400/315t大型數(shù)控徑軸向輾環(huán)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究

文/徐會彩，單寶德，龐東平·濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所

400/315t大型數(shù)控徑軸向輾環(huán)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究

文/徐會彩，單寶德，龐東平·濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所

隨著我國風(fēng)力發(fā)電、航空航天、核電、船舶等行業(yè)的迅速發(fā)展，3MW/5MW風(fēng)電塔筒連接法蘭、火箭筒連接法蘭、地面發(fā)射大回轉(zhuǎn)支承裝置、核島蒸發(fā)器、核反應(yīng)堆容器等大型裝置急需大型、超大型優(yōu)質(zhì)環(huán)件。

加工大型環(huán)件的徑軸向輾環(huán)機(jī)是一種復(fù)雜的大型熱鍛數(shù)控設(shè)備，涉及機(jī)械、液壓、數(shù)控編程、控制技術(shù)等多個領(lǐng)域。國內(nèi)現(xiàn)有軋環(huán)設(shè)備普遍存在軋制坯料噸位小、軋制環(huán)件直徑小的現(xiàn)象。面對市場的需求,研制大型重載軋制設(shè)備是我國工業(yè)發(fā)展的需要。

《鍛造與沖壓》雜志2013年第1期發(fā)表的《6500mm環(huán)件輾環(huán)鍛造裝備與工藝》一文（本文作者徐會彩、單寶德分別為這篇文章的第三、第二作者），已經(jīng)從工藝與裝備結(jié)合的角度介紹了6500mm環(huán)件的自動軋制工藝。本文將從裝備技術(shù)創(chuàng)新的角度詳細(xì)介紹濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所為大冶特殊鋼股份有限公司研制的上抽芯式重載大型D53K-6500-400/315數(shù)控徑軸向輾環(huán)機(jī)。

關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新

D53K-6500-400/315數(shù)控徑軸向輾環(huán)機(jī)，主要由機(jī)身、主傳動機(jī)構(gòu)、徑向軋制系統(tǒng)（包括主滑塊部件、上抽式芯輥軸機(jī)構(gòu)、主輥部件、定心輥機(jī)構(gòu)等）、軸向軋制系統(tǒng)、測量機(jī)構(gòu)、活動托架、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。

該設(shè)備以濟(jì)南鑄鍛所已有輾環(huán)機(jī)產(chǎn)品為基礎(chǔ)，吸收國外先進(jìn)技術(shù)，通過對大型重載數(shù)控徑軸向輾環(huán)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)，突破上抽式芯輥軸技術(shù)、錐輥密封技術(shù)、錐輥預(yù)緊拆卸技術(shù)、測量輪實(shí)時潤滑和冷卻技術(shù)、錐輥驅(qū)動電機(jī)弱磁調(diào)速技術(shù)、錐輥主輥轉(zhuǎn)速同步技術(shù)等核心技術(shù)，向用戶提供的一種具有技術(shù)領(lǐng)先、結(jié)構(gòu)完善、性能可靠等特點(diǎn)的加工大型優(yōu)質(zhì)無縫環(huán)件的高端重載數(shù)控設(shè)備。

錐輥前端密封技術(shù)

軸向軋制系統(tǒng)的錐輥前端因接近高溫環(huán)件，軸承密封很關(guān)鍵，既要防止腔內(nèi)的潤滑油流出，又要防止腔外的冷卻水滲入。在原有技術(shù)中，把軸承壓蓋安裝在錐輥?zhàn)?；在軸承壓蓋里側(cè)開油封槽，采用單個油封防止腔內(nèi)的潤滑油流出；在軸承壓蓋外側(cè)開O形圈槽，采用O形圈防止腔外的冷卻水滲入。內(nèi)側(cè)的油封一旦損壞，必須將錐輥卸下才可以更換，費(fèi)時費(fèi)力；外側(cè)的O形圈因?yàn)橹睆捷^小，錐輥受力促使套筒與錐輥?zhàn)g的裝配間隙消除，造成O形圈槽與錐輥不同軸，從而加速了O形圈磨損，再加上高溫環(huán)境下其使用壽命比較短；雖然外側(cè)的O形圈方便更換，但需要頻繁更換，一旦更換不及時，冷卻水滲入很容易造成軸承潤滑不足而過熱燒壞，經(jīng)濟(jì)損失較大。

