大型環件軋制生產流程分析和下料體積計算

谷瑞杰，程斯祥，杜學斌，張新生，單寶德

（1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.衡陽華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽 421001；3.國機鑄鍛機械有限公司，山東 濟南 250306）

環件徑軸向軋制成形（圖1）是通過軋輥對環件壁厚和高度的連續局部壓下作用使環件壁厚和高度逐漸減小，半徑不斷長大，截面輪廓成形的工藝過程[1-3]。大型環件一般采用熱軋成形環件機械加工而成。

大型環件軋制生產工藝流程（圖2）包括鑄錠下料、鑄錠加熱、環件毛坯制作、環件毛坯二次加熱、環件徑軸向軋制成形、環件熱處理、環件機械加工和環件成品檢測等工藝環節。環件徑軸向軋制成形是大型環件軋制生產工藝流程中的關鍵環節，作者在之前的研究中對大型環件徑軸向軋制成形工藝進行了深入研究[4-6]。

大型環件軋制生產工藝流程的合理制訂對提高大型環件產品的加工質量、材料利用率和生產效率，降低能源消耗、生產成本和勞動強度是十分重要，其中下料體積的精確計算對于整個大型環件軋制生產過程都會產生較大影響。本文對大型環件軋制生產工藝流程進行系統分析，基于此建立大型環件軋制生產下料體積計算方法。本文的研究成果可以用于精確計算大型環件軋制生產下料體積和指導大型環件軋制實際生產流程。

1 大型環件軋制生產工藝流程分析

1.1 鑄錠下料

大型環件徑軸向軋制生產所用的原材料一般為連續鑄錠。大型環件徑軸向軋制生產過程中產生的材料損耗在下料時必須予以考慮，其中包括初始毛坯一次加熱的氧化皮、環件毛坯制作的沖孔落料、環件毛坯二次加熱的氧化皮等。下料一般在帶鋸床上鋸切完成，鋸切下料的材料損耗可以按1mm～2mm鑄錠厚度考慮。在材料下料體積確定后，可以根據鑄錠的截面尺寸計算出需要的鑄錠長度，然后對連續鑄錠進行劃線，在鋸床上對其進行鋸切下料，獲得所需的大型環件生產原始毛坯。

1.2 鑄錠加熱

大型環件鑄錠的加熱一般采用數控燃氣加熱爐，加熱爐必須具備熱風循環，保證加熱爐內的溫度均勻性。鑄錠加熱的溫度、速度和保溫時間可以較為精確的控制。鑄錠加熱必須制定嚴格的加熱路線，其中包括鑄錠單位時間的溫升、最終的加熱溫度和保溫時間等，這些參數的制定與鑄錠的材料、尺寸及其在加熱爐中的疊放方式等都有一定的關系。為了防止材料過燒，加熱升溫后期的溫升速度應較前期稍慢。對于一般的碳鋼材料，單位時間的溫升應該不大于200℃/h，最終加熱溫度應該控制在1250℃左右，保溫時間必須長于2h。

1.3 環坯制作

大型環件毛坯的制作（圖3）一般在鍛造壓機上完成，鑄錠長度相對于鑄錠直徑必須小于3，在該工步不僅要制作出環件毛坯的形狀和尺寸，還必須完全消除鑄錠中存在的疏散和縮孔等鑄態組織缺陷。大型環件毛坯制作必須制定合理的鍛造工藝，鑄錠在高度方向和徑向的鍛造比都要大于3，以消除材料各個方向的鑄造缺陷。環坯制作的沖孔落料體積應盡量小，以減小其材料消耗。較小的環件毛坯往往通過鐓粗和沖孔等工序就可以完成其制作，但是較大的環件毛坯除了需要鐓粗和沖孔工序外，往往還需要通過馬架擴孔來完成其制作。

1.4 環坯二次加熱

在鍛造壓機上進行大型環件毛坯的制作過程中，材料的溫度會下降很多，因此，一般在環件毛坯制作好后還要將其重新放入數控燃氣加熱爐中進行二次加熱。環坯的二次加熱也要有一定的規范，其中包括環坯單位時間的溫升、最終的加熱溫度和保溫時間等，這些參數的制定同樣與環坯的材料、尺寸及其在加熱爐中的疊放方式等都有一定的關系。環坯最終加熱溫度應該控制在1250℃左右，保溫時間必須長于2h。

1.5 徑軸向軋制成形

大型環件徑軸向軋制成形過程（圖4）在數控軋環機上完成，該成形的工藝性很強，必須制定嚴格的軋制成形工藝路線。即使這樣，在大型環件徑軸向軋制成形過程中也往往需要適當的人工干預，在大型環件徑軸向軋制過程中必須注意觀察整個成形過程的發展，如果發現環件軋制過程出現不穩定現象時，及時做出相應的調整，從而使得軋制過程可以穩定地進行下去，直至軋制出滿足精度要求的大型環件，軋制環件的圓度偏差一般可控制在±2/1000以內，厚度和高度偏差一般可控制在2mm以內。

