谷瑞杰，程斯祥，杜學(xué)斌，張新生，單寶德

（1.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.衡陽華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽 421001；3.國(guó)機(jī)鑄鍛機(jī)械有限公司，山東 濟(jì)南 250306）

環(huán)件徑軸向軋制成形（圖1）是通過軋輥對(duì)環(huán)件壁厚和高度的連續(xù)局部壓下作用使環(huán)件壁厚和高度逐漸減小，半徑不斷長(zhǎng)大，截面輪廓成形的工藝過程[1-3]。大型環(huán)件一般采用熱軋成形環(huán)件機(jī)械加工而成。

大型環(huán)件軋制生產(chǎn)工藝流程（圖2）包括鑄錠下料、鑄錠加熱、環(huán)件毛坯制作、環(huán)件毛坯二次加熱、環(huán)件徑軸向軋制成形、環(huán)件熱處理、環(huán)件機(jī)械加工和環(huán)件成品檢測(cè)等工藝環(huán)節(jié)。環(huán)件徑軸向軋制成形是大型環(huán)件軋制生產(chǎn)工藝流程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，作者在之前的研究中對(duì)大型環(huán)件徑軸向軋制成形工藝進(jìn)行了深入研究[4-6]。

大型環(huán)件軋制生產(chǎn)工藝流程的合理制訂對(duì)提高大型環(huán)件產(chǎn)品的加工質(zhì)量、材料利用率和生產(chǎn)效率，降低能源消耗、生產(chǎn)成本和勞動(dòng)強(qiáng)度是十分重要，其中下料體積的精確計(jì)算對(duì)于整個(gè)大型環(huán)件軋制生產(chǎn)過程都會(huì)產(chǎn)生較大影響。本文對(duì)大型環(huán)件軋制生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行系統(tǒng)分析，基于此建立大型環(huán)件軋制生產(chǎn)下料體積計(jì)算方法。本文的研究成果可以用于精確計(jì)算大型環(huán)件軋制生產(chǎn)下料體積和指導(dǎo)大型環(huán)件軋制實(shí)際生產(chǎn)流程。

1 大型環(huán)件軋制生產(chǎn)工藝流程分析

1.1 鑄錠下料

大型環(huán)件徑軸向軋制生產(chǎn)所用的原材料一般為連續(xù)鑄錠。大型環(huán)件徑軸向軋制生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的材料損耗在下料時(shí)必須予以考慮，其中包括初始毛坯一次加熱的氧化皮、環(huán)件毛坯制作的沖孔落料、環(huán)件毛坯二次加熱的氧化皮等。下料一般在帶鋸床上鋸切完成，鋸切下料的材料損耗可以按1mm～2mm鑄錠厚度考慮。在材料下料體積確定后，可以根據(jù)鑄錠的截面尺寸計(jì)算出需要的鑄錠長(zhǎng)度，然后對(duì)連續(xù)鑄錠進(jìn)行劃線，在鋸床上對(duì)其進(jìn)行鋸切下料，獲得所需的大型環(huán)件生產(chǎn)原始毛坯。

1.2 鑄錠加熱

大型環(huán)件鑄錠的加熱一般采用數(shù)控燃?xì)饧訜釥t，加熱爐必須具備熱風(fēng)循環(huán)，保證加熱爐內(nèi)的溫度均勻性。鑄錠加熱的溫度、速度和保溫時(shí)間可以較為精確的控制。鑄錠加熱必須制定嚴(yán)格的加熱路線，其中包括鑄錠單位時(shí)間的溫升、最終的加熱溫度和保溫時(shí)間等，這些參數(shù)的制定與鑄錠的材料、尺寸及其在加熱爐中的疊放方式等都有一定的關(guān)系。為了防止材料過燒，加熱升溫后期的溫升速度應(yīng)較前期稍慢。對(duì)于一般的碳鋼材料，單位時(shí)間的溫升應(yīng)該不大于200℃/h，最終加熱溫度應(yīng)該控制在1250℃左右，保溫時(shí)間必須長(zhǎng)于2h。