如圖1所示，錐輥前端密封技術(shù)在軸承壓蓋外側(cè)開油封槽，采用背靠背的兩個無骨架油封，既能防止腔內(nèi)的潤滑油流出，又能防止腔外的冷卻水滲入。并且將軸承壓蓋安裝在套筒上，不會因?yàn)樘淄才c錐輥?zhàn)g的裝配間隙影響密封槽與錐輥的同軸精度；另外在錐輥上開有與密封壓蓋配合的防水槽，再加上兩個靜止的O形圈密封組成系統(tǒng)密封結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高了密封效果和可靠性。

圖1 錐輥前端密封示意圖

如果設(shè)備沒到大修時間，而需更換此處密封，可以將密封壓蓋拆下，將新無骨架密封斜向剪開放入，然后用壓蓋壓緊，亦可保證密封效果。另外因?yàn)橛头鈮勖萇形圈壽命長，大大延長了密封更換時間，減少了設(shè)備小修次數(shù)，從而提高了設(shè)備使用率，節(jié)約了維修保養(yǎng)成本。

錐輥預(yù)緊拆卸技術(shù)

由于大型數(shù)控徑軸向輾環(huán)機(jī)加工的環(huán)件非常大，軋制過程一直處于重載、變載、高溫等條件下，所以其各個零部件也非常大，非常重。作為核心零件的錐輥單個重量在3t以上。而且上下錐輥均需傾斜安裝，因此大型徑軸向輾環(huán)對錐輥的易裝配性、易拆卸性提出了很高的要求。針對這個問題，在錐輥后端加裝了如圖2所示的油缸，用于錐輥裝配時預(yù)緊、維修時拆卸。加裝此油缸后，原來用于軸向定位的單螺紋拉栓，由于需要在裝配和拆卸時進(jìn)出空心定位套，就變?yōu)殡p頭螺紋拉桿。

在軋制大型環(huán)件時，環(huán)件和錐輥錐面之間不全是滾動摩擦，而是存在滑動摩擦。由于坯料表面精度變化、環(huán)件壁厚變化、成形過程中的橢圓度變化等等，導(dǎo)致這個滑動摩擦并不是在一個確定方向的滑動摩擦，而是一個對上下錐輥軸線方向產(chǎn)生雙向擾動的、大小變化的比較大的滑動摩擦力。因此大型徑軸向輾環(huán)機(jī)對上下錐輥軸向定位的可靠性，也就是雙頭螺紋拉桿的螺紋防松可靠性提出了很高的要求。

該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)造簡單，易加工、易實(shí)現(xiàn)，不會導(dǎo)致設(shè)備外形尺寸變大，既解決了錐輥預(yù)緊拆卸的方便性，也使錐輥軸向定位螺紋的防松變得非常可靠，能夠避免螺紋松開所引發(fā)的軸承壽命減少甚至設(shè)備安全事故。（本公司已經(jīng)對此技術(shù)申請了專利并獲得批準(zhǔn)。）

圖2 錐輥預(yù)緊拆卸結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 測量機(jī)構(gòu)潤滑冷卻系統(tǒng)示意圖

測量輪實(shí)時潤滑和冷卻技術(shù)

測量機(jī)構(gòu)放置在上下錐輥之間，為滿足軋制小高度環(huán)件的需要，受空間限制，測量輪的潤滑一直采用油杯潤滑。由于測量輪和高溫環(huán)件（500～1200℃）直接接觸，測量輪本身以及其安裝軸承的冷卻和潤滑又很關(guān)鍵，一般軋制三五件環(huán)件就需要加一次潤滑油。而此時由于高溫環(huán)件的影響，設(shè)備上溫度較高，環(huán)境惡劣，加油人員必須忍受高溫。

如圖3所示的測量機(jī)構(gòu)潤滑冷卻系統(tǒng)，在有限的空間內(nèi)布設(shè)了潤滑管路和冷卻管路，既滿足了軋制小高度環(huán)件的需要，軟管和硬管結(jié)合與測量輪的動作不干涉；又在測量輪的潤滑和冷卻上首次實(shí)現(xiàn)了輾環(huán)過程中的實(shí)時潤滑。不再需要加工間隙由人工加注潤滑油和噴冷卻水，既節(jié)省了人工，又提高了效率，還改善了設(shè)備潤滑冷卻狀況，延長了相關(guān)零件的使用壽命，提高了測量系統(tǒng)的可靠性及維護(hù)的方便性。（本公司已經(jīng)對此技術(shù)申請了專利并獲得批準(zhǔn)。）