1.6 熱處理

徑軸向軋制成形大型環件的變形分布很不均勻，環件內部存在很大的殘余應力，必須通過熱處理手段予以消除。大型環件的熱處理可以在專用罩式電阻爐中進行。環件熱處理要制定合理的工藝路線，環件的加熱溫度、溫升速度和保溫時間、冷卻過程等都應符合材料的熱處理工藝規范。對于一般的碳鋼材料環件，熱處理多采用正火處理，加熱溫度控制在900℃左右，加熱和保溫總時長與環件的厚度密切相關，單位厚度時長可按1min/mm計算，其中保溫時間應長于2h。

1.7 機械加工

徑軸向軋制成形的大型環件必須經過機械加工才能得到最終的大型環形零件產品，其中主要包括車削和鉆孔（圖5）。大型環件車削在立車上完成，為了提高材料利用率，環件內外環面和上下端面的車削加工量應該盡量小，但必須能夠完全消除環件外表面的不平整，同時還得能夠將環件表層的氧化皮完全去除，對于成形精度較高的大型環件單邊加工余量可控制在10mm以內。用作聯接法蘭的大型環件還需要在大型龍門數控轉床上鉆孔，為了保證聯接法蘭能夠很好安裝，孔的位置精度必須應予保證，一般要求位置度偏差控制在?0.5mm以內。

1.8 成品檢測

大型環形零件產品的檢測包括環件外觀尺寸的檢測、環件內部缺陷的無損檢測和材料力學性能的測試等。環件外觀尺寸的檢測主要包括環件的直徑、壁厚、高度、圓度、平整度、聯接孔位置精度等。環件內部缺陷的無損檢測可以采用超聲波和X射線，主要檢測環件內部是否存在夾雜和折疊等影響環件性能的缺陷。如果環件還要進行材料力學性能的測試，則在環件機械加工階段就要切取試樣，試樣切取的方位必須符合相關標準。

2 大型環件軋制生產下料體積計算

2.1 軋制成形環件體積計算

軋制成形環件體積Vr可以通過下式計算：

其中，Dr、tr、hr分別是軋制成形環件的外徑、壁厚和高度。

大型環形最終零件產品是軋制成形半成品環件經過機械加工獲得，對于給定規格的大型環形零件，確定其軋制成形半成品環件外徑Dr、壁厚tr和高度hr時必須加上機械加工余量。

2.2 軋制環件毛坯體積計算

軋制環件毛坯是鍛造環坯二次加熱后去除氧化皮所得，軋制環件毛坯體積Vrb滿足：

軋制環件毛坯體積Vrb可以通過下式計算：

其中，Drb、trb、hrb分別是軋制環件毛坯的外徑、壁厚和高度，其取值可由環件軋制成形工藝確定。

2.3 鍛造成形環坯體積計算

鍛造成形環坯體積Vf可以通過下式計算：

其中，Df、tf、hf分別是鍛造成形環坯的外徑、壁厚和高度。

鍛造成形環坯的外徑Df、壁厚tf和高度hf可以通過下式計算：

其中，Δt2、Δh2分別是鍛造成形環坯二次加熱時徑向、高度方向單側氧化皮厚度，其取值與環坯材料、尺寸和二次加熱時間有關，大型碳鋼環坯可在0.5mm～1.5mm之間取值。

2.4 鍛造毛坯體積計算

鍛造毛坯是毛坯一次加熱后去出氧化皮所得，鍛造毛坯體積Vfb可以通過下式計算：

其中，Vp是沖孔落料體積。

其中，Dp、hp分別是沖孔落料的直徑和高度。鍛造毛坯體積Vfb滿足：

其中，Dfb、hfb分別是鍛造毛坯的外徑和高度，其取值可由環坯鍛造成形工藝確定。

2.5 下料體積計算

下料體積V0可以滿足：

其中，D0、h0分別下料圓坯的外徑和高度。

下料圓坯的外徑D0和高度h0可以通過下式計算：

其中，Δt1、Δh1分別是下料圓坯一次加熱時徑向、高度方向單側氧化皮厚度，其取值與毛坯材料、尺寸和一次加熱時間有關，大型碳鋼圓坯可在1mm～3mm之間取值。

連續鑄錠的下料長度 可由下式確定：

其中，S0是連續鑄錠的截面積。

3 結論

本文對大型環件軋制生產工藝流程進行了系統分析，其中包括鑄錠下料、鑄錠加熱、環件毛坯制作、環件毛坯二次加熱、環件徑軸向軋制、環件熱處理、環件機械加工和環件成品檢測；建立了大型環件軋制生產下料體積計算方法，其計算過程包括軋制成形環件體積計算、軋制環件毛坯體積計算、鍛造成形環坯體積計算、鍛造毛坯體積計算和下料體積計算。本文的研究成果在大型環件軋制生產中獲得了成功應用，提高了大型環件軋制生產下料體積計算精度和大型環件軋制實際生產工藝水平。