大型環鍛件軋制研究現狀與展望

李兆通，李 亮，景財年，林 濤，馮 燕，吳忠林，趙順治

(1.山東建筑大學 材料科學與工程學院，山東濟南 250101；2.山東建筑大學 工程訓練中心，山東濟南 250101)

0 引言

大型環鍛件[1]作為一種大型無縫環件，是大型機械設備[2]的重要組成部分，被廣泛應用于航空機匣、風電法蘭、軸承外圈及齒輪環、核反應堆加強圈等關鍵部位，這種大型零件工作環境惡劣，常要求具有耐高溫、耐腐蝕、高強韌性等優良性能[3]（如圖1）。隨著環鍛行業的發展，環鍛件種類越來越多，尺寸也趨于大型化，逐漸滿足了行業發展的需求。近年來，隨著環件軋制水平的提高，大型矩形截面環鍛件的研制已經達到了國際水平，2018 年首都航天機械有限公司在國內成功軋制出?9m 薄壁鋁合金大型環件[4]，2019 年由中科院金屬研究所與伊萊特重工研制出?15.6m 奧氏體不銹鋼超大型環鍛件，解決了眾多行業領域“卡脖子”的難題[5]。但是，當下大型異形截面環件仍存在難成形的問題，諸多學者為解決大型異形截面環件難成形的問題，對其制坯工藝進行了大量的研究。本文以解決大型異形截面環件難成形和成形精度低的問題為前提，闡述了國內外學者對環件軋制有限元模擬、大型異形截面環件制坯優化和軋制方法方面的理論分析及研究成果，并介紹了大型環件常見內、外部缺陷，以期為大型環鍛件的成形成性一體化發展提供經驗。

圖1 大型環鍛件實例圖[3]

1 環件軋制有限元模擬

環件軋制是一個熱力耦合的非線性過程，僅采用理論分析的方法來指導實際生產勢必會造成資源的浪費和成本的提高。20 世紀90 年代末，有限元軟件在我國興起，以CAE 為代表的有限元模擬軟件在模擬精確度、用戶界面、后處理等方面逐漸完善，為環件的有限元模擬奠定了基礎。

近年來，諸多學者通過有限元軟件歸納出環軋理論和環件塑性變形規律，為現實中環鍛件的生產提供了寶貴的經驗。潘剡等[6]與張家港海陸環形鍛件有限公司合作，對?9m 超大型環件設計了軋制工藝參數和新的芯輥進給方式，對其進行徑軸向軋制（Radial-Axial Ring Rolling，RARR）有限元模擬并在RAM9000 數控軋制機上成功軋制出成形精度和組織性能滿足要求的超大型法蘭環件。Han 等人[7]提出了一種能實現環件的壁厚減少、內直徑擴大、高度減少的RARR 新工藝，該工藝驅動輥起約束作用，并通過ABAQUS 對矩形截面毛坯進行約束軋制模擬，最終能夠有效控制環件成形的尺寸精度。Zhou[8]針對大型L 形環件建立了異形錐輥徑軸向軋制數學模型，通過Deform-3D 有限元軟件進行仿真模擬，將模擬的有限元結果與數學預測的外徑、外徑增長率、驅動輥轉速等參數進行了比較，模擬參數與預測參數吻合較好。田笑[9]對2Al4 鋁合金薄壁異形環件宏觀力學性能及微觀組織模擬，研究表明環件在170～400℃范圍內，溫度越高環件晶粒分布越均勻，并從環件的金屬流動方面進行軋制孔型優化，提出了環件近凈成形工藝。Liang 等[10]針對異形截面環件直徑達到要求值時輪廓不能填充的問題，提出了拉拔系數的影響，即主動變形區對被動變形區的牽拉作用，建立了外凹槽截面環件熱力耦合模型，進行了環件毛坯尺寸設計的數學公式，運用響應面法（Response surface method，RSM）建立了拉拔系數與其影響因子之間的關系，擬合出具體的環件毛坯尺寸計算公式。Meng 等[11]利用ANSYS 有限元軟件對大型環件鐓粗過程中棒料高徑比、液壓機鐓粗力對應變、鼓形、切向應力的影響，通過實驗對比基本吻合，為大型環件鐓粗工藝提供了基本的指導。

有限元模擬為環件軋制提供了可靠的實驗數據，促進了環件軋制理論的建立，為后期大型、復雜截面環鍛件的發展奠定了基礎。在實際生產過程中，企業或實驗者可預先在環件生產前進行有限元分析，借此優化實際生產方法或參數。隨著研究的深入，學者們發現在異形截面環件成形過程中，環件制坯與軋制同樣重要，對環件成形都有重要的影響，隨后促使大量學者對制坯工藝進行研究。

