国内辊锻技术装备的研究与应用（下）

文／洪涛·南京汽轮电机（集团）有限责任公司

蒋鹏·北京机电研究所

国内辊锻技术装备的研究与应用（下）

文／洪涛·南京汽轮电机（集团）有限责任公司

蒋鹏·北京机电研究所

《国内辊锻技术装备的研究与应用（上）》见2015年第5期

典型件的辊锻工艺

铝合金控制臂辊锻技术开发

铝合金控制臂锻造工艺流程为：中频加热→四道次辊锻→弯曲、压扁→二次加热→预锻、终锻→切边、冲孔、校正。在工艺模拟中发现，第四道次中间段的厚壁两侧出现飞边，该飞边会在后续模锻中形成折叠或其他缺陷，必须采取措施消除。通过分析辊锻过程，并检查相应的模具，发现第四道辊锻模具厚壁处型腔过于狭窄，不足以容纳足量的金属，因此将该处型腔底部和侧面加大，利用修改优化后的模具进行模拟，在其他参数未改变的前提下，模拟得到辊锻工件与实际生产中得到的辊锻工件吻合得很好。采用优化后的辊锻件进行弯曲、压扁、终锻，得到的零件飞边均匀，成形饱满，这说明辊锻工艺设计合理，材料分配效果显著。

销轨锻件的特点和典型锻造工艺

目前国内与采煤机配套使用的销轨型号有多种，如126型、147型等型号销轨，图6所示为126型销轨锻件图。材料为40Mn2，锻件重量约为63kg，锻件总长745mm，最宽处161mm，锻件有五个齿孔，销排端头带有较深的耳部型腔。

图6 销轨锻件图

辊锻制坯—摩擦压力机上模锻工艺流程为：中频感应加热→辊锻制坯→模锻→切边→冲孔。销轨辊锻工艺采用150mm×150mm方坯料三道次制坯辊锻，第一道辊出菱形转90°进入第二道，第二道辊出方形回转45°进入第三道，第三道将中间齿形基本辊出。图7所示为辊锻工步图。

图7 辊锻工步图

超长辊锻件的自动辊锻工艺

超长辊锻件的辊锻工艺是这样实现的，即第一道辊锻是后半部分压扁，先在第一道辊锻模中辊锻坯料后半部分，前半部分不变形；第二道辊锻是后半部分辊圆，把第一道压扁的部分在第二道中辊圆，前半部分不变形；第一、二道辊锻后的部分已经达到制坯的尺寸要求，在第三、四道辊锻过程中不参与变形；第三道辊锻是前半部分压扁，后半部分已经成形不参与变形；第四道辊锻是前半部分辊圆，把第三道压扁的部分在第四道中辊圆，后半部分已经成形，不参与变形；图8所示A端为机械手夹持端，在整个辊锻过程中机械手的前后位置保持不变。

以φ460mm辊锻机为例，辊锻机要求辊锻件长度小于710mm，辊锻件的最大坯料直径为φ75mm，对于辊锻件长度超过辊锻机的最大允许值，而其他参数没有达到辊锻机要求的最大尺寸，即装模空间小于锻辊可使用宽度，辊锻件直径小于最大坯料直径等，这种情况就可采用分段辊锻工艺。

大型内燃机连杆掉头辊锻工艺

280连杆为铁路内燃机车用柴油机连杆，锻件材料为42CrMo，锻件重量约49kg，连杆体和连杆盖的结合面不与连杆主轴线垂直，倾斜45°。形状比较特殊，所需坯料两头较小，最大处在中间，需掉头辊锻才能完成。根据生产线的情况，确定工艺过程为感应加热→辊锻制坯→弯曲→预锻→终锻→切边→热校正。

辊锻工艺方案的选择确定：

⑴4模4辊工艺方案。受辊锻模宽度的制约，φ1000mm辊锻机的锻辊上只能安装4副辊锻模，因此，设计了4模4辊的工艺方案，见图9。该方案中，使用4副辊锻模，进行4道次辊锻。在第一、二道辊锻后进行掉头，再进行第三、四道辊锻。

图8 辊锻工步图

图9 4模4辊辊锻工艺方案

按该种工艺方案，连杆毛坯和小头对应部分坯料外径由φ170mm经辊锻后变为φ130mm，延伸系数较小，因此该部分用2道次辊锻成形，本工艺方案安排在第一、二道辊锻成形，辊锻孔型为圆→椭圆→圆，辊出φ130mm小端后掉头，以该端作为后续辊锻工步的机械手夹持端。连杆毛坯和杆部对应部分坯料外径由φ170mm经辊锻后变为φ87mm，延伸系数为3.82，该部分应该采用4道次辊锻成形，在本工艺方案中，第一、二、三、四道次辊锻过程中每一道都参与变形，辊锻孔型为圆→椭圆→圆→椭圆→圆。

连杆毛坯和开口弯头大头部位对应部分坯料外径由φ170mm经辊锻后变为φ102mm，延伸系数为2.78，该部分应该采用2道次辊锻成形，但平均每道次的延伸系数较大，若采用圆→椭圆→圆的孔型进行两道次辊锻，极易失稳，有可能造成整个工艺的不稳定。若采用圆→椭圆→方的孔型进行两道次辊锻，可保持工艺稳定。

