環(huán)件軋制技術(shù)發(fā)展及未來研究方向

呂明樺　邢兆賀

【摘 要】環(huán)形零件的軋制成形工藝是一種局部加載連續(xù)成形的工藝，廣泛用于生產(chǎn)制造軸承環(huán)、法蘭環(huán)、燃氣輪機環(huán)、核反應(yīng)堆殼體環(huán)形構(gòu)件等各類無縫環(huán)件。環(huán)件軋制技術(shù)已成為環(huán)形零件首選成形方式，論文結(jié)合環(huán)件軋制技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展，指明了其研究方向。

【Abstract】 The rolling forming process of annular parts is a locally loaded continuous forming process， which is widely used in the manufacture of various seamless ring parts such as bearing ring， flange ring， combustion turbine ring， and nuclear reactor shell ring member. Ring rolling technology has become the preferred forming method of ring parts. This paper points out the research direction of ring rolling technology combined with the production and development of ring rolling technology.

【關(guān)鍵詞】環(huán)件軋制;有限元;仿真模擬;研究方向

【Keywords】 ring rolling; finite element; simulation; research direction

【中圖分類號】TG335 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2019）03-0154-02

1 引言

環(huán)件軋制又稱環(huán)件輾擴或擴孔，是借助輾環(huán)機使環(huán)件壁厚減小、直徑擴大、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縫環(huán)形零件的連續(xù)局部塑性變形技術(shù)，由于可以滿足環(huán)件對精確、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)機加工量大，而且浪費材料的鍛造→沖孔→馬架擴孔的生產(chǎn)工藝[2]。環(huán)件軋制技術(shù)隨后在火電、風電、水電、火車、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。隨著社會的發(fā)展，對環(huán)件的質(zhì)量要求越來越高，對大尺寸環(huán)件的需求量越來越大，而環(huán)形零件多在高溫、高壓、腐蝕等苛刻條件下服役，其對環(huán)件的組織性能要求十分嚴格，傳統(tǒng)成形工藝已不能滿足工業(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)動輥為主動輥，帶動環(huán)件作旋轉(zhuǎn)運動;芯輥為從動輥，作從動旋轉(zhuǎn)運動，并且同時作向驅(qū)動輥方向的直線進給運動;軸向錐輥為主動輥，并沿軸向作進給運動，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。導向輥為可自由轉(zhuǎn)動的從動輥，它以一定的力抱住環(huán)件，保證環(huán)件的平穩(wěn)轉(zhuǎn)動。

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)是伴隨著鐵路運輸業(yè)而發(fā)展起來的。19世紀中期開始，鐵路運輸業(yè)得到迅速發(fā)展，火車運載量和運行速度都得到了大幅度提高，鑄態(tài)組織車輪無法滿足火車高速重載的使用要求，于是人們在鑄鐵車輪上裝備性能更好的、可更換的鋼質(zhì)輪箍。在1842年，英國建造了世界上首臺輾環(huán)機，它的出現(xiàn)標志著環(huán)件軋制成形技術(shù)的開始。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。這項新技術(shù)的產(chǎn)生吸引了國內(nèi)外大量學者進行深入研究，研究的方面主要集中在實驗研究、理論研究、有限元模擬研究。

3.1 實驗研究

環(huán)件軋制技術(shù)出現(xiàn)的早期主要依靠的是實驗研究。20世紀60年代，英國學者W.Johnosn等率先開展了環(huán)件軋制的實驗研究[3]。環(huán)件軋制成形技術(shù)從20世紀中期開始引入我國，主要應(yīng)用于軸承套圈和汽車發(fā)動機飛輪齒圈以及差速器從動錐齒輪毛坯的生產(chǎn)。在20世紀80年代涌現(xiàn)出環(huán)件冷輾擴成形的新技術(shù)[4]，冷輾擴加工技術(shù)使得在常溫下利用金屬材料的塑性變形來獲得所需的形狀和尺寸零件成為可能。隨著市場的需求增加及高新技術(shù)的發(fā)展，輾環(huán)機也不斷地更新?lián)Q代，如今德國最新生產(chǎn)的RAW2500/1250-16000/3000的徑-軸向輾環(huán)機可軋制出直徑16m，高度達3m，重量達百噸級的超大型環(huán)鍛件。

