厚壁扁盤類環形件軋制應用探討

徐偉 馬栓柱

摘 要：本文就徑軸向軋制生產厚壁扁盤類不銹鋼環形件開展了技術探討，通過對軋制材料冶金特點以及對變形機理的計算機模擬分析，在試制過程中合理控制了環坯的尺寸和壁厚均勻性，交付合格鍛件。為后續類似難變形合金鋼的軋制提供了可鑒經驗。

關鍵詞：環件；軋制；模擬；試制

中圖分類號：TG306 文獻標志碼：A

0 引言

環件軋制是一種生產各種無縫環形件的先進制造技術和主要加工方法，它是通過局部連續軋制的方法，將小直徑大截面的環形毛坯逐漸輾擴成大直徑小截面的環形件。在以往徑軸向軋制生產1Cr17Ni2不銹鋼環件時，多次出現成品超差問題。不合格特征主要表現為內徑尺寸超上差，外徑尺寸超下差，而且端面出現較大的溝槽，其中個別產品出現嚴重的蝶形翹曲。

1 原因分析與措施

1.1 材料鍛造特性和鍛件特點

鍛件材料為1Cr17Ni2鋼，屬于馬氏體-鐵素體型不銹鋼。根據零件圖和機加工藝要求，設計的鍛件圖外徑名義尺寸Φ885mm，內徑Φ588mm，高度50mm。單面加工余量分別為7mm3、8mm3和13mm3。環件壁厚尺寸148.5mm，遠大于高度尺寸，屬于厚壁扁盤類軋環件。鍛件設計時已盡量減少內外徑余量，高度余量較大是受鍛壓設備要求限制。

1.2 軋制變形分析

現有鍛造工藝荒坯尺寸為Φ689mm×Φ270mm×60mm，按根據滑移線理論和平板軋制模型以及塑性鍛透條件公式計算，鍛件的鍛透條件為每轉進給量△h≥1.55mm，△h/h=0.74%；該計算公式假設高度尺寸無限大，且上下軋輥直徑相同，這與該鍛件軋制時的實際情況差別較大。

采用計算機模擬技術，對塑性區進行模擬。參考有關文獻資料，當內側、外側塑性區重合，且心部等效應變值達到0.2時，則認為坯料被鍛透。在構建軋制鍛透模型時，可以忽略環件的旋轉運動，故在處理邊界條件時，只需設置芯輥沿著徑向方向的直線進給運動，芯輥其他5個方向的自由度及驅動輥6個方向的自由度都被約束。徑向進給速度設置為1mm/s，隨著芯輥的進給，內外側塑性區逐漸擴大。當經過20s軋制，徑向進給距離為20mm時，中心部分等效應變才接近0.20，此時△h/h≈10%。根據生產經驗，與公式計算的0.74%相比，模擬的結果10%更接近金屬鍛透的實際情況。環件被拖曳并進入孔型，需要滿足咬入條件。經計算，此時△h≤9.9mm。

可見，采用現有環坯軋制成品鍛件時，一開始環坯被不斷咬入，塑性區無法穿透整個壁厚，中心部位金屬不能進行有效的周向伸長，環件外徑無法勻速長大。另外，塑性變形區類似于鐓粗工序，當壁厚遠大于軸向高度尺寸時，變形區容易失穩，出現雙鼓形進而導致環件翹曲和心部折疊等缺陷。

1.3 試驗方案

環件壁厚/高度之比大于2.5，從內徑、外徑兩側打擊環坯金屬時心部不易變形，內外兩側金屬流動較快且展寬較大，最終端面易出現凹槽。共制定兩種試驗方案。

2 投產試驗

2.1 試驗用原材料

將按材料標準提供的規格Φ250mm的1Cr17Ni2不銹鋼材料鍛棒回火后并進行了車光，棒材硬度、性能復驗合格，滿足技術條件要求。

2.2 試制過程

投產數量兩件，料段規格尺寸Φ255mm×392mm。生產前與對操作班組進行工藝宣貫，明確試驗目的是為了解決軋制時翹曲和尺寸超差問題，工藝措施是減少環坯壁厚、增加環坯高度。