⑵4模6辊工艺方案：4模4辊方案有许多优点，但最终辊锻制坯后大头部分坯料的产品截面形状为方形，和原设计不符，所以另外设计了4模6辊方案，辊锻工步图见图10。

该方案中，仍使用4副辊锻模，但进行6道次辊锻。在第一、二道次辊锻后进行掉头，辊锻机械手回到起始工位，利用第一、二道次辊锻模的孔型进行第三、四道次辊锻，即第一、三道次辊锻合用一副辊锻模，第二、四道次辊锻合用一副辊锻模，然后再在其余2道辊锻模上进行第五、六道次辊锻。该种工艺方案的第一、二道次辊锻和4模4辊方案相同，连杆毛坯和小头对应部分坯料外径由φ170mm经2道次辊锻后变为φ130mm，辊锻孔型为圆→椭圆→圆，辊出φ130mm小端后掉头，以该端作为后续辊锻工步的机械手夹持端。连杆毛坯和杆部对应部分坯料外径由φ170mm经辊锻后变为φ87mm，该部分采用4道次辊锻成形，在本工艺方案中，第一、二、三、四道次辊锻过程中每一道次都参与变形，辊锻孔型为圆→椭圆→圆→椭圆→圆。连杆毛坯和开口弯头大头部位对应部分坯料外径由φ170mm经辊锻后变为φ102mm，该部分可采用4道次辊锻成形，第三、四道次辊锻完成后随辊锻模的形状变成台阶形，该形状经第五、六道次辊锻后最终变成φ102mm的圆形。

4模6辊方案在用户工厂现场调试过程中，经工艺、设备、电控三方的共同努力，达到了预期的效果，证明该工艺是可行的。但是，由于该方案的复杂性，工艺在调试过程中耗费了大量的人力和时间。

图10 4模6辊辊锻工艺方案

铁路货车钩尾框锻件的精密辊锻工艺

铁路车辆17型钩尾框展开后的锻件三维造型如图11所示，该锻件具有以下特点：⑴锻件重量约100kg，锻件展开长约为2000mm，锻造工艺比较复杂，需要大吨位设备来模锻成形；⑵锻件主轴线上下部分形状有较大不对称性，而锻件主轴线前后的形状是对称的；⑶钩尾框属形状复杂的、异形长锻件，局部很薄，形状难以控制，在两端金属较难填充成形；⑷锻件纵向截面起伏变化较多，某些部位具有较大的高度落差。

图11 17型钩尾框锻件三维造型图

锻造钩尾框工艺路线为：下料→中频感应加热→φ1000mm辊锻机上4道次部分成形辊锻→3150t以上摩擦压力机或高能螺旋压力机上锻造→切边→在通用设备上用专用工装或用专用液压折弯机折弯→整形，工艺流程图见图12。图13是用精密辊锻—模锻复合成形技术生产出来的17型锻造钩尾框辊锻成品图。采用该工艺后比采用传统的自由锻工艺每件产品节约成本220元以上，经济效益良好。

图12 钩尾框辊锻—模锻复合成形工艺流程

图13 17型锻造钩尾框成品图

φ1250mm辊锻机的开发

16型锻造货车钩尾框，需要将φ180mm圆棒料辊锻制坯，而国产辊锻机最大型号为φ1000mm，最大可辊锻坯料尺寸为φ160mm，不能满足要求，因此发展大型自动辊锻机有着重要的现实意义，为满足市场对大型辊锻机的需求，开发了φ1250mm大型辊锻机，沿用传统的整体式结构，主要包括飞轮系统、电机、减速箱和锻辊系统。

为保证足够的输出扭矩，φ1250mm辊锻机采用四级直齿轮减速，转速为8r/min，最大输出扭矩1000kNm。由于辊锻过程上下轧辊是反向旋转的，最简单的传动形式是两锻辊间采用一对标准齿轮传动，利用单偏心套调节中心距，中心距调节量为上下10mm，中心距调整后，会产生齿侧间隙，为克服齿侧间隙，采用浮动齿轮配以气动平衡装置。经过有限元计算和实际现场测试，辊锻机的主要振动形式表现为左右摆动，φ1250mm辊锻机加厚了左立柱，同时加长了锻辊轴承，以增大辊锻机的低阶固有振动频率。飞轮由于是悬臂放置，并且飞轮较小，辊锻机重量增加不少，因此φ1250mm辊锻机设置了飞轮卸荷套，使飞轮脱离于传动轴，保证传动的平稳，也保证了辊锻机的安全可靠。表2为φ1250mm辊锻机参数表，图14是安装在现场的辊锻机照片。

图14 安装在现场的φ1250mm辊锻机

表2 φ1250mm辊锻机参数

近期发展展望

⑴小型辊锻机将进入更多的工厂，替代空气锤为轴类锻件制坯，在提高效率，降低料耗和能耗的同时，还可为自动化操作提供必要的条件。

⑵大型辊锻机经历了前轴、钩尾框、销轨和刮板等典型锻件的制坯辊锻技术发展后，在大型叶片、大型连杆等锻造工艺中有望取得更多的应用。

⑶小型伺服驱动辊锻机具有较高研究价值和应用需求，是一种值得关注的辊锻新装备。

⑷辊锻模具设计计算过程复杂，国内目前还没有成熟的专用辊锻模具设计软件，开发此类软件非常必要，对推动辊锻机的应用推广，减轻技术人员的设计工作量，乃至减少辊锻模调试时间都有好处。