厚壁扁盘类环形件轧制应用探讨
来源:机电一体化
摘 要：本文就径轴向轧制生产厚壁扁盘类不锈钢环形件开展了技术探讨，通过对轧制材料冶金特点以及对变形机理的计算机模拟分析，在试制过程中合理控制了环坯的尺寸和壁厚均匀性，交付合格锻件。为后续类似难变形合金钢的轧制提供了可鉴经验。
关键词：环件；轧制；模拟；试制
中图分类号：TG306 文献标志码：A
0 引言
环件轧制是一种生产各种无缝环形件的先进制造技术和主要加工方法，它是通过局部连续轧制的方法，将小直径大截面的环形毛坯逐渐辗扩成大直径小截面的环形件。在以往径轴向轧制生产1Cr17Ni2不锈钢环件时，多次出现成品超差问题。不合格特征主要表现为内径尺寸超上差，外径尺寸超下差，而且端面出现较大的沟槽，其中个别产品出现严重的蝶形翘曲。
1 原因分析与措施
1.1 材料锻造特性和锻件特点
锻件材料为1Cr17Ni2钢，属于马氏体-铁素体型不锈钢。根据零件图和机加工艺要求，设计的锻件图外径名义尺寸Φ885mm，内径Φ588mm，高度50mm。单面加工余量分别为7mm3、8mm3和13mm3。环件壁厚尺寸148.5mm，远大于高度尺寸，属于厚壁扁盘类轧环件。锻件设计时已尽量减少内外径余量，高度余量较大是受锻压设备要求限制。
1.2 轧制变形分析
现有锻造工艺荒坯尺寸为Φ689mm×Φ270mm×60mm，按根据滑移线理论和平板轧制模型以及塑性锻透条件公式计算，锻件的锻透条件为每转进给量△h≥1.55mm，△h/h=0.74%；该计算公式假设高度尺寸无限大，且上下轧辊直径相同，这与该锻件轧制时的实际情况差别较大。
采用计算机模拟技术，对塑性区进行模拟。参考有关文献资料，当内侧、外侧塑性区重合，且心部等效应变值达到0.2时，则认为坯料被锻透。在构建轧制锻透模型时，可以忽略环件的旋转运动，故在处理边界条件时，只需设置芯辊沿着径向方向的直线进给运动，芯辊其他5个方向的自由度及驱动辊6个方向的自由度都被约束。径向进给速度设置为1mm/s，随着芯辊的进给，内外侧塑性区逐渐扩大。当经过20s轧制，径向进给距离为20mm时，中心部分等效应变才接近0.20，此时△h/h≈10%。根据生产经验，与公式计算的0.74%相比，模拟的结果10%更接近金属锻透的实际情况。环件被拖曳并进入孔型，需要满足咬入条件。经计算，此时△h≤9.9mm。
可见，采用现有环坯轧制成品锻件时，一开始环坯被不断咬入，塑性区无法穿透整个壁厚，中心部位金属不能进行有效的周向伸长，环件外径无法匀速长大。另外，塑性变形区类似于镦粗工序，当壁厚远大于轴向高度尺寸时，变形区容易失稳，出现双鼓形进而导致环件翘曲和心部折叠等缺陷。
1.3 试验方案
环件壁厚/高度之比大于2.5，从内径、外径两侧打击环坯金属时心部不易变形，内外两侧金属流动较快且展宽较大，最终端面易出现凹槽。共制定两种试验方案。
2 投产试验
2.1 试验用原材料
将按材料标准提供的规格Φ250mm的1Cr17Ni2不锈钢材料锻棒回火后并进行了车光，棒材硬度、性能复验合格，满足技术条件要求。
2.2 试制过程
投产数量两件，料段规格尺寸Φ255mm×392mm。生产前与对操作班组进行工艺宣贯，明确试验目的是为了解决轧制时翘曲和尺寸超差问题，工艺措施是减少环坯壁厚、增加环坯高度。
