大型環鍛設備軸向軋輥異形改造

王 超

（天津特鋼精鍛有限公司，天津 300300）

0 引言

近年來，在國家政策的大力支持下，我國風電產業得到迅速發展，尤其是大型海上風力發電，2021 年我國風電發電量達到6526 億千瓦時。作為風力發電發展的基礎，我國風電設備的制造技術和生產能力也得到了同步快速發展。而大型風電法蘭及軸承是風力發電機組的重要零部件，由于風力發電機組具有使用周期長，以及惡劣的工作環境、事后維修困難和維修成本高等特點，因此風電法蘭及軸承制造是有著嚴格的工藝和質量要求，目前主要采用鑄坯整體鍛造成環件作為其加工毛坯。天津市特鋼精鍛有限公司(后稱特鋼精鍛公司)成立于2014 年4 月，通過引進國際先進全自動化碾環設備及技術，成為國內大型、高端環鍛件產品的重要生產企業。其主要核心產品年產能達到5 萬噸，2021年實際產能4.5萬噸。其中風電法蘭超過3萬噸。

經過多年的生產實踐，特鋼精鍛公司積累了大量技術和生產經驗的，但如果要在嚴峻的市場競爭環境中生存和發展，就要不斷的探索創新，在提高產品性能、質量的前提下降低產品制造成本。本文對碾環機結構組成、工作原理及生產工藝流程進行了介紹，針對降低產品原材料用量、減少后續環鍛件的機加工量，對碾環機軸向軋輥裝置進行了革新改造。通過軸向軋輥工裝工具的結構優化，達到了降本增效的預期目的。

1 碾環機軋制工藝及設備技術性能

1.1 碾環機工作原理

碾環軋制是連續局部塑性成形工藝，是軋制技術與機械零件制造技術的交叉和結合。與傳統的環件自由鍛造工藝、模鍛工藝、火焰切割工藝等相比，具有顯著的技術經濟優點。其主要特點是：環件精度高、組織性能好、加工余量少、材料利用率高，設備噸位小、投資少、加工范圍大，生產效率高、成本低。大型環鍛件的軋制是通過鍛壓機制好坯料后，進入碾環工序，由錐型輥施加軸向壓力，芯軸施加徑向壓力，配合主輥和抱輥完成整個軋制過程。

碾環機徑-軸向環軋工藝流程：原材料→下料→加熱→制坯→再加熱→環軋→冷卻→熱處理→車削→校驗[1]。對于直徑1～2m 的大型環件，制坯的工藝相對簡便、效率高、時間短，一般制坯后可以進行直接軋制；對于直徑5M 以上的超大型環件或者復雜形狀環件，由于坯子變形量大、制坯時間長，導致制坯結束后環件溫度過低，一般低于800℃，不能一火完成后續熱軋成型，需要在制坯結束后二次加熱，再軋制成形。

1.2 碾環機結構及性能

碾環機是大型環鍛件軋制的核心設備。特鋼精鍛公司引了進德國先進碾環機，碾環最大直徑為10000mm、高度為2500mm，設備長約34m，徑向軋制力為10000KN，軸向軋制力為6300KN。碾環機徑向軋制力是由液壓產生并通過芯軸傳遞到工件，徑向壓下量是通過減少驅動主輥和芯軸之間的距離而達到的。軸向軋制力是由液壓產生并通過上軸向輥傳遞到工件，軸向壓下量是通過垂直調整上軸向輥而達到的。對中裝置用于固定環件在軋制過程中的位置。機器控制系統允許軋制過程通過手動或自動模式運行，所有的機械運動都是通過PLC 控制，CNC 控制系統是為執行自動軋制過程提供的。

圖1 為碾環機結構總圖。圖中1-芯軸滑塊、2-芯軸、3-軋制平臺、4-軸向輥、5-軸向立架、6-軸向輥滑塊、7-測量裝置、8-主輥驅動器、9-主輥、10-對中輥。

