大型复杂环件轧制工艺发展现状与对策

文/戴玉同·张家港海陆环形锻件有限公司

马琦·武汉理工大学材料与工程学院

大型复杂环件轧制工艺发展现状与对策

文/戴玉同·张家港海陆环形锻件有限公司

马琦·武汉理工大学材料与工程学院

大型环锻件，通常是指环件尺寸和质量较大，且生产时对制坯设备及轧制设备吨位要求都很高的环形锻件。直径超过5m的超大型环件，广泛用于大型风电机组轴承和风塔法兰、石油化工压力容器、海洋工程、大型运载火箭仓体等，是大型能源、石化和武器装备的关键基础零件，其性能质量对于大型能源、石化和武器装备的性能、寿命有着决定性影响。

常见复杂环件截面有T形、内凸台、内沟槽、外凸台、外沟槽等，广泛应用于汽车工程、机械工程、冶金工程等行业。尤其是在工程、冶金、石化、机车铁路等领域中，很多环件的截面不仅不规则，而且还会有十分复杂的沟槽结构。

目前，超大型环件的传统制造方法主要有铸造成形、焊接成形。铸造成形的大型环件，晶粒粗大，组织分布不均匀，而且存在缩松、气孔等孔隙缺陷，产品机械性能较差。焊接成形的大型环件，焊缝区材料组织为铸态组织且不均匀，造成产品性能和寿命明显降低。所以，铸造成形和焊接成形的大型环件都难以满足重载和冲击载荷的工作要求。

环件轧制是一种特种轧制技术，它通过使环件毛坯产生连续局部塑性变形积累，而使其壁厚减小、直径扩大、截面轮廓成形，以获得规定形状尺寸的环件产品。环件轧制分为中、小型环件径向轧制（包括冷轧和热轧）和大型环件径轴向轧制（热轧）。

大型环件径轴向轧制成形原理如图1所示：驱动辊作旋转轧制运动，压力辊作径向进给和旋转轧制运动，导向辊作导向运动，锥辊作轴向进给和旋转轧制运动；在驱动辊、压力辊和锥辊的共同作用下，环件产生径向和轴向的连续局部回转塑性变形，通过多转变形积累，最终实现其整体截面成形和直径扩大。

图1 大型环件径轴向轧制成形原理

相比传统制造方法，大型环件径轴向轧制成形利用较小吨位设备能较快成形几何精度高、内部组织致密、金属流线分布完整的优质环件，具有节能、节材、优质、高效等技术经济优点，已成为高性能大型无缝环锻件的先进制造技术。

大型环锻件发展现状

对于大型环锻件的研究，国外发达国家如德国、英国、日本等起步较早，国外学者及企业技术人员通过长期研究，部分发达国家已掌握了大型环件轧制的核心技术，尤其是φ(5～8）m的大型环锻件轧制成形制造技术，其轧制成形环件的径向误差可控制在0.1%以下，已实现精密轧制成形制造。然而，为了制约我国重大装备制造业的自主发展，这些国家对φ5m以上超大型环件轧制技术和设备实行了战略性技术封锁和市场垄断。

早期，我国通过引进国外工艺和设备进行生产，并在此基础上进行简单技术开发和设备仿制。由于研究起步比较晚，缺乏技术理论支持，加上国外对轧制核心技术实施严格技术封锁，导致我国超大型环件发展缓慢，整体技术水平较低。

目前，国内大型环锻件制造企业已普遍采用环件轧制技术制造φ(2～5）m的大型环锻件。济南铸造锻压机械研究所已经设计制造了大型数控热轧环机30余台；填补了我国航天工业所需的高强度、高精度大型环件轧制设备的空白，西安重型机械研究所于2006年9月为西南铝业公司研制了国内首台轧制大型环件的φ5000mm径轴向数控轧环机，该设备具有大力矩、高精度、高效率、大直径和新工艺等特点。

张家港海陆环形锻件有限公司已掌握了φ(2～5）m大型环锻件制备的核心技术与批量生产的经验，其工艺流程如图2所示，我公司在建立校企产学研合作的同时，在现有的生产基础上与武汉理工大学合作开发了RAM 9000径轴向轧制设备，成功制造出国内能轧制最大壁厚为580mm的环形锻件，还生产出了国内第一件φ9m的超大型环锻件（图3）等，其轧制过程如图4所示，但是该锻件的生产并没有形成系统的产业化生产链。

