陳 洪 王雷剛 錢喜根 吳君三 范 禹

(1.江蘇大學材料科學與工程學院，江蘇 212013；2.張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司，江蘇 215600)

大型環(huán)鍛件不僅用于大型風電機組軸承和風塔法蘭，在石油化工壓力容器、港口機械塔吊回轉(zhuǎn)支承、重型燃汽輪機組環(huán)件、核電機組環(huán)件、大型運載火箭倉體等也有著廣泛的應(yīng)用。這些環(huán)鍛件大多是直徑5 m以上的超大型環(huán)件或重量在15 t以上的超重型環(huán)件，其性能質(zhì)量對于大型能源、石化和武器裝備的性能壽命有著決定性的影響。大型環(huán)鍛件的生產(chǎn)工藝為：原材料的采購→原材料的檢測→下料→加熱→制坯→軋環(huán)→熱處理→性能檢測→機械加工，其中軋環(huán)是最為關(guān)鍵的一道工序。環(huán)件徑軸雙向軋制是通過對環(huán)坯徑向和軸向施加壓力，造成材料連續(xù)局部變形，使環(huán)形坯料的直徑不斷增大，壁厚逐漸減薄，截面輪廓逐漸達到所需形狀的一種先進塑性加工技術(shù)。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)備能較快成形為幾何精度高、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)濟優(yōu)點。故環(huán)件徑軸雙向軋制已成為生產(chǎn)鈦合金、高溫合金等難變形材料復雜截面環(huán)件的首選加工工藝，在航空、航天、能源、交通等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

1 環(huán)件軋制原理[1,2]

環(huán)形零件的輾擴原理為主輥旋轉(zhuǎn)帶動環(huán)形坯旋轉(zhuǎn)，環(huán)形坯再帶動芯輥旋轉(zhuǎn)，同時主輥與芯輥間的中心距離逐漸縮小，而環(huán)形坯的直徑逐漸擴大，高度逐漸減小，直到形成所需要的截面形狀。由錐輥控制環(huán)件高度，抱輥誘導工件成圓并增加輾擴穩(wěn)定性。如圖1所示。其成圓原理為不在同一條直線上的三點唯一確定一個圓。主輥和兩個抱輥即相當于不在同一條直線上的三點，可以唯一確定一個圓，所以兩個抱輥是成圓的關(guān)鍵。隨著芯輥壓進量的不斷增大，環(huán)件的圓度是在不斷變化的。當環(huán)件達到預定尺寸時，最終的成圓是由主輥和兩個抱輥這三點確定的。

圖1 環(huán)件軋制示意圖Figure 1 The schematic drawing of ring rolling

2 軋制偏心現(xiàn)象分析[3,4]

實際生產(chǎn)中，環(huán)件軋制常常會出現(xiàn)偏心的現(xiàn)象，即環(huán)件沒有成圓，從而使產(chǎn)品成為廢品。針對這一現(xiàn)象，現(xiàn)應(yīng)用上述的環(huán)軋原理對環(huán)件軋制偏心現(xiàn)象作如下分析。

2.1 幾何分析

由環(huán)件軋制原理可知，環(huán)件和兩個抱輥有兩個接觸點，和驅(qū)動輥有一個接觸點，這3個點確定了環(huán)件的外圓。根據(jù)三點定圓定理可建立驅(qū)動輥和兩個抱輥的工作模型(如圖2所示)。

弧a是抱輥的運動軌跡，圖中分別顯示了軋制?2 m、?3 m、?4 m和?5 m環(huán)件時驅(qū)動輥和兩個抱輥的相對位置。當軋制?2 m的環(huán)件時，A、B、C三點就可以唯一確定環(huán)件的圓度。但是，隨著環(huán)件直徑的不斷增大，驅(qū)動輥和兩個抱輥將趨于在同一條直線上，當環(huán)件的直徑足夠大時，主輥和兩個抱輥將近似在同一條直線b上。若主輥和兩個抱輥三點近似的在同一直線上，這時就不能唯一的確定環(huán)件的圓度，即出現(xiàn)偏心現(xiàn)象。

由此可以得出結(jié)論：軋制環(huán)件時，環(huán)件的直徑越大，出現(xiàn)偏心的可能性就越大。當環(huán)件的直徑大到使得主輥和兩個抱輥近似在同一直線上時，抱輥就起不到誘導成圓的作用了。隨著直徑的增大，兩抱輥之間的張角增幅是很大的。圖3和圖4分別為?3 m和?5 m環(huán)件軋制時兩抱輥間的夾角。

2.2 力學分析

圖5和圖6分別為?3 m和?5 m環(huán)件的受力分析簡圖。環(huán)件軋制過程中，環(huán)件受到了抱輥施加的力F。但是，起到誘導環(huán)件成圓的力是力F在環(huán)件徑向上的分力f。且

f=Fcosθ

式中θ——力F與力f之間的夾角。

隨著環(huán)件直徑的增大，θ也在逐漸的增大。由上式可知，θ逐漸增大，力f會逐漸減小。也就是說，當環(huán)件直徑增大時，誘導環(huán)件成圓的力f在減小，出現(xiàn)偏心的可能性在增大。

3 結(jié)論

(1)通過幾何分析可知隨著環(huán)件軋制的進行，環(huán)件直徑不斷增大，當環(huán)件的直徑大到使得主輥和兩個抱輥近似在同一直線上時，抱輥就起不到誘導成圓的作用。因此可加長抱輥的支撐桿，盡量減小兩個抱輥之間的張角，或者也可適當增大抱輥的直徑或減小主輥直徑來保證三點定圓和足夠大的誘導成圓力。

圖2 驅(qū)動輥與抱輥工作模型Figure 2 Working model of drive roller and guide roller

圖3 ?3 m環(huán)兩抱輥間的夾角Figure 3 Angle between guide rollers for ?3 m ring

圖4 ?5 m環(huán)兩抱輥間的夾角Figure 4 Angle between guide rollers for ?5 m ring

(2)由力學分析可知隨著環(huán)件直徑的增大，θ也在逐漸的增大，而誘導環(huán)件成圓的力f在減小。

圖5 ?3 m環(huán)件受力分析簡圖Figure 5 Force analysis diagram for ?3 m ring圖6 ?5 m環(huán)件受力分析簡圖Figure 6 Force analysis diagram for ?5 m ring

因此可增加抱輥和環(huán)件之間的摩擦力F，這樣可以抵消θ增大所帶來的影響，保證軋制過程的順利進行。而且軋制過程中芯輥、抱輥的進給要均勻，保證軋制均勻。如果溫度允許的話，進給量可以適當小一點。

[1] 蘭箭，李昶，魏曦，等. 定導向力環(huán)件軋制中圓度誤差變化規(guī)律的研究[J]. 金屬鑄鍛焊技術(shù)，2009，38(13): 8-12.

[2] 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.

[3] 解春雷，李尚健，黃樹槐. 輾環(huán)過程動力有限元分析中的抱輥約束[J]. 鍛壓機械，1997 (5):13-19.

[4] Forouzan M R, Salimi M, Gadala M S, et al．Guide roll simulation in FE analysis of ring rolling [J]. Journal of Materials Processing Technology, 2003, 142(1): 213-223.