錐輥驅(qū)動電機(jī)弱磁調(diào)速技術(shù)

環(huán)件軋制過程是一個環(huán)件直徑連續(xù)增長的過程，項(xiàng)目組對此進(jìn)行了深刻分析，如圖4所示，環(huán)件直徑計(jì)算公式為：

式中：d—環(huán)件直徑；

L—錐輥錐尖與主輥中心之間的距離；

x—測量輪中心與錐輥錐尖之間的距離；

d1—主輥直徑；

d2—測量輪直徑。

圖4 環(huán)件直徑計(jì)算參考圖

一方面，軋制過程中主輥和芯輥轉(zhuǎn)速恒定，其和環(huán)件接觸處的線速度始終恒定，錐輥轉(zhuǎn)速要和主輥轉(zhuǎn)速相匹配,但是隨著環(huán)件直徑d的增長，錐輥和環(huán)件接觸處的線速度是在變化的，確切地說是隨著環(huán)件直徑的增長而減小，也就是說，軋制過程中要達(dá)到錐輥轉(zhuǎn)速和主輥轉(zhuǎn)速的匹配，上下錐輥驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速要隨著環(huán)件直徑d的變大而減小，這也就意味著當(dāng)軋制小型環(huán)件時，上下錐輥驅(qū)動電機(jī)需要較高的轉(zhuǎn)速，而當(dāng)軋制大型環(huán)件時，上下錐輥驅(qū)動電機(jī)需要較低的轉(zhuǎn)速。

另一方面，環(huán)件壁厚決定著所需要的軸向軋制力的大小，也影響了圖4中尺寸x的大小。小型環(huán)件壁厚薄，需要的軸向軋制力小，上下錐輥驅(qū)動電機(jī)提供比較小的驅(qū)動扭矩即可滿足需要；大型環(huán)件壁厚厚，需要的軸向軋制力大，上下錐輥驅(qū)動電機(jī)需要提供比較大的軋制扭矩才能滿足軋制需要。

綜上所述，軋制小型環(huán)件，需要上下錐輥驅(qū)動電機(jī)提供較高的轉(zhuǎn)速和較小的扭矩；而軋制大型環(huán)件，需要上下錐輥驅(qū)動電機(jī)提供較低的轉(zhuǎn)速和較大的扭矩。

考慮軋制工況，結(jié)合直流電機(jī)工作的特性，在軸向軋制單元采用直流電機(jī)弱磁調(diào)速技術(shù)：在軋制小型環(huán)件和大型環(huán)件初始軋制直徑還比較小時，上下錐輥驅(qū)動電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以上弱磁運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)的驅(qū)動扭矩雖然沒有完全發(fā)揮，但可以滿足軋制需要；在軋制大型環(huán)件并且環(huán)件直徑的增長至一定尺寸時，上下錐輥驅(qū)動電機(jī)因同步的需要而減速，在額定轉(zhuǎn)速以下運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)的驅(qū)動扭矩達(dá)到額定最大值，充分發(fā)揮電機(jī)的能力。

如果不采用弱磁調(diào)速技術(shù)，則電機(jī)規(guī)格必須更大，以滿足初始時的高速要求和結(jié)束時的低速大扭矩要求。此項(xiàng)技術(shù)的采用，降低了電機(jī)規(guī)格，節(jié)約了能源和電器成本；同時在不降低效率的前提下，獲得了更大的軋制轉(zhuǎn)矩，擴(kuò)大了軋制能力。實(shí)際軋制情況表明，依據(jù)此種技術(shù)選用的電機(jī)可以滿足生產(chǎn)需要。

上抽式芯輥軸技術(shù)

該設(shè)備采用了一種結(jié)構(gòu)新穎的上抽式芯輥軸機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了坯料和成品的水平進(jìn)出，特別適用于大型環(huán)件和薄壁環(huán)件的上下料。既能夠降低上下料難度，也有利于組成生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)自動化的上下料，如圖5所示。此部分內(nèi)容在《6500mm環(huán)件輾環(huán)鍛造裝備與工藝》一文中已作了較為詳細(xì)的介紹，在此就不再贅述。

