回转锻造成形技术的应用

文/任广升·北京机电研究所

回转锻造成形技术的应用

文/任广升·北京机电研究所

回转塑性成形属于连续局部成形，其显著优点是变形载荷小，可在小设备上成形大工件。同时回转塑性成形具有节材节能，节省投资，成形精度高，可成形传统工艺无法成形的工件的特点。

回转锻造成形技术在近二十年得到了较快发展，应用范围越来越广，为我国塑性成形行业的发展作出了较大贡献。我国回转塑性成形技术应用范围较广，发展速度较快，某些单项技术已达到先进水平，但在成形精度、设备刚度和生产自动化上与先进工业化国家仍有较大差距。

回转塑性成形的概念及其分类

回转塑性成形的概念

在塑性成形过程中，工具与工件都回转或其中一方回转用于成形零件或零件毛坯的塑性加工方法称之为回转塑性成形。

回转塑性成形属于连续局部成形，某一时刻工具与工件只有一部分相互接触，由连续局部成形的积累而完成全部成形。与传统往复运动成形的方式相比，回转塑性成形过程中设备运行的大部分时间用于成形工件，用于回程与储能的时间很短。回转塑性成形时工具与工件的运动方式与材料的轧制方式有相似之处，但是轧制产品是形状相对简单的供进一步加工的原材料，如圆钢、方钢、钢管、钢板等钢材，轧制通常称为材料的一次加工，而回转塑性成形一般是以一次加工的产品为加工对象，生产各种锻件或供进一步锻造成形的预制坯，通常称为材料的二次加工。由于锻件形状复杂品种繁多，要求回转成形时工件与工具运动关系要多样化，因而出现多种回转塑性成形工艺。

回转塑性成形工艺的分类

根据回转塑性成形过程中工件与工具的运动方式及其相互关系，可将回转塑性成形工艺进行分类。按照成形原料为板料或非板料，可分为板料回转成形与体积回转成形，体积回转成形就是回转成形锻造工艺，其分类见表1。回转成形锻造工艺一般分成辊锻、斜轧、楔横轧、仿形斜轧、辗环、齿轮横轧、锥齿轮轧制、径向锻造、摆动辗压、旋转锻造，以及近年来开发的新工艺——轴向进给横轧与实心盘辗压。

表1 回转成形锻造工艺的分类表

回转成形工艺的优点

回转成形的优点在于它的成形方式——某一时刻工具与工件的接触面积只是工件的很小一部分，因此成形力很小。回转成形使工具与工件的接触面积大大减少，从而明显降低了变形力。同时，由于接触面积减小，使摩擦力对变形抗力的影响大大减轻，从而又使变形力进一步下降。在这双重作用下，回转成形变形力的值达到了最小值。

镦粗时接触面上正应力从坯料外边缘向中心逐渐上升，中心部位达到峰值，这就是摩擦峰值。显然增加部分是由摩擦与接触面长度共同作用产生的，增加值与接触面长度成正比。接触面大摩擦力相对变形抗力的影响就大，而回转成形接触面小，变形抗力就比一般塑性成形小。回转成形具有双重降低变形力的作用。一般说来，回转成形在工程上的优点可以概括为以下8点：

⑴变形载荷小，只有整体变形载荷的0.2%～10%。

⑵设备重量轻，体积小，价格便宜。

⑶近于静压变形，冲击振动小，对厂房无特殊要求，厂房造价低。

⑷产生的噪声小，有利于改善劳动条件，实现文明生产。

⑸易于实现机械化与自动化，劳动强度低。

⑹可以成形其他工艺无法或难于成形的工件。摆辗可以成形0.2mm的圆片；辗环可以成形直径10m、高6m的反应堆加强环；旋压可以成形直径5m的封头；辊弯可以成形重型汽车车厢板。

⑺产品精度高，冷摆辗精度可达0.02mm，冷精辗环可达0.05mm。

⑻易于控制变形和变形量。

回转锻造成形的应用

辊锻

先进工业国家辊锻用来为精密模锻制坯。我国除了应用辊锻制坯外，辊锻工艺还用于长轴类锻件的精密锻造上，从而形成了我国的特色。

我国应用得比较广泛的辊锻制坯领域是发动机连杆精锻与手动工具的锻造。目前大多采用带有机械手的自动辊锻机。由于自动辊锻机可以自动转换辊锻工位，生产效率与成品率大大提高，与带有步进梁的热模锻压力机组成自动化生产线，已成为我国柴油机与汽油机连杆精锻的主流生产模式，生产效率为每分钟20～40件。