2 大型異形截面環鍛件制坯工藝

目前，大型矩形截面環鍛件軋制技術已比較成熟，大型異形截面環鍛件成形工藝仍有待優化，諸多研究表明并非所有的輪廓都能由矩形截面的毛坯形成，但是毛坯的預軋制會對環件的成形帶來一定的成效。而且，大型異形截面環鍛件生產是高成本、高能耗的復雜過程，對環軋過程中制坯工藝的優化有利于節省能源和減少成本的消耗，對響應國家節能減排的號召有重要的推動作用。

傳統的大型異形截面環件軋制工藝流程為鐓粗→沖孔→環軋→機加工，工藝流程如圖2。受現存成形技術制約，在大型異形截面環件成形過程中可能會出現魚尾、填充不滿、余量過多等缺陷，大大降低了成形精度，提高了生產成本。經長期試驗及理論研究發現優化毛坯可解決上述問題，武漢理工大學胡博奎[12]設計了三種不同形狀的環坯軋制雙列圓錐滾子軸承，經成形實驗獲得了高精度的軸承外圈鍛件，驗證了預鍛、終鍛制坯的可行性和外單錐度型毛坯的軋制優越性。何松等[13]針對錐臺復合截面環件提出了“等壁厚型”和“變壁厚型”兩種環坯設計方法，通過添加尺寸修正系數η 規范了最優環軋制坯范圍，實驗和模擬都獲得了截面填充效果好、成形精度高的錐臺復合截面環件。陳孝慶[14]針對大型內臺階環鍛件設計了梯形截面和矩形截面兩種毛坯，并對兩種不同截面的環坯設計了不同形狀的芯輥，研究發現梯形截面毛坯在軋制過程中溫度和應變分布較為均勻。王清等[15]通過胎膜制坯+異形環件軋制成形工藝獲得了2m 級大型高溫合金機匣，在保證了組織和性能優良的基礎上，提高了材料的利用率。鄧加東等[16]針對大型外臺階環件提出近凈成形工藝，如圖3，通過研究模鍛坯料的內、外斜度對環件金屬流動和填充能力的影響，確定出最佳參數方案，經實驗驗證內臺階環件成形效果良好，在減少環件坯料的同時提高了環件最終截面的填充效果。

圖2 傳統環件軋制工藝流程示意圖

圖3 外臺階成形過程示意圖[16]

3 環件軋制方法研究

選擇合適的環件軋制方法可以有效的提高環件軋制的成形精度與組織性能，在節省軋制成本的同時獲得合格的環件。在目前的研究中，常用的環件軋制方法有馬架擴孔、徑向軋制、徑軸向軋制和脹形工藝。

3.1 馬架擴孔成形

馬架擴孔是使環件直徑增大、壁厚減薄、軸向略增長的工藝，在工作時環件受三向壓應力狀態，使得裂紋難以在環件內部產生，故有較好的成形質量[17]。其成形原理如圖4 所示。砧板連續下壓環件，環件被芯軸所支撐住，同時環件在砧板每壓下一次后，轉動一定的角度，該過程往復循環，以此實現環件直徑壁厚減薄、軸向略增長。劉紅艷等[18]將馬架設置為可分離式，設計了可以調節寬度和高度的馬架，增加了馬架的適用性。王曉娟等[19]將馬架和芯軸進行改進，解決了工作時不穩定而發生晃動的問題。曹繁、藍箭等[20]針對傳統的馬架擴孔需要人力操控芯軸及環件轉動的問題，設計了新的結構，實現了馬架擴孔自動進給，提高了其自動化程度。

圖4 馬架擴孔原理圖

雖然諸多學者對馬架擴孔裝置進行了研究和改進，但是大型環件因體積大、成形直徑大，選用馬架擴孔成形還是會有所受限，馬架擴孔作為一種傳統的環件輾擴工藝，對于小型環件的輾擴有一定的優勢，但是對于大型環件的輾擴，與徑軸向軋制工藝相比在成本、精度和效率方面都有不足之處，目前馬架擴孔常用于大型環件制坯過程中，在制坯方面成效頗豐。

3.2 徑向軋制和徑軸向軋制

徑向軋制是環件預制坯運用輾環機，使環件直徑增大、截面輪廓成形的塑性成形工藝[21]，其成形原理如圖5。徑向軋制設備由徑向軋輥和導向輥組成，徑向軋輥包括驅動輥和芯輥，其中驅動輥主動旋轉并通過摩擦力帶動環件旋轉，芯輥做徑向進給運動，并在環件摩擦力的作用下被動旋轉；導向輥用于環件外輪廓的整圓，在工作時抱住環件，隨著環件直徑擴大的方向移動，起輔助作用。與徑向軋制相比，徑軸向軋制多了一對錐輥，即上、下錐輥，其工作原理如圖6，上、下錐輥繞自身軸線旋轉，同時，上錐輥邊向后退邊向軸向進給，上、下錐輥用于消除環件的軸向寬展，在如此往復循環的過程中，實現了環件的直徑增大、壁厚減薄、高度減小、輪廓成形。

