環(huán)形鍛件碾壓成型工藝和技術的發(fā)展
2021-01-04 17:07:29
輾環(huán)又稱環(huán)形鍛件輾壓成形或擴孔,它是借助輾環(huán)設備—— 輾環(huán)機(又稱輾壓成形機或擴孔機)使環(huán)形鍛件直徑擴大、壁厚減小、截面輪廓逐漸成形的塑性加工工藝。輾環(huán)是連續(xù)的局部塑性成形工藝，與整體模鍛成形工藝相比，具有大幅度降低設備噸位和投資、振動沖擊小、節(jié)能節(jié)材、生產(chǎn)成本低、力學性能高等顯著技術經(jīng)濟優(yōu)點，是軸承環(huán)、齒輪環(huán)、法蘭環(huán)、火車車輪及輪箍、燃氣輪機及航空航天發(fā)動機機匣、封嚴環(huán)、安裝邊等各類無縫環(huán)形鍛件的先進制造技術，在工程機械、交通運輸、船舶、石油化工、航空航天、原子能等許多工業(yè)領域中日益得到廣泛應用。
1. 輾環(huán)的分類
1)徑向輾壓成形
環(huán)形鍛件徑向輾壓成形原理驅(qū)動輥為主動輥，同時作旋轉(zhuǎn)輾壓成形運動和直線進給運動；芯輥為被動輥，作從動旋轉(zhuǎn)輾壓成形運動；導向和信號輥都為可自由轉(zhuǎn)動的從動輥。在驅(qū)動輥作用下，環(huán)形鍛件通過驅(qū)動輥與芯輥構成的輾壓成形孔型產(chǎn)生連續(xù)局部塑性變形，使環(huán)形鍛件壁厚減小、直徑擴大、截面輪廓成形，當環(huán)形鍛件經(jīng)過多次輾壓成形的旋轉(zhuǎn)且直徑擴大到預定尺寸時，環(huán)形鍛件外圓表面與信號輥接觸，驅(qū)動輥停止直線進給運動并返回，輾環(huán)過程結束。導向輥的導向運動保證了環(huán)形鍛件在輾壓成形過程中的平穩(wěn)運動。
環(huán)形鍛件徑向輾壓成形設備結構簡單，廣泛地用于中小型輾環(huán)生產(chǎn)，但輾壓成形的環(huán)形鍛件面常有凹坑缺陷。
2)徑一軸向輾壓成形
為了改善輾壓成形環(huán)形鍛件的端面質(zhì)量和能夠成形復雜的截面，在徑向輾環(huán)設備的基礎上，增加一對軸向端面輾壓輥，對環(huán)形鍛件的徑向和軸向同時輾壓成形，這樣使由徑向輾壓成形產(chǎn)生的環(huán)形鍛件端面上的凹陷由于軸向輾壓而得到修復和平整。軸向端面輾壓成形還可使環(huán)形鍛件獲得復雜的截面輪廓形狀。環(huán)形鍛件徑一軸向輾壓成形，驅(qū)動輥旋轉(zhuǎn)輾壓成形，芯輥徑向直線進給，端面輾壓輥作旋轉(zhuǎn)端而輾壓成形運動和軸向進給。在徑一軸向輾壓成形中，環(huán)形鍛件產(chǎn)生徑向壁厚和軸向高度減小，內(nèi)、外直徑擴大，截面輪廓成形的連續(xù)局部塑性變形，當環(huán)形鍛件經(jīng)反復多轉(zhuǎn)碾壓成形使直徑達到預定值時，芯輥的徑向進給和端面輥的軸向進給停止。環(huán)形鍛件徑一軸向輾壓成形變形結束。和徑向輾壓成形設備相比，徑一軸向輾壓成形設備結構復雜，主要用于大型復雜截面的輾環(huán)生產(chǎn)。
2. 輾環(huán)應用
輾環(huán)適于生產(chǎn)各種形狀尺寸、各種材料的環(huán)形鍛件或環(huán)坯。環(huán)形鍛件的材料為碳鋼、合金鋼、鋁合金、銅合金、鈦合金、鉆合金、鎳基合金等。常見的輾壓成形環(huán)形鍛件產(chǎn)品有軸承環(huán)、齒輪環(huán)、火車車輪的輪、燃氣輪機及航空發(fā)動機上的機匣、密封圈和安裝邊等。最大的輾壓成形環(huán)形鍛件是直徑10000mm、高度4000mm的核反應堆容器。
3.輾環(huán)的歷史和發(fā)展
輾環(huán)技術是伴隨著鐵路運輸業(yè)的發(fā)展而產(chǎn)生的。自19世紀中葉以來，鐵路交通的迅速發(fā)展使得火車的行駛速度和載重量大幅度提高。火車的鑄鐵車輪無法滿足高速重載的使用要求，于是人們在火車鑄鐵車輪上裝備性能更好的、可更換的鋼輪。為了生產(chǎn)火車輪，1842年英國建造了輪軋機，1886年俄國奧斯特洛維鑄造廠設立了火車輪生產(chǎn)車間。隨后，輾環(huán)技術不僅在火車車輪生產(chǎn)中得到了廣泛應用，在航空航天、石油化工及其他工程機械中也逐步得到推廣。我國應用輾環(huán)技術始于20世紀50年代。現(xiàn)在，碾環(huán)技術已經(jīng)成為環(huán)形機械零件生產(chǎn)的高效、先進和主要工藝方法之一，并向著以下幾個方向迅速發(fā)展。