1.3 環(huán)坯制作

大型環(huán)件毛坯的制作（圖3）一般在鍛造壓機(jī)上完成，鑄錠長(zhǎng)度相對(duì)于鑄錠直徑必須小于3，在該工步不僅要制作出環(huán)件毛坯的形狀和尺寸，還必須完全消除鑄錠中存在的疏散和縮孔等鑄態(tài)組織缺陷。大型環(huán)件毛坯制作必須制定合理的鍛造工藝，鑄錠在高度方向和徑向的鍛造比都要大于3，以消除材料各個(gè)方向的鑄造缺陷。環(huán)坯制作的沖孔落料體積應(yīng)盡量小，以減小其材料消耗。較小的環(huán)件毛坯往往通過鐓粗和沖孔等工序就可以完成其制作，但是較大的環(huán)件毛坯除了需要鐓粗和沖孔工序外，往往還需要通過馬架擴(kuò)孔來完成其制作。

1.4 環(huán)坯二次加熱

在鍛造壓機(jī)上進(jìn)行大型環(huán)件毛坯的制作過程中，材料的溫度會(huì)下降很多，因此，一般在環(huán)件毛坯制作好后還要將其重新放入數(shù)控燃?xì)饧訜釥t中進(jìn)行二次加熱。環(huán)坯的二次加熱也要有一定的規(guī)范，其中包括環(huán)坯單位時(shí)間的溫升、最終的加熱溫度和保溫時(shí)間等，這些參數(shù)的制定同樣與環(huán)坯的材料、尺寸及其在加熱爐中的疊放方式等都有一定的關(guān)系。環(huán)坯最終加熱溫度應(yīng)該控制在1250℃左右，保溫時(shí)間必須長(zhǎng)于2h。

1.5 徑軸向軋制成形

大型環(huán)件徑軸向軋制成形過程（圖4）在數(shù)控軋環(huán)機(jī)上完成，該成形的工藝性很強(qiáng)，必須制定嚴(yán)格的軋制成形工藝路線。即使這樣，在大型環(huán)件徑軸向軋制成形過程中也往往需要適當(dāng)?shù)娜斯じ深A(yù)，在大型環(huán)件徑軸向軋制過程中必須注意觀察整個(gè)成形過程的發(fā)展，如果發(fā)現(xiàn)環(huán)件軋制過程出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象時(shí)，及時(shí)做出相應(yīng)的調(diào)整，從而使得軋制過程可以穩(wěn)定地進(jìn)行下去，直至軋制出滿足精度要求的大型環(huán)件，軋制環(huán)件的圓度偏差一般可控制在±2/1000以內(nèi)，厚度和高度偏差一般可控制在2mm以內(nèi)。

1.6 熱處理

徑軸向軋制成形大型環(huán)件的變形分布很不均勻，環(huán)件內(nèi)部存在很大的殘余應(yīng)力，必須通過熱處理手段予以消除。大型環(huán)件的熱處理可以在專用罩式電阻爐中進(jìn)行。環(huán)件熱處理要制定合理的工藝路線，環(huán)件的加熱溫度、溫升速度和保溫時(shí)間、冷卻過程等都應(yīng)符合材料的熱處理工藝規(guī)范。對(duì)于一般的碳鋼材料環(huán)件，熱處理多采用正火處理，加熱溫度控制在900℃左右，加熱和保溫總時(shí)長(zhǎng)與環(huán)件的厚度密切相關(guān)，單位厚度時(shí)長(zhǎng)可按1min/mm計(jì)算，其中保溫時(shí)間應(yīng)長(zhǎng)于2h。

1.7 機(jī)械加工

徑軸向軋制成形的大型環(huán)件必須經(jīng)過機(jī)械加工才能得到最終的大型環(huán)形零件產(chǎn)品，其中主要包括車削和鉆孔（圖5）。大型環(huán)件車削在立車上完成，為了提高材料利用率，環(huán)件內(nèi)外環(huán)面和上下端面的車削加工量應(yīng)該盡量小，但必須能夠完全消除環(huán)件外表面的不平整，同時(shí)還得能夠?qū)h(huán)件表層的氧化皮完全去除，對(duì)于成形精度較高的大型環(huán)件單邊加工余量可控制在10mm以內(nèi)。用作聯(lián)接法蘭的大型環(huán)件還需要在大型龍門數(shù)控轉(zhuǎn)床上鉆孔，為了保證聯(lián)接法蘭能夠很好安裝，孔的位置精度必須應(yīng)予保證，一般要求位置度偏差控制在?0.5mm以內(nèi)。

1.8 成品檢測(cè)