圖5 徑向軋制原理圖

圖6 徑軸向軋制原理圖

徑軸向軋制是當前使用最廣泛的大型環件軋制工藝，早期，華林教授[22]根據運動學條件和靜力學條件推導出環件軋制的咬入條件和鍛透條件，并給出各軋輥運動參數的取值范圍和計算方法，為國內環鍛件的研究奠定了理論基礎。耿劍等[23]對環鍛件徑軸向軋制力和軋制力矩進行推導，并發現在環坯高度相同的情況下，環坯壁厚和芯輥尺寸越大，軋制過程中需要的徑向軋制力越大。劉東[24]根據軋制曲線建立環件徑軸向軋制過程中徑、軸向進給量之間的關系，通過建立運動學方程精確描述徑軸向軋制過程中的運動規律。郭良剛等[25]根據環件徑軸向軋制體積不變原理提出了一種對矩形截面環件毛坯尺寸設計的方法，該設計方法基于環件軋制比k 和變形量分配比tanα，并給出具體的適用范圍。

3.3 脹形工藝

脹形工藝是指環件在脹形力的作用下，環件整體沿周向拉伸、直徑擴大，壁厚沿徑向壓縮、減薄并發生塑性變形[26]，其原理如圖7 所示。脹形工藝具有卸載后回彈小、變形區材料不易轉移、不會失穩等優點。脹形工藝又可分為軟模脹形和剛性模脹形兩類，脹形工藝常用做工業生產中的成形工藝和強化工藝[27]，軟膜脹形常使用液體、氣體或彈性體提供徑向脹形力來達到脹形的目的，成形精度高；剛性模脹形采用分塊式模提供徑向脹形力，適用于成形精度稍低的成形。

圖7 脹形工藝原理示意圖

目前脹形工藝常被用來對終軋后的環件殘余應力均化處理和整圓，環件在脹形力的作用下可以獲得更好的組織和應力分布[28]。肖石霞[29]針對大型風電軸承環常出現橢圓、直徑不擴大、壁厚不均勻等缺陷，提出了徑向軋制與脹形工藝相結合的方法，環件軋制前期使用徑向軋制，軋制到一定程度改用脹形工藝，終軋后的環件成形精度好、內應力低。江道等[30]通過環件脹形工藝對2A70 鋁合金環件成形實驗和微觀探究，脹形后的環件拉伸強度提高明顯，促使第二相質點間距縮小，提高了鋁合金的強度。西北工業大學魏志堅等[31]研究了脹形技術對TC4 合金輾軋環鍛件殘余應力及分布的影響，通過實驗發現脹形工藝可有效調控環件的殘余應力。魏輝[32]基于Deform-3D 對2216 鋁合金5m 級異形截面機匣鍛件脹形工藝模擬，通過實驗驗證了脹形工藝可改善環件的應變均勻性，進一步說明了工藝的有效性。

4 大型環鍛件軋制缺陷研究

由于大型環件軋制的不均勻性，導致環件內部金屬流動不規則，從而造成了各種缺陷的產生，比如大型異形截面環鍛件常存在上下表面寬展、孔型填充不滿等缺陷；另一方面，由于軋制過程的不穩定，環件整體可能會出現折疊、翹曲、失穩等現象導致軋制失敗。面對航天、航空、風電、核電等行業對大型環鍛件的需求日益劇增，如何改善大型環鍛件的制造工藝和方法，改善大鍛件的金屬流動、成形精度，減少缺陷的產生、縮短工藝流程，仍是當下研究的需要。針對大型環件缺陷的產生，將從環件內、外部缺陷兩個方面進行探究。

