環件軋制技術發展及未來研究方向

呂明樺，邢兆賀

（山東建筑大學，濟南250101）

1 引言

環件軋制又稱環件輾擴或擴孔，是借助輾環機使環件壁厚減小、直徑擴大、界面輪廓成形的塑性加工工藝[1]。環件軋制成形是用于制造無縫環形零件的連續局部塑性變形技術，由于可以滿足環件對精確、高效、節能和數字化的制造要求，逐步取代了初期工藝生產效率低、尺寸精度差、后續機加工量大，而且浪費材料的鍛造→沖孔→馬架擴孔的生產工藝[2]。環件軋制技術隨后在火電、風電、水電、火車、船舶、冶金設備、石油化工、航空航天等工業領域得到了廣泛的應用。隨著社會的發展，對環件的質量要求越來越高，對大尺寸環件的需求量越來越大，而環形零件多在高溫、高壓、腐蝕等苛刻條件下服役，其對環件的組織性能要求十分嚴格，傳統成形工藝已不能滿足工業快速發展的要求，環件軋制技術是環形零件生產的必然選擇。

2 環件軋制原理

圖1 為環件徑軸向軋制原理示意圖，徑軸向環件軋制中的驅動輥為主動輥，帶動環件作旋轉運動；芯輥為從動輥，作從動旋轉運動，并且同時作向驅動輥方向的直線進給運動；軸向錐輥為主動輥，并沿軸向作進給運動，從而使環件產生壁厚減小、軸向高度減小、直徑增大、截面輪廓成形。導向輥為可自由轉動的從動輥，它以一定的力抱住環件，保證環件的平穩轉動。

圖1 徑軸向環件軋制示意圖

3 環件軋制技術的產生與發展

環件軋制技術是伴隨著鐵路運輸業而發展起來的。19 世紀中期開始，鐵路運輸業得到迅速發展，火車運載量和運行速度都得到了大幅度提高，鑄態組織車輪無法滿足火車高速重載的使用要求，于是人們在鑄鐵車輪上裝備性能更好的、可更換的鋼質輪箍。在1842 年，英國建造了世界上首臺輾環機，它的出現標志著環件軋制成形技術的開始。隨后，環件軋制技術在其他環形零件生產中逐漸得到了推廣應用。這項新技術的產生吸引了國內外大量學者進行深入研究，研究的方面主要集中在實驗研究、理論研究、有限元模擬研究。

3.1 實驗研究

環件軋制技術出現的早期主要依靠的是實驗研究。20 世紀60 年代，英國學者W.Johnosn 等率先開展了環件軋制的實驗研究[3]。環件軋制成形技術從20 世紀中期開始引入我國，主要應用于軸承套圈和汽車發動機飛輪齒圈以及差速器從動錐齒輪毛坯的生產。在20 世紀80 年代涌現出環件冷輾擴成形的新技術[4]，冷輾擴加工技術使得在常溫下利用金屬材料的塑性變形來獲得所需的形狀和尺寸零件成為可能。隨著市場的需求增加及高新技術的發展，輾環機也不斷地更新換代，如今德國最新生產的RAW2500/1250-16000/3000 的徑-軸向輾環機可軋制出直徑16m，高度達3m，重量達百噸級的超大型環鍛件。

3.2 理論研究

只對環件軋制技術進行實驗研究存在片面性，深入理論研究對環件軋制技術的發展有著重要的作用。從20 世紀60年代開始就有學者對環件軋制技術進行了理論研究。由于客觀條件的限制，當時的研究方向主要是近似和經典塑性成形理論，其解析計算方法主要有滑移線法、流函數法和上限法等。后來華林在其著作《環件軋制理論和技術》中從靜力學、運動學、動力學等方面闡述了環件軋制成形原理、金屬流動規律、力能計算方法等，建立了環件軋制理論體系，為環件軋制技術的研究起到巨大的推動作用。

3.3 有限元模擬研究

單一的采用實驗的研究方法存在著工作量大、成本高、材料浪費嚴重等關鍵問題，采用理論計算的分析方法無法提供軋制過程中環件內部的應力、應變、溫度場等信息。隨著計算機的問世和數值模擬技術的產生，有限元法在環件軋制研究中已經起到非常重要的作用。利用商業有限元軟件，建立符合實際生產的環件軋制有限元模型，將大量反復試驗在計算機上模擬完成，已成為研究與發展徑軸向環件軋制技術，生產高質量、低成本、短周期、自主創新地實現精密環件產品的強有力工具[5]。隨著計算機技術的發展、塑性成形理論和有限元理論的逐步完善，利用計算機模擬環件軋制成形過程，各種解析或半解析方法中存在的不足將會不斷得到彌補，以后對環形零件的生產能夠提供更可靠的指導。

4 環件軋制技術未來研究方向

環件軋制成型技術是生產鍛態組織超大型環件的唯一工藝方法[6]。對于生產數十噸、上百噸的超大型環件，如果采用試驗的方法，勢必會造成巨大材料和成本的浪費。利用有限元分析平臺建模仿真分析，能夠有效地為超大型環件軋制工藝設計方法提供指導，未來利用計算機模擬環件軋制成形將發揮越來越重要的作用。

有限元法雖然得到了長足的發展，但有限元軟件仍不夠完善，建立適用于環件熱軋制成形的本構模型和組織演變模型，開發穩健、高效的有限元算法與組織演變仿真方法，為成形過程宏觀和微觀建模仿真提供有效途徑。

面向風電、核電、石油化工、航空航天等高技術領域的可軋溫度范圍窄的材料、難變形材料環件以及高性能超大型、復雜環件熱軋制成形技術，是未來研究發展的重要方向。

對于大型、超大型、復雜異形、難變形材料環件，如何實現多軋輥運動協調匹配控制、穩定軋制、成形成性一體調控是將來需要進一步深入開展的研究方向。

5 結語

國內外學者通過實驗研究、理論研究和有限元仿真模擬等方式對環件軋制技術進行了一系列研究，推動了環件軋制技術的發展。環件軋制技術從開始的生產火車輪箍，到現在環件軋制技術已廣泛應用于各個領域。隨著環件軋制技術不斷走向成熟，高質量環形零件勢必會不斷涌現，這也將會不斷推動高端裝備的快速發展。