(duì)環(huán)件的組織性能要求十分嚴(yán)格，傳統(tǒng)成形工藝已不能滿(mǎn)足工業(yè)快速發(fā)展的要求，環(huán)件軋制技術(shù)是環(huán)形零件生產(chǎn)的必然選擇。

2 環(huán)件軋制原理

圖1 為環(huán)件徑軸向軋制原理示意圖，徑軸向環(huán)件軋制中的驅(qū)動(dòng)輥為主動(dòng)輥，帶動(dòng)環(huán)件作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；芯輥為從動(dòng)輥，作從動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并且同時(shí)作向驅(qū)動(dòng)輥方向的直線(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；軸向錐輥為主動(dòng)輥，并沿軸向作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而使環(huán)件產(chǎn)生壁厚減小、軸向高度減小、直徑增大、截面輪廓成形。導(dǎo)向輥為可自由轉(zhuǎn)動(dòng)的從動(dòng)輥，它以一定的力抱住環(huán)件，保證環(huán)件的平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 徑軸向環(huán)件軋制示意圖

3 環(huán)件軋制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展

環(huán)件軋制技術(shù)是伴隨著鐵路運(yùn)輸業(yè)而發(fā)展起來(lái)的。19 世紀(jì)中期開(kāi)始，鐵路運(yùn)輸業(yè)得到迅速發(fā)展，火車(chē)運(yùn)載量和運(yùn)行速度都得到了大幅度提高，鑄態(tài)組織車(chē)輪無(wú)法滿(mǎn)足火車(chē)高速重載的使用要求，于是人們?cè)阼T鐵車(chē)輪上裝備性能更好的、可更換的鋼質(zhì)輪箍。在1842 年，英國(guó)建造了世界上首臺(tái)輾環(huán)機(jī)，它的出現(xiàn)標(biāo)志著環(huán)件軋制成形技術(shù)的開(kāi)始。隨后，環(huán)件軋制技術(shù)在其他環(huán)形零件生產(chǎn)中逐漸得到了推廣應(yīng)用。這項(xiàng)新技術(shù)的產(chǎn)生吸引了國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者進(jìn)行深入研究，研究的方面主要集中在實(shí)驗(yàn)研究、理論研究、有限元模擬研究。

3.1 實(shí)驗(yàn)研究

環(huán)件軋制技術(shù)出現(xiàn)的早期主要依靠的是實(shí)驗(yàn)研究。20 世紀(jì)60 年代，英國(guó)學(xué)者W.Johnosn 等率先開(kāi)展了環(huán)件軋制的實(shí)驗(yàn)研究[3]。環(huán)件軋制成形技術(shù)從20 世紀(jì)中期開(kāi)始引入我國(guó)，主要應(yīng)用于軸承套圈和汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪齒圈以及差速器從動(dòng)錐齒輪毛坯的生產(chǎn)。在20 世紀(jì)80 年代涌現(xiàn)出環(huán)件冷輾擴(kuò)成形的新技術(shù)[4]，冷輾擴(kuò)加工技術(shù)使得在常溫下利用金屬材料的塑性變形來(lái)獲得所需的形狀和尺寸零件成為可能。隨著市場(chǎng)的需求增加及高新技術(shù)的發(fā)展，輾環(huán)機(jī)也不斷地更新?lián)Q代，如今德國(guó)最新生產(chǎn)的RAW2500/1250-16000/3000 的徑-軸向輾環(huán)機(jī)可軋制出直徑16m，高度達(dá)3m，重量達(dá)百?lài)嵓?jí)的超大型環(huán)鍛件。

3.2 理論研究

只對(duì)環(huán)件軋制技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究存在片面性，深入理論研究對(duì)環(huán)件軋制技術(shù)的發(fā)展有著重要的作用。從20 世紀(jì)60年代開(kāi)始就有學(xué)者對(duì)環(huán)件軋制技術(shù)進(jìn)行了理論研究。由于客觀(guān)條件的限制，當(dāng)時(shí)的研究方向主要是近似和經(jīng)典塑性成形理論，其解析計(jì)算方法主要有滑移線(xiàn)法、流函數(shù)法和上限法等。后來(lái)華林在其著作《環(huán)件軋制理論和技術(shù)》中從靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)等方面闡述了環(huán)件軋制成形原理、金屬流動(dòng)規(guī)律、力能計(jì)算方法等，建立了環(huán)件軋制理論體系，為環(huán)件軋制技術(shù)的研究起到巨大的推動(dòng)作用。