(1)大型化。直徑2000mm以上的大型環(huán)形鍛件越來越多地采用輾環(huán)工藝生產(chǎn)，而原來的馬架擴孔工藝由于勞動強度大和生產(chǎn)率低，鍛件尺寸精度低和加工余量大等缺點逐步被淘汰。直徑2000mm～10000mm輾環(huán)設備在美國、德國、英國、法國、日本、俄羅斯等國家的數(shù)量迅速增加，我國也從德國引進了直徑3000mm~5500mm的碾環(huán)設備。
(2)高速化。隨著輾環(huán)設備及其上、下料輔助設備的機械化自動化程度的提高，輾環(huán)速度和生產(chǎn)率隨之迅速提高。在小型軸承環(huán)輾壓成形自動生產(chǎn)線上，不僅下料、加熱、制壞、輾壓成形工藝過程實現(xiàn)了自動化生產(chǎn)，而且生產(chǎn)率達到300件/h～1000件/h。
(3)精密化。隨著制坯的精化和輾環(huán)過程測控系統(tǒng)的進步，輾環(huán)精度逐漸提高，精密輾環(huán)技術迅速發(fā)展。目前，精密輾壓成形的環(huán)形鍛件直徑尺寸精度可達到1/1000。
(4)復雜化。一般輾環(huán)主要用于生產(chǎn)截面為矩形或近似矩形的環(huán)形零件，復雜截面的環(huán)形鍛件通常也簡化成截面近似矩形的環(huán)件，然后再機械切削加工，但為了減少機械加工量、提高環(huán)形鍛件的材料利用率，生產(chǎn)復雜截面環(huán)形鍛件的技術得到高度重視和迅速發(fā)展。通過優(yōu)化輾壓成形用的環(huán)坯和合理設計輾壓成形的孔型，許多復雜截面的環(huán)形鍛件已能直接輾壓成形。
(5)柔性化。為了滿足小批量、多品種、多規(guī)格地生產(chǎn)環(huán)件，能快速更換成形孔型和工作參數(shù)調(diào)節(jié)方便的柔性輾環(huán)設備受到了重視。目前的柔性輾環(huán)設備的成形孔型更換時間為1.5h~2h，環(huán)形鍛件直徑為250~900mm，重量為20kg-100kg，非常適合批量為50件的小批量輾壓成形生產(chǎn)。
(6)材料多樣化。隨著航空航天技術的發(fā)展，航空航天發(fā)動機的機匣、密封環(huán)和安裝邊等環(huán)形件大量采用高合金化的鋁合金、耐熱耐蝕不銹鋼、合金和高溫合金制造，這些材料的共同特點是變形抗力大、流動性差、加工工藝窗口窄，更由于這些材料昂貴和對鍛件組織性能要求高，使發(fā)展特種合金精密輾壓成形工藝技術的需求十分迫切。
4.輾環(huán)的技術經(jīng)濟性
輾環(huán)工藝通常是在將鍛錘——輾環(huán)機、平鍛機——輾環(huán)機、鍛錘——壓力機——輾環(huán)機等設備組合起來的生產(chǎn)線上實施，與傳統(tǒng)的環(huán)形鍛件自由鍛造工藝、環(huán)形鍛件模鍛工藝相比，具有較好的技術經(jīng)濟效果，具體表現(xiàn)在以下幾個方面；
(1)精度高、加工余量少、材料利用率高。輾壓成形的環(huán)形鍛件幾何精度與模鍛環(huán)形鍛件相當，毛壞的沖孔連皮小，而且無飛邊損失。與自由鍛工藝相比，輾壓成形環(huán)形鍛件精度大為提高，加工余量大為減少。
(2)內(nèi)部質(zhì)量好。輾壓成形的環(huán)形鍛件的內(nèi)部組織致密、品粒細小、流線沿圓周方向分布，其組織性能、耐磨性和疲勞壽命明顯高于用其他方法鍛造或機械加工生產(chǎn)的環(huán)形鍛件。
(3)設備噸位小，投資少、鍛件直徑范圍大。輾壓變形是通過局部變形的積累而實現(xiàn)整個鍛件變形的，與整體模鍛變形相比，輾環(huán)變形力大幅度減小，因而輾壓成形設備的噸位大幅度降低，設備投資大幅度減少。一般在碾環(huán)設備上可以加工的環(huán)形鍛件直徑范圍大，最大直徑與最小直徑相差3倍～5倍，最大重量與最小重量相差數(shù)十倍，這是其他的加工設備難以達到的。
(4)生產(chǎn)率高，輾環(huán)設備的輾壓成形速度通常為1m/s～2m/s，成形周期一般為10s左右，最短可達3.6s，最大生產(chǎn)率已達1000件/h，大大高于自由鍛造和模鍛環(huán)形鍛件的生產(chǎn)率。
(5)生產(chǎn)成本低。輾環(huán)具有材料利用率高，機加工工時少、生產(chǎn)能耗低、輾壓成形孔型壽命長等綜合優(yōu)點，因而生產(chǎn)成本較低。德國制造+3500mm×110mm×90mm的碳鋼環(huán)形我件，自由鍛比輾壓成形生產(chǎn)成本高77%；前蘇聯(lián)統(tǒng)計，輾環(huán)與自由鍛相比，材料消耗降低40%～50%，生產(chǎn)成本降低75%。