4.1 環件外部缺陷

孔型填充不滿是最常見的環件外部缺陷之一，以孔型填充不滿為例，對環件外部缺陷進行介紹。孔型填充不滿分為兩種：第一種為軋制過程中孔型始終未能充滿；第二種為在軋制中某一時刻孔型填充完全，隨著軋制的進行造成孔型處金屬尺寸逐漸減小而與孔型逐漸分離[33]?？仔吞畛洳粷M常出現在大型異形截面環鍛件軋制中，該缺陷產生原因常為毛坯和軋輥尺寸設計不合理，導致環件孔型處徑、軸向金屬流動不均勻，如圖8。徐戊矯等[34]通過中心復合實驗和電場法設計了錐形法蘭環件的毛坯，并建立了環件截面填充率的模型，發現在異形截面環件填充過程中，先選擇難成形的區域填充再選擇易成形的區域填充的填充順序更有利于環件的孔型填充，同時芯輥進給速度的增加有利于改善環件截面填充率。王斌[35]針對斜I 截面環件在直徑達到要求時孔型填充不滿的問題，優化了坯料尺寸和模具型腔，實驗發現在金屬填充型腔階段，環件的金屬流動主要發生在環件徑向，故坯料和模具的設計應有利于環件的徑向金屬流動。

圖8 孔型填充不滿示意圖

4.2 環件內部缺陷

大型環鍛件在軋制完成以后需要進行熱處理來提高環件的最終組織性能，然而加熱溫度及保溫時間不當通常會引起環件內部晶粒粗大和組織偏析等內部缺陷，合理的熱處理工藝制定將有助于減少內部缺陷的產生，改善環件的最終性能。黃建武[36]針對2219 鋁合金環件在傳統熱處理工藝中存在晶粒組織粗大的問題，提出了環件深冷變形工藝，通過該工藝可以極大的抑制動態回復，得到細小的等軸晶粒，顯著增強了環件的強度和塑性，降低了環件的各向異性。尉瀟健等[37]采用840℃水淬+590℃回火的方法對42CrMo 離心鑄坯輾擴成形后的環件進行調質處理，經調質處理后環件的殘余應力得到釋放，塑性大幅提高，力學性能大幅改善。胡向東[38]針對GH141 高溫合金終軋后環件進行1080℃退火處理，發現隨著退火時間和固溶時間增加，環件的晶粒尺寸基本不發生變化。陳克宇[39]為提高環件的力學性能，對42Cr-Mo4 大型異形環件進行熱處理工藝設計，成形后的環件具有細小的晶粒和較低的內應力，經調質處理后晶粒度達到了8.5 級。

針對環件成形的外部缺陷問題，合理的設計毛坯尺寸、軋輥形狀和軋輥進給參數是避免外部缺陷產生的保障；針對環件內部缺陷問題，合理的熱處理工藝是保障環件最終組織性能的關鍵。環件外部無缺陷使得環件具有良好的成形質量，環件內部無缺陷使得環件具有良好的性能，在保證了環件內部、外部均無缺陷的前提下進行工藝研制，即成形成性一體化工藝[40]，是當下環鍛件發展的風向標。

5 結論和展望

5.1 結論

本文闡述了近年來國內外學者在環件軋制有限元模擬、大型異形截面環鍛件制坯優化和環件軋制方法方面的理論分析及研究成果，并對大型環鍛件的常見缺陷進行探討，并得出以下結論：

（1）環件軋制有限元模擬促進了環件軋制理論的建立，為實際生產提供了可靠的參數和生產方法，并為將來更大型、更復雜截面環鍛件的發展奠定了基礎。

（2）制坯優化促進了大型異形截面環鍛件的成形精度提高和能源消耗的減少，保證了大型異形截面填充位置具有較好的金屬流動。

（3）探討了馬架擴孔、徑向軋制、徑軸向軋制和脹形工藝四種成形方法的成形原理和適用范圍。馬架擴孔適用于小型、精度不高的環件軋制，也常用于大型環件制坯中；徑軸向軋制是在徑向軋制上的改進，是當今大型環鍛件軋制最常用的方法，其具有良好的塑性成形優勢；脹形工藝常用于環件軋制完成后的整圓和殘余應力均化處理。

（4）環件滿足鍛透條件和咬入條件的前提下，選擇較大的芯輥進給速度、設計合理的毛坯尺寸和熱處理工藝是避免缺陷產生的保障。

5.2 展望

環件軋制逐漸趨向于成形精密化、直徑增大化、截面復雜化，環件成形工藝的創新、成形精度的提高、節能節材為國內外廣大學者所關注。對于未來大型環鍛件的發展給出以下幾點要求：

（1）隨著國家航空、航天、風電、核電等領域的發展和國內環鍛件市場高端進口量需求的增加，國內對于更復雜的大型異形截面環鍛件的理論模型建立和工藝開發有待進一步完善。

（2）運用有限元分析軟件模擬生產過程，對大型環鍛件的發展起到了重要作用，未來對于有限元軟件環件軋制的微觀組織模擬是下一步開發的重點。

（3）環件成形與成性一體化調控是當下研究的熱點，大型環件的控穩、控形、控性一體化建設，對于大型環鍛件的發展具有重要的意義。