在成形辊锻的应用上，最有代表性的是载重汽车前轴。我国发明了在辊锻机上经过三道次或四道次辊锻，锻件主要形状与尺寸已基本成形，只需后续整体锻造成形其中一小部分，因而可大大降低锻造设备的吨位，显著降低投资成本。这种生产模式已占我国前轴生产的80%，节约了设备投资，提高了材料利用率，降低了能源消耗。

楔横轧

楔横轧是生产阶梯轴类件的回转成形工艺，主要用于生产各种阶梯轴，也可用于为精密锻造提供材料体积分配较为精确与稳定的预制坯。我国在这两方面都有较大规模的应用。估计全国已有300台以上的楔横轧机在运转，主要为二辊立式楔横轧机，二辊轧机的最大中心距为1500mm，可轧最大轧件直径为165mm，最长轧件为1250mm。

我国载重汽车、轿车与拖拉机用变速箱中的轴类件，70%～80%是用楔横轧生产的，采用楔横轧代替模锻，提高材料利用率15%～20%，生产效率提高2～3倍，缩短了生产流程，降低了生产线投资，是阶梯轴类件生产上的一大技术进步。

楔横轧制坯已成为摩托车曲柄连杆生产的主导工艺。楔横轧代替手工自由锻制坯，提高了生产线稳定性与生产能力，提高了材料利用率，降低了废品率，降低了劳动强度。在其他复杂锻件如发动机连杆、汽车底盘悬挂系统的支撑臂生产上，楔横轧发挥了体积分配准确、稳定的优势，正在不断扩展其应用范围。

辗环

辗环是成形环件的回转成形工艺，是轴承环、齿轮环、法兰环、火车车轮及轮箍、燃气轮机环等无缝环件成形的主要工艺，在制造业上有广泛的应用前景。

辗环技术在我国得到较快发展。冷精密辗环技术已在轴承套圈生产上得到广泛应用，国产冷精密辗环机辗环精度有较大提高，内径公差可达±0.05mm，宽度公差可达±0.05mm，圆度可达0.05mm，最大冷精密辗环机可轧制外径达220mm的轴承环。热辗环的应用发展很快，对于支撑迅速发展的风力发电设备做出了较大贡献。国产辗环机可成形外径为9000mm的大型环件。异形断面及高度方向尺寸较大的辗环技术发展较快，在铝合金、高温合金等难成形材料环件成形上得到应用，对于提高较为贵重材料的利用率发挥了较大作用。

摆动辗压

摆动辗压是成形盘类零件的回转成形工艺，在成形薄盘类锻件上优势十分突出。我国目前在冷摆辗上已能生产出各种复杂零件，大部分零件都为无需切削加工的净成形件，使用的冷摆辗设备多为进口，其中瑞士进口的占多数。我国在热摆动辗压上应用较多的是载重汽车半轴法兰盘的成形与后桥被动齿圈的成形，前者使用卧式摆辗机，后者使用立式摆辗机，热摆辗机国内能够生产。目前急需的是开发冷摆辗机，用以代替价格昂贵的进口冷摆辗机。

发展回转成形技术的意义

回转成形工艺广泛用于精密锻件成形与复杂锻件模锻制坯，也适用于生产大型特殊锻件（几大薄壁板）的成形。由于回转成形工艺可以用较小设备成形较大工件，节省投资降低生产成本。发展这种成形工艺，将加快我国塑性加工行业技术改造升级，发展回转塑性成形工艺除了可以提高产品质量及增强市场竞争力，还有以下两点优势：

⑴有利于改变工件大→变形力大→设备大→难制造→投资大→成本高的不良循环。众所周知，锻件的承载能力，在一定程度上决定了设备的工作能力。同样，设备能力的提高要求锻件承载能力越来越大，锻件体积与重量也越来越大，成形设备也跟着增大，制造难度大，投资增加，生产成本也要提高。回转塑性成形可以遏制这种不良循环。

⑵丰富了材料二次加工可供选择的成形方式。回转塑性成形方式多种多样，对于不同形状、不同尺寸的工件或预制坯，可以选择最优成形方式，以便得到最佳效果，也可以进行有效的复合成形方式。例如楔横轧与摆动辗压复合生产汽车半轴，楔横轧与冷挤压复合生产大型精密阶梯轴，辗旋复合生产汽车无内胎钢车轮。