第一火：镦粗并冲孔
加热保温后镦粗至100mm。为了使冲孔后壁厚均匀，滚圆饼坯，整平端面后压窝并冲孔。测量环坯尺寸：外径Φ517mm～Φ523mm，壁厚194mm～198mm，高度99mm。
第二火：扩孔
采用固定马架，依次使用马棒和大半圆进行扩孔。扩孔后1#件内孔尺寸约Φ275mm，2#件内孔尺寸约Φ285mm，荒坯端面出现凹槽，内侧高度约110mm，外侧高度约105mm。
第三火：整形
对于外径较大，壁厚较大的荒坯，采用开板进行局部整形。将开板放置在荒坯端面，在上砧的打击下局部整形后，用锤砧整体打平端面，再依次将整个端面进行整平。此时荒坯上端面外径尺寸大于下端面外径尺寸。然后翻转荒坯，用同样方法对另一个端面进行整形。测量不同部位的内径尺寸，对内径较小的方向通过前后进给进行拔长，以控制环坯的圆度。为了试验环坯高度对轧制的影响，将1#件高度整形至70mm，2#件高度整形至75mm。最终1#件实测尺寸：内孔Φ290mm～Φ295mm，外径Φ650mm～Φ645mm，高度71mm～71.3mm，2#件实测尺寸：内孔Φ302mm～Φ305mm，外径Φ640mm～Φ632 mm，高度74.6mm～75mm。
第四火：轧制
成品锻件高度为50mm±5mm，内径，外径，名义壁厚148.5mm。轧制后期塑形区无法穿透壁厚，导致内径尺寸增加、端面靠近内孔处展宽较大，严重时导致锻件尺寸超差而报废，故轧制时需要协调径向和轴向的轧制量。为了防止轧制时环坯爬辊和翘曲，需要采用手动抬锥辊，使锥辊在整个轧制过程中对环件一直具有压紧作用。监控操作面板中中径和内径的数值，一旦因操作不当致使其差值（等于壁厚尺寸）小于150mm，应立即停止轧制，待重新修整环坯后继续轧制。
3 结果分析
通过投产试验，对该典型件的轧制难点分析是准确的，制定的措施有效，很好地解决了锻件易出现的问题。通过控制环坯的尺寸和壁厚均匀性，掌握合理的轧制方法，可以交付出合格锻件。荒坯高度75mm的工艺方案，便于制坯，但轧制时的径向进给量较小（约18.5mm）；荒坯高度70mm的工艺方案，轧制径向进给量相对大一些（约27.5mm）。后者虽然给轧制操作者径向进给留出了足够时间，但径向锻透相比会更困难，易出现锻件翘曲和外径长大缓慢的问题，为达到最终锻件尺寸，内孔尺寸会较大，且制坯时扩孔和整平难度相对较大。当高度轧制量较小，待高度达到目标尺寸时，环件外径尺寸还比目标尺寸小约60mm，此时重新加载径向轧制力，结果内孔尺寸相对较大，且端面沟槽明显，深度2.2mm～2.7mm，需要较长轧制时间才获得合格的外径尺寸。手动抬辊，轧制的整个过程中锥辊一直对环件施加约束作用，故环件未发生爬辊和翘曲现象。
结论
（1）环坯设计时要求环坯的壁厚必须大于目标环轧件的壁厚，且要预留一定的径向轧制量，否则环件无法咬入。
（2）荒坯高度75mm，内径约300mm的制坯方案较好，可正式纳入工艺文件，易于获得形状尺寸合格的锻件。
（3）采用轴向大变形的终成形方式，可为径向无法锻透的厚壁扁盘类环形件轧制成形提供借鉴。
参考文献
[1]华林，赵仲治，王华昌.环件轧制原理和设计方法[J].机械工程学报，1996，32（6）：66-70.