第一火：鐓粗并沖孔

加熱保溫后鐓粗至100mm。為了使沖孔后壁厚均勻，滾圓餅坯，整平端面后壓窩并沖孔。測量環坯尺寸：外徑Φ517mm～Φ523mm，壁厚194mm～198mm，高度99mm。

第二火：擴孔

采用固定馬架，依次使用馬棒和大半圓進行擴孔。擴孔后1#件內孔尺寸約Φ275mm，2#件內孔尺寸約Φ285mm，荒坯端面出現凹槽，內側高度約110mm，外側高度約105mm。

第三火：整形

對于外徑較大，壁厚較大的荒坯，采用開板進行局部整形。將開板放置在荒坯端面，在上砧的打擊下局部整形后，用錘砧整體打平端面，再依次將整個端面進行整平。此時荒坯上端面外徑尺寸大于下端面外徑尺寸。然后翻轉荒坯，用同樣方法對另一個端面進行整形。測量不同部位的內徑尺寸，對內徑較小的方向通過前后進給進行拔長，以控制環坯的圓度。為了試驗環坯高度對軋制的影響，將1#件高度整形至70mm，2#件高度整形至75mm。最終1#件實測尺寸：內孔Φ290mm～Φ295mm，外徑Φ650mm～Φ645mm，高度71mm～71.3mm，2#件實測尺寸：內孔Φ302mm～Φ305mm，外徑Φ640mm～Φ632 mm，高度74.6mm～75mm。

第四火：軋制

成品鍛件高度為50mm±5mm，內徑，外徑，名義壁厚148.5mm。軋制后期塑形區無法穿透壁厚，導致內徑尺寸增加、端面靠近內孔處展寬較大，嚴重時導致鍛件尺寸超差而報廢，故軋制時需要協調徑向和軸向的軋制量。為了防止軋制時環坯爬輥和翹曲，需要采用手動抬錐輥，使錐輥在整個軋制過程中對環件一直具有壓緊作用。監控操作面板中中徑和內徑的數值，一旦因操作不當致使其差值（等于壁厚尺寸）小于150mm，應立即停止軋制，待重新修整環坯后繼續軋制。

3 結果分析

通過投產試驗，對該典型件的軋制難點分析是準確的，制定的措施有效，很好地解決了鍛件易出現的問題。通過控制環坯的尺寸和壁厚均勻性，掌握合理的軋制方法，可以交付出合格鍛件?；呐鞲叨?5mm的工藝方案，便于制坯，但軋制時的徑向進給量較?。s18.5mm）；荒坯高度70mm的工藝方案，軋制徑向進給量相對大一些（約27.5mm）。后者雖然給軋制操作者徑向進給留出了足夠時間，但徑向鍛透相比會更困難，易出現鍛件翹曲和外徑長大緩慢的問題，為達到最終鍛件尺寸，內孔尺寸會較大，且制坯時擴孔和整平難度相對較大。當高度軋制量較小，待高度達到目標尺寸時，環件外徑尺寸還比目標尺寸小約60mm，此時重新加載徑向軋制力，結果內孔尺寸相對較大，且端面溝槽明顯，深度2.2mm～2.7mm，需要較長軋制時間才獲得合格的外徑尺寸。手動抬輥，軋制的整個過程中錐輥一直對環件施加約束作用，故環件未發生爬輥和翹曲現象。

結論

（1）環坯設計時要求環坯的壁厚必須大于目標環軋件的壁厚，且要預留一定的徑向軋制量，否則環件無法咬入。

（2）荒坯高度75mm，內徑約300mm的制坯方案較好，可正式納入工藝文件，易于獲得形狀尺寸合格的鍛件。

（3）采用軸向大變形的終成形方式，可為徑向無法鍛透的厚壁扁盤類環形件軋制成形提供借鑒。

參考文獻

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