3.3 有限元模擬研究

單一的采用實(shí)驗(yàn)的研究方法存在著工作量大、成本高、材料浪費(fèi)嚴(yán)重等關(guān)鍵問(wèn)題，采用理論計(jì)算的分析方法無(wú)法提供軋制過(guò)程中環(huán)件內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度場(chǎng)等信息。隨著計(jì)算機(jī)的問(wèn)世和數(shù)值模擬技術(shù)的產(chǎn)生，有限元法在環(huán)件軋制研究中已經(jīng)起到非常重要的作用。利用商業(yè)有限元軟件，建立符合實(shí)際生產(chǎn)的環(huán)件軋制有限元模型，將大量反復(fù)試驗(yàn)在計(jì)算機(jī)上模擬完成，已成為研究與發(fā)展徑軸向環(huán)件軋制技術(shù)，生產(chǎn)高質(zhì)量、低成本、短周期、自主創(chuàng)新地實(shí)現(xiàn)精密環(huán)件產(chǎn)品的強(qiáng)有力工具[5]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展、塑性成形理論和有限元理論的逐步完善，利用計(jì)算機(jī)模擬環(huán)件軋制成形過(guò)程，各種解析或半解析方法中存在的不足將會(huì)不斷得到彌補(bǔ)，以后對(duì)環(huán)形零件的生產(chǎn)能夠提供更可靠的指導(dǎo)。

4 環(huán)件軋制技術(shù)未來(lái)研究方向

環(huán)件軋制成型技術(shù)是生產(chǎn)鍛態(tài)組織超大型環(huán)件的唯一工藝方法[6]。對(duì)于生產(chǎn)數(shù)十噸、上百?lài)嵉某笮铜h(huán)件，如果采用試驗(yàn)的方法，勢(shì)必會(huì)造成巨大材料和成本的浪費(fèi)。利用有限元分析平臺(tái)建模仿真分析，能夠有效地為超大型環(huán)件軋制工藝設(shè)計(jì)方法提供指導(dǎo)，未來(lái)利用計(jì)算機(jī)模擬環(huán)件軋制成形將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

有限元法雖然得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，但有限元軟件仍不夠完善，建立適用于環(huán)件熱軋制成形的本構(gòu)模型和組織演變模型，開(kāi)發(fā)穩(wěn)健、高效的有限元算法與組織演變仿真方法，為成形過(guò)程宏觀(guān)和微觀(guān)建模仿真提供有效途徑。

面向風(fēng)電、核電、石油化工、航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域的可軋溫度范圍窄的材料、難變形材料環(huán)件以及高性能超大型、復(fù)雜環(huán)件熱軋制成形技術(shù)，是未來(lái)研究發(fā)展的重要方向。

對(duì)于大型、超大型、復(fù)雜異形、難變形材料環(huán)件，如何實(shí)現(xiàn)多軋輥運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)匹配控制、穩(wěn)定軋制、成形成性一體調(diào)控是將來(lái)需要進(jìn)一步深入開(kāi)展的研究方向。

5 結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究、理論研究和有限元仿真模擬等方式對(duì)環(huán)件軋制技術(shù)進(jìn)行了一系列研究，推動(dòng)了環(huán)件軋制技術(shù)的發(fā)展。環(huán)件軋制技術(shù)從開(kāi)始的生產(chǎn)火車(chē)輪箍，到現(xiàn)在環(huán)件軋制技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。隨著環(huán)件軋制技術(shù)不斷走向成熟，高質(zhì)量環(huán)形零件勢(shì)必會(huì)不斷涌現(xiàn)，這也將會(huì)不斷推動(dòng)高端裝備的快速發(fā)展。