[2]华林.环件轧制成形规律和毛坯设计方法[J].农业机械学报，1994.25（1）：92-97.
[3]华林，梅雪松，吴序堂.轧环机进给速度設计[J].机械制造，1998（8）：15-16.
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关键词：环件；轧制；模拟；试制
中图分类号：TG306 文献标志码：A
0 引言
环件轧制是一种生产各种无缝环形件的先进制造技术和主要加工方法，它是通过局部连续轧制的方法，将小直径大截面的环形毛坯逐渐辗扩成大直径小截面的环形件。在以往径轴向轧制生产1Cr17Ni2不锈钢环件时，多次出现成品超差问题。不合格特征主要表现为内径尺寸超上差，外径尺寸超下差，而且端面出现较大的沟槽，其中个别产品出现严重的蝶形翘曲。
1 原因分析与措施
1.1 材料锻造特性和锻件特点
锻件材料为1Cr17Ni2钢，属于马氏体-铁素体型不锈钢。根据零件图和机加工艺要求，设计的锻件图外径名义尺寸Φ885mm，内径Φ588mm，高度50mm。单面加工余量分别为7mm3、8mm3和13mm3。环件壁厚尺寸148.5mm，远大于高度尺寸，属于厚壁扁盘类轧环件。锻件设计时已尽量减少内外径余量，高度余量较大是受锻压设备要求限制。
1.2 轧制变形分析
现有锻造工艺荒坯尺寸为Φ689mm×Φ270mm×60mm，按根据滑移线理论和平板轧制模型以及塑性锻透条件公式计算，锻件的锻透条件为每转进给量△h≥1.55mm，△h/h=0.74%；该计算公式假设高度尺寸无限大，且上下轧辊直径相同，这与该锻件轧制时的实际情况差别较大。
采用计算机模拟技术，对塑性区进行模拟。参考有关文献资料，当内侧、外侧塑性区重合，且心部等效应变值达到0.2时，则认为坯料被锻透。在构建轧制锻透模型时，可以忽略环件的旋转运动，故在处理边界条件时，只需设置芯辊沿着径向方向的直线进给运动，芯辊其他5个方向的自由度及驱动辊6个方向的自由度都被约束。径向进给速度设置为1mm/s，随着芯辊的进给，内外侧塑性区逐渐扩大。当经过20s轧制，径向进给距离为20mm时，中心部分等效应变才接近0.20，此时△h/h≈10%。根据生产经验，与公式计算的0.74%相比，模拟的结果10%更接近金属锻透的实际情况。环件被拖曳并进入孔型，需要满足咬入条件。经计算，此时△h≤9.9mm。
可见，采用现有环坯轧制成品锻件时，一开始环坯被不断咬入，塑性区无法穿透整个壁厚，中心部位金属不能进行有效的周向伸长，环件外径无法匀速长大。另外，塑性变形区类似于镦粗工序，当壁厚远大于轴向高度尺寸时，变形区容易失稳，出现双鼓形进而导致环件翘曲和心部折叠等缺陷。
1.3 试验方案
环件壁厚/高度之比大于2.5，从内径、外径两侧打击环坯金属时心部不易变形，内外两侧金属流动较快且展宽较大，最终端面易出现凹槽。共制定两种试验方案。
2 投产试验
2.1 试验用原材料
将按材料标准提供的规格Φ250mm的1Cr17Ni2不锈钢材料锻棒回火后并进行了车光，棒材硬度、性能复验合格，满足技术条件要求。
2.2 试制过程
投产数量两件，料段规格尺寸Φ255mm×392mm。生产前与对操作班组进行工艺宣贯，明确试验目的是为了解决轧制时翘曲和尺寸超差问题，工艺措施是减少环坯壁厚、增加环坯高度。
第一火：镦粗并冲孔
加热保温后镦粗至100mm。为了使冲孔后壁厚均匀，滚圆饼坯，整平端面后压窝并冲孔。测量环坯尺寸：外径Φ517mm～Φ523mm，壁厚194mm～198mm，高度99mm。