但由于缺乏关键技术支撑，加之前期的开发缺乏理论技术支持，轧制工艺基本是凭经验试错确定，而大型环锻件设备对能源要求较高，直接导致研发成本较高，某种程度上打击了一些企业深入研发大型环锻件的积极性。另外，轧制过程也是通过人工控制，随机性误差以及轧制过程稳定性的控制不当，导致成形精度差、尺寸波动大，基于以上原因，国内许多企业都是通过加大切削余量来保证超大型锻件尺寸，而后续大量机械切削不仅破坏了金属组织结构流线分布，降低了产品性能，而且还大大增加了人力、物力的投入，无法满足企业对节能节材的要求。

图2 生产工艺流程

图3 φ9m的超大型环锻件

图4 φ9m环锻件轧制过程

综合以上分析可知，国内大型环锻件的生产还不能实现高性能环件精密轧制成形制造，高性能大型环件产品主要依赖进口。而对于φ5m以上大型环锻件，由于前期市场需求量不大，国内关于其轧制技术研究开发以及产业化建设处于刚刚起步的阶段，高性能超大型轧制成形环锻件几乎完全依赖进口。然而，随着国内快速发展的风电产业逐渐向着陆地大功率装机和海上装机发展，φ5m以上大型风塔法兰、风电机组回转支承等超大型环锻件市场需求量日趋增大，而其高性能自主制造也成为制约我国风电设备国产化发展的瓶颈。

复杂环锻件发展现状

复杂环锻件通常是指截面为异形的环形锻件，与矩形截面相比，复杂环锻件的轧制对于模具设计要求以及液压设备的稳定性要求都比较高。通常复杂环锻件的生产流程如下：制造模具→采购原材料→下料→加热→选用模具压机制坯→选用模具环锻辗环→探伤→热处理→机加工→理化检验→探伤→产品交付。

在以往，复杂环锻件首先必须进行试制，研发人员进行现场跟踪与指导，总结试制经验后，制定工艺进行批量生产；生产中进一步求证，如发现问题，必须找到产生问题的原因所在，作进一步调整和改进。这样实际生产过程中就主要依靠工程师长期积累的经验， 采用传统试制法， 一些关键性的设计参数要在产品制造出来之后，通过反复的调试、修改才能确定，使得产品制造周期长、成本高。

而如今，由于计算机技术以及各种有限元模拟软件的发展，使得这些问题得到了很大程度地改善。在试制之前，技术人员可以在软件中根据实际情况，依据简化和近似条件，建出轧制模型，在计算机上经过多次模拟轧制后，得出最佳轧制工艺参数，再应用到试制过程中去。

从现有的情况来看，工程、冶金、石化用复杂环锻件生产中的大量实例证明，采用这样的方法，不仅能够降低试制过程的时间和成本，而且还能够准确地预测出轮廓形状不能成形、轮廓形状出现又消失、环件翘曲、形成蝶状、端面鱼尾等缺陷，从而提前预防并对模具和其他参数及时做出修正。这样，产品的整个制造周期和成本都能够降低。

可是，由于在这些领域中的复杂环件截面的不规则性，为计算机的模拟带来了诸多不便。环件轧制涉及轧辊的直线进给运动、旋转轧制运动、导向运动以及环件自身的转动和直径扩大运动，而且轧制过程是时变的，这使得模拟环件轧制过程变得极为复杂，特别在模拟径轴向双向轧制的异形截面环件时还存在复杂的横向、纵向金属流动，这些都使得轧制过程变得更加复杂。

目前，国内外基于有限元数值仿真技术模拟异形截面环件一个生产周期内三维全过程动态轧制还鲜有报道。所以现有的试制前模拟，都必须引入一定的假设条件，对如T形、L形等较规则的复杂截面环件的预测还能获得比较准确的结果，但是对于带有复杂沟槽的复杂截面环件来说，往往还是不能带来便利。

考虑到复杂截面环锻件的模拟，能够提高环件的生产效率和降低产品价格，进而能够推动复杂截面环件在工程、冶金、石化、机车铁路等行业内得到更广泛的应用，创造更多的市场价值，因此，计算机模拟技术以及相关成形理论的研究和发展在未来肯定会得到更多的重视和发展。

此外，复杂截面环锻件在实际生产中，最容易出现的缺陷就是夹皮，就是指在压力机上锻造时产生的氧化皮、冲孔连皮，以及环件轧制时产生的氧化皮，没有被及时清理干净，结果在轧制过程中被辗入到环件内部。另外，钢锭锻造过程中的皱褶、弯曲很容易造成环件成品的内部缺陷。