錐輥主輥轉(zhuǎn)速同步技術(shù)

環(huán)件軋制時，主輥轉(zhuǎn)速是恒定的，而因?yàn)榄h(huán)件直徑的連續(xù)增長，錐輥轉(zhuǎn)速是變化的，如圖6所示。現(xiàn)有輾環(huán)控制技術(shù)，在軋制過程中要根據(jù)環(huán)件軋制速度、穩(wěn)定與否，對錐輥轉(zhuǎn)速進(jìn)行人為干預(yù)。錐輥轉(zhuǎn)速和主輥轉(zhuǎn)速的匹配程度對環(huán)件成品橢圓度有很大影響。綜合考慮各個影響因素，構(gòu)造一個高階函數(shù)用以閉環(huán)控制，進(jìn)行平滑的實(shí)時調(diào)整。此部分內(nèi)容在《6500mm環(huán)件輾環(huán)鍛造裝備與工藝》一文中已作了較為詳細(xì)的介紹，在此就不再過多贅述。

實(shí)際軋制情況表明，此種新控制算法的精確度，使軋制過程中不再需要人為干預(yù)錐輥轉(zhuǎn)速，操作更為簡單，軋環(huán)精度更高。此種控制技術(shù)降低了對操作工人的要求，為最終實(shí)現(xiàn)全自動軋制奠定了基礎(chǔ)。

性能特點(diǎn)

D53K-6500-400/315數(shù)控徑軸向輾環(huán)機(jī)，代表了國內(nèi)重載大型輾環(huán)機(jī)的發(fā)展水平，已于2011年10月投產(chǎn)，設(shè)備運(yùn)行良好，已通過工程項(xiàng)目的最終驗(yàn)收；2012年8月試軋6500mm環(huán)件，一次性成功，產(chǎn)品的各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該設(shè)備具有以下特點(diǎn)：

圖5 上抽式芯棍軸結(jié)構(gòu)示意

圖6 軋制原理示意圖

⑴上抽芯式。該設(shè)備是國內(nèi)第一臺上抽式重載輾環(huán)機(jī)，為輾環(huán)生產(chǎn)線自動化水平的提高提供了技術(shù)支持。

⑵大力矩。該設(shè)備是國產(chǎn)軋制能力最大的輾環(huán)設(shè)備之一,比國外相同規(guī)格的設(shè)備（可參閱《鍛壓手冊》班寧輾環(huán)機(jī)參數(shù)）軋制能力大。

⑶精度高。在同類環(huán)軋?jiān)O(shè)備中,軋制的大型環(huán)件精度高。

⑷效率高。該設(shè)備軋制力大以及高配的液壓電氣系統(tǒng)可以快速進(jìn)給，提高了輾環(huán)效率。

⑸操作簡單,控制軟件的創(chuàng)新使得該設(shè)備更易于操作，有助于促進(jìn)“一鍵式”輾環(huán)的實(shí)現(xiàn)。

⑹該設(shè)備軋制的環(huán)件直徑、高度、重量都比較大。

⑺軋制范圍廣，可以軋制碳鋼、不銹鋼、鈦合金、銅合金、鋁合金以及高溫合金等材質(zhì)環(huán)形件，可應(yīng)用于機(jī)械工業(yè)、石油化工業(yè)、紡織業(yè)、工程機(jī)械以及航空航天業(yè)等領(lǐng)域。

結(jié)束語

D53K-6500-400/315數(shù)控徑軸向輾環(huán)機(jī)的研制成功與順利投產(chǎn)為我國輾環(huán)技術(shù)及裝備行業(yè)的發(fā)展做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)，為我國風(fēng)電機(jī)組、核電裝備、火箭等重大尖端裝備的研發(fā)提供了技術(shù)支撐，同時對促進(jìn)重大裝備國產(chǎn)化目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)、提高我國設(shè)計(jì)制造水平、增強(qiáng)綜合國力具有重大意義。

（本論文受國家科技重大專項(xiàng)《大型數(shù)控徑-軸向輾環(huán)機(jī)》（2010ZX04004-131）課題資助。）

徐會彩，工程師，主要從事輾環(huán)機(jī)等環(huán)鍛設(shè)備的研發(fā)。