第二火：扩孔
采用固定马架，依次使用马棒和大半圆进行扩孔。扩孔后1#件内孔尺寸约Φ275mm，2#件内孔尺寸约Φ285mm，荒坯端面出现凹槽，内侧高度约110mm，外侧高度约105mm。
第三火：整形
对于外径较大，壁厚较大的荒坯，采用开板进行局部整形。将开板放置在荒坯端面，在上砧的打击下局部整形后，用锤砧整体打平端面，再依次将整个端面进行整平。此时荒坯上端面外径尺寸大于下端面外径尺寸。然后翻转荒坯，用同样方法对另一个端面进行整形。测量不同部位的内径尺寸，对内径较小的方向通过前后进给进行拔长，以控制环坯的圆度。为了试验环坯高度对轧制的影响，将1#件高度整形至70mm，2#件高度整形至75mm。最终1#件实测尺寸：内孔Φ290mm～Φ295mm，外径Φ650mm～Φ645mm，高度71mm～71.3mm，2#件实测尺寸：内孔Φ302mm～Φ305mm，外径Φ640mm～Φ632 mm，高度74.6mm～75mm。
第四火：轧制
成品锻件高度为50mm±5mm，内径，外径，名义壁厚148.5mm。轧制后期塑形区无法穿透壁厚，导致内径尺寸增加、端面靠近内孔处展宽较大，严重时导致锻件尺寸超差而报废，故轧制时需要协调径向和轴向的轧制量。为了防止轧制时环坯爬辊和翘曲，需要采用手动抬锥辊，使锥辊在整个轧制过程中对环件一直具有压紧作用。监控操作面板中中径和内径的数值，一旦因操作不当致使其差值（等于壁厚尺寸）小于150mm，应立即停止轧制，待重新修整环坯后继续轧制。
3 结果分析
通过投产试验，对该典型件的轧制难点分析是准确的，制定的措施有效，很好地解决了锻件易出现的问题。通过控制环坯的尺寸和壁厚均匀性，掌握合理的轧制方法，可以交付出合格锻件。荒坯高度75mm的工艺方案，便于制坯，但轧制时的径向进给量较小（约18.5mm）；荒坯高度70mm的工艺方案，轧制径向进给量相对大一些（约27.5mm）。后者虽然给轧制操作者径向进给留出了足够时间，但径向锻透相比会更困难，易出现锻件翘曲和外径长大缓慢的问题，为达到最终锻件尺寸，内孔尺寸会较大，且制坯时扩孔和整平难度相对较大。当高度轧制量较小，待高度达到目标尺寸时，环件外径尺寸还比目标尺寸小约60mm，此时重新加载径向轧制力，结果内孔尺寸相对较大，且端面沟槽明显，深度2.2mm～2.7mm，需要较长轧制时间才获得合格的外径尺寸。手动抬辊，轧制的整个过程中锥辊一直对环件施加约束作用，故环件未发生爬辊和翘曲现象。
结论
（1）环坯设计时要求环坯的壁厚必须大于目标环轧件的壁厚，且要预留一定的径向轧制量，否则环件无法咬入。
（2）荒坯高度75mm，内径约300mm的制坯方案较好，可正式纳入工艺文件，易于获得形状尺寸合格的锻件。
（3）采用轴向大变形的终成形方式，可为径向无法锻透的厚壁扁盘类环形件轧制成形提供借鉴。
参考文献
[1]华林，赵仲治，王华昌.环件轧制原理和设计方法[J].机械工程学报，1996，32（6）：66-70.
[2]华林.环件轧制成形规律和毛坯设计方法[J].农业机械学报，1994.25（1）：92-97.
[3]华林，梅雪松，吴序堂.轧环机进给速度設计[J].机械制造，1998（8）：15-16.
整理收集：机电一体化杂志机
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