由于带有夹皮的环件很容易在工作时出现应力集中的现象，因此必定会降低环件的使用寿命，甚至给生产过程带来危险。所以凡是出现此类缺陷的零件，如果不能通过机加工处理解决，一般会直接报废，这无疑会大大提高此类环件的生产成本，不利于其在工程、冶金、石化等行业领域内的应用。现有的解决办法，就是合理地制定工艺流程，采用合适的锻造设备，以及规范人工操作来降低该缺陷出现的概率。但是如果想要从根本上解决该问题，还需加大研究力度。

复杂环锻件的生产还有一个重要步骤就是热处理。矩形截面环锻件在热处理过程中，材料受热比较均匀，所以整个过程便于控制，最终得到的组织分布和晶粒大小也比较均匀。但是对于复杂截面环锻件，尤其是截面较为复杂的环锻件，材料各部分受热差异性可能较大，而且根据在工程、冶金、石化、机车铁路等行业内的用途不同，各部分热处理后得到的组织成分和性能要求也不完全相同。所以合理的热处理工艺方案的研究也显得尤为重要，图5是对φ9m超大型环件加热的热处理炉。

图5 φ9m超大型环件的热处理炉

大型复杂环锻件发展对策

重点发展大型环锻件近净成形技术

近净成形技术生产环锻件，代表着行业的先进制造水平和未来发展方向。环锻件行业技术特点体现为综合性、复合化和高精深的特点，需要金属材料学、金属塑性成形理论、精锻成形工艺、有限元数值模拟、模具结构优化设计和计算机技术等多学科知识的综合应用，体现了极高的技术含量。重点发展大型环锻件近净成形技术，应用此技术后，后续加工仅需少量加工或不再加工，同时，近净成形环锻工艺保证了产品金属流线的延续，有利于提高环锻件的疲劳强度，是高精度、轻量化、节能节材的首选。

复杂环锻件需要合理设计模具结构

复杂环锻件根据其截面形状不同在锻造时可分为一次锻造成形和多次锻造成形，绝大部分为一次锻造成形。一次锻造成形复杂环锻件的技术含量比较高，涉及工装模具的设计与改进，生产过程中的困难比较多，并非一般锻造厂能够达到的。非矩形截面环件轧制成形和矩形截面环件轧制成形不同，不仅要求通过轧制获得一定的环件直径，而且要求通过轧制获得一定的截面轮廓形状。

轧制成形一定截面轮廓的环件很不容易，而同时获得一定截面轮廓形状和一定直径的环件则更困难，图6为30t复杂环锻件。直接轧制成形复杂轮廓的环件，既提高了材料利用率，又减小了后续加工余量和加工工时消耗，具有较高的技术经济性，是环件轧制技术最有吸引力的领域和发展方向。非矩形截面环件轧制过程中，经常出现截面轮廓形状不能成形，或是已经成形的截面轮廓形状在轧制过程中又逐渐消失，还有环件截面轮廓的部分区域不能充满轧制孔形，环件整体形状出现蝶形、翘曲等各种特有现象，这些现象是非矩形截面环件轧制成形规律的客观反映。而这些问题要想得到有效解决，首先就要做到合理地设计和制造模具。

图6 30t环锻件

充分利用有限元分析软件

由于大型环件径轴向轧制是一个三维非线性、非对称、非稳态、非均匀的成形过程，且环件尺寸较大，多为贵金属材料，故轧制设备一般为大型设备，如单纯采用实验法或解析法对其进行研究，势必造成大量材料和能源的浪费。随着计算机技术和塑性理论的发展，CAD/CAE/CAM有限元法作为一种准确、高效的分析方法，应充分应用于大型环件径轴向轧制的研究中去。

充分借助计算机平台，使技术人员预知产品轧制过程中的金属流动、应力应变及温度分布等情况，为优化工艺参数和模具结构提供了一个极为有利的工具，与此同时，也减少了企业不断采用试制方法而带来的巨大研发成本。

先进技术与人才的引进

技术与人才一直以来都是企业核心竞争力的体现，只有不断引进、吸收与消化国内外前沿环轧核心技术，建立系统的持续可发展的生产理论与试验体系，并注重培养此方面的专业技术人员，建立公司内部的研发机构，通过校企合作引进指导团队，才能使企业的综合发展水平一直处于不败之地。

结束语

大型复杂环锻件生产技术的研发与应用代表着环锻行业的先进水平，未来环锻行业对更大规格、更先进能源与武器设备的发展要求会越来越高，企业应打破传统生产模式，重视可持续发展战略，攻克大型复杂环锻件生产中产生的锻件质量不稳定的难题，大力发展近净成形技术，以满足我国大型能源、机械、国防装备的发展需求。