大型環(huán)形零件產(chǎn)品的檢測(cè)包括環(huán)件外觀尺寸的檢測(cè)、環(huán)件內(nèi)部缺陷的無損檢測(cè)和材料力學(xué)性能的測(cè)試等。環(huán)件外觀尺寸的檢測(cè)主要包括環(huán)件的直徑、壁厚、高度、圓度、平整度、聯(lián)接孔位置精度等。環(huán)件內(nèi)部缺陷的無損檢測(cè)可以采用超聲波和X射線，主要檢測(cè)環(huán)件內(nèi)部是否存在夾雜和折疊等影響環(huán)件性能的缺陷。如果環(huán)件還要進(jìn)行材料力學(xué)性能的測(cè)試，則在環(huán)件機(jī)械加工階段就要切取試樣，試樣切取的方位必須符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2 大型環(huán)件軋制生產(chǎn)下料體積計(jì)算

2.1 軋制成形環(huán)件體積計(jì)算

軋制成形環(huán)件體積Vr可以通過下式計(jì)算：

其中，Dr、tr、hr分別是軋制成形環(huán)件的外徑、壁厚和高度。

大型環(huán)形最終零件產(chǎn)品是軋制成形半成品環(huán)件經(jīng)過機(jī)械加工獲得，對(duì)于給定規(guī)格的大型環(huán)形零件，確定其軋制成形半成品環(huán)件外徑Dr、壁厚tr和高度hr時(shí)必須加上機(jī)械加工余量。

2.2 軋制環(huán)件毛坯體積計(jì)算

軋制環(huán)件毛坯是鍛造環(huán)坯二次加熱后去除氧化皮所得，軋制環(huán)件毛坯體積Vrb滿足：

軋制環(huán)件毛坯體積Vrb可以通過下式計(jì)算：

其中，Drb、trb、hrb分別是軋制環(huán)件毛坯的外徑、壁厚和高度，其取值可由環(huán)件軋制成形工藝確定。

2.3 鍛造成形環(huán)坯體積計(jì)算

鍛造成形環(huán)坯體積Vf可以通過下式計(jì)算：

其中，Df、tf、hf分別是鍛造成形環(huán)坯的外徑、壁厚和高度。

鍛造成形環(huán)坯的外徑Df、壁厚tf和高度hf可以通過下式計(jì)算：

其中，Δt2、Δh2分別是鍛造成形環(huán)坯二次加熱時(shí)徑向、高度方向單側(cè)氧化皮厚度，其取值與環(huán)坯材料、尺寸和二次加熱時(shí)間有關(guān)，大型碳鋼環(huán)坯可在0.5mm～1.5mm之間取值。

2.4 鍛造毛坯體積計(jì)算

鍛造毛坯是毛坯一次加熱后去出氧化皮所得，鍛造毛坯體積Vfb可以通過下式計(jì)算：

其中，Vp是沖孔落料體積。

其中，Dp、hp分別是沖孔落料的直徑和高度。鍛造毛坯體積Vfb滿足：

其中，Dfb、hfb分別是鍛造毛坯的外徑和高度，其取值可由環(huán)坯鍛造成形工藝確定。

2.5 下料體積計(jì)算

下料體積V0可以滿足：

其中，D0、h0分別下料圓坯的外徑和高度。

下料圓坯的外徑D0和高度h0可以通過下式計(jì)算：

其中，Δt1、Δh1分別是下料圓坯一次加熱時(shí)徑向、高度方向單側(cè)氧化皮厚度，其取值與毛坯材料、尺寸和一次加熱時(shí)間有關(guān)，大型碳鋼圓坯可在1mm～3mm之間取值。

連續(xù)鑄錠的下料長(zhǎng)度 可由下式確定：

其中，S0是連續(xù)鑄錠的截面積。

3 結(jié)論

本文對(duì)大型環(huán)件軋制生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行了系統(tǒng)分析，其中包括鑄錠下料、鑄錠加熱、環(huán)件毛坯制作、環(huán)件毛坯二次加熱、環(huán)件徑軸向軋制、環(huán)件熱處理、環(huán)件機(jī)械加工和環(huán)件成品檢測(cè)；建立了大型環(huán)件軋制生產(chǎn)下料體積計(jì)算方法，其計(jì)算過程包括軋制成形環(huán)件體積計(jì)算、軋制環(huán)件毛坯體積計(jì)算、鍛造成形環(huán)坯體積計(jì)算、鍛造毛坯體積計(jì)算和下料體積計(jì)算。本文的研究成果在大型環(huán)件軋制生產(chǎn)中獲得了成功應(yīng)用，提高了大型環(huán)件軋制生產(chǎn)下料體積計(jì)算精度和大型環(huán)件軋制實(shí)際生產(chǎn)工藝水平。