3.2 理論研究

只對環(huán)件軋制技術(shù)進行實驗研究存在片面性，深入理論研究對環(huán)件軋制技術(shù)的發(fā)展有著重要的作用。從20世紀60年代開始就有學者對環(huán)件軋制技術(shù)進行了理論研究。由于客觀條件的限制，當時的研究方向主要是近似和經(jīng)典塑性成形理論，其解析計算方法主要有滑移線法、流函數(shù)法和上限法等。后來華林在其著作《環(huán)件軋制理論和技術(shù)》中從靜力學、運動學、動力學等方面闡述了環(huán)件軋制成形原理、金屬流動規(guī)律、力能計算方法等，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作用。

3.3 有限元模擬研究

單一的采用實驗的研究方法存在著工作量大、成本高、材料浪費嚴重等關(guān)鍵問題，采用理論計算的分析方法無法提供軋制過程中環(huán)件內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度場等信息。隨著計算機的問世和數(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，建立符合實際生產(chǎn)的環(huán)件軋制有限元模型，將大量反復試驗在計算機上模擬完成，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)新地實現(xiàn)精密環(huán)件產(chǎn)品的強有力工具[5]。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展、塑性成形理論和有限元理論的逐步完善，利用計算機模擬環(huán)件軋制成形過程，各種解析或半解析方法中存在的不足將會不斷得到彌補，以后對環(huán)形零件的生產(chǎn)能夠提供更可靠的指導。

4 環(huán)件軋制技術(shù)未來研究方向

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]。對于生產(chǎn)數(shù)十噸、上百噸的超大型環(huán)件，如果采用試驗的方法，勢必會造成巨大材料和成本的浪費。利用有限元分析平臺建模仿真分析，能夠有效地為超大型環(huán)件軋制工藝設(shè)計方法提供指導，未來利用計算機模擬環(huán)件軋制成形將發(fā)揮越來越重要的作用。

有限元法雖然得到了長足的發(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，為成形過程宏觀和微觀建模仿真提供有效途徑。

面向風電、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、復雜環(huán)件熱軋制成形技術(shù)，是未來研究發(fā)展的重要方向。

對于大型、超大型、復雜異形、難變形材料環(huán)件，如何實現(xiàn)多軋輥運動協(xié)調(diào)匹配控制、穩(wěn)定軋制、成形成性一體調(diào)控是將來需要進一步深入開展的研究方向。

5 結(jié)語

國內(nèi)外學者通過實驗研究、理論研究和有限元仿真模擬等方式對環(huán)件軋制技術(shù)進行了一系列研究，推動了環(huán)件軋制技術(shù)的發(fā)展。環(huán)件軋制技術(shù)從開始的生產(chǎn)火車輪箍，到現(xiàn)在環(huán)件軋制技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。隨著環(huán)件軋制技術(shù)不斷走向成熟，高質(zhì)量環(huán)形零件勢必會不斷涌現(xiàn)，這也將會不斷推動高端裝備的快速發(fā)展。

【參考文獻】

【1】華林，黃興高，朱春東.環(huán)件軋制理論和技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

【2】齊會萍.環(huán)形零件輾擴成形工藝研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].機械工程學報，2014，50（14）：75-80.

【3】李春天，黃欣.環(huán)件軋制技術(shù)及其在國內(nèi)的應(yīng)用[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2004（05）：8-1.

【4】王志慧.環(huán)件軋制技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展[J].機械制造，2003，41（9）：31-33.

【5】郭靖，詹梅等.鈦合金筒形件軋-旋成形研究進展[J].中國材料進展，2016，35（04）：275-283+261.

【6】華林.超大型環(huán)件軋制理論與技術(shù)[J].鍛壓技術(shù)，2018，43（07）：17-31.