圖1 碾環機結構總圖

1.3 環鍛產品主要用途

特鋼精鍛公司是生產大型、高端環鍛件的專業廠家，積累了大量環鍛件生產制造經驗，目前公司環鍛產品主要應用于風電大型法蘭及軸承的制造，以及工程機械回轉支撐環、核電和石化壓力容器環、運載火箭燃料艙體環等的制造。本文重點介紹風電大型法蘭及軸承的制造用途。

（1）風電法蘭。風電法蘭主要是指風力發電塔筒法蘭，它是連接風電塔筒各段或塔筒與輪轂以及輪轂與葉片之間的結構件，是風電機組的重要零部件之一，相互間通常采用高強螺栓連接。由于風力發電機組惡略的工作環境以及事后維修困難等使用特點，因此風電法蘭制造是有著嚴格的工藝要求，目前主要采用鑄坯整體鍛造成環件作為其加工毛坯。風電法蘭實物形狀如圖2所示。

圖2 風電法蘭實物

（2）風電軸承。風電軸承，尤其是風機的主軸軸承，其主要用于連接輪轂和齒輪箱，將葉片產生的風能通過齒輪箱傳遞給發電機，其機械性能、加工精度和使用壽命等會直接影響整機的運行與使用情況。因此其環件坯料的生產與風電法蘭一樣，也是采用鑄坯整體鍛造成型，風電軸承實物形狀如圖3所示。

圖3 風電軸承實物

2 碾環機軸向軋輥結構及改進

為了在保證安全生產和產品質量的前提下提高原料利用率、降低后續機加工成本，本文重點對碾環機軸向軋制輥裝置結構及運動原理進行了分析，并對軸向軋輥工裝工具的結構優化提出改進建議。

2.1 碾環機軸向軋輥運動分析

圖4 為碾環機軸向立柱裝置示意圖，圖中，1-軸向立柱，2、3、5-液壓缸，4-軸向輥滑塊，6-軌道輪，7-導軌，8-下軸向輥，9-上軸向輥。

圖4 碾環機軸向立柱示意圖

軸向軋輥裝置運動原理：軸向立柱是用來支撐上、下軸向輥裝置的；下軸向輥是安裝在軸向立柱上的；上軸向輥是安裝在軸向輥滑塊中的，軸向輥滑塊可以通過液壓缸2 帶動上軸向輥在軸向立柱上移動；液壓缸3 是用來平衡軸向輥滑塊的重量，它被液壓油永久加壓；碾環機軋制期間，軸向立柱可通過軌道輪在導軌上移動，其位置調節是通過液壓缸5 來執行的，軸向立柱的位置可由液壓缸5 上的位置測量系統檢測，并顯示在機器控制系統。

2.2 碾環機軸向軋輥驅動裝置

圖5 為碾環機軸向軋輥驅動裝置結構圖，圖中，1-上軸向輥，2、12-軸承，3-軸向輥滑塊，4、11-減速箱，5、10-柔性聯軸器，6、9-驅動電動機，7、8旋轉接頭，13-下軸向輥，14-軸向立柱。由圖5 可以看出，上、下軸向軋輥分別由一個電動機通過柔性聯軸器和減速箱來進行驅動。

圖5 碾環機軸向軋輥驅動置結構圖

2.3 碾環機軸向軋輥裝置改造

為了適應大型環鍛件復雜的斷面結構，使環鍛產品盡量接近成品環件斷面形狀，減少環鍛件原料用量、降低后續環件車削工作量，針對軸向軋輥裝置上錐輥結構和軋制工藝進行了分析和革新改造。

（1）首先，根據異形環鍛件斷面結構，在原有的上錐輥結構的基礎上，設計異形上錐輥結構，然后安圖加工成帶方形凹槽的異形錐輥。原上錐輥結構如圖6所示，改造后的異形上錐輥結構如圖7所示。

圖6 原上錐輥

圖7 異形上錐輥

（2）將原有環鍛件軸向軋制過程分成兩個階段：第一階段軋制矩形環（見圖8）；第二階段設定進給參數，用改造后錐輥異形部件進行第二階段軋制（見圖9）。上錐輥結構改造前后軋制后產品如圖10、圖11所示。

圖8 改造前軋制過程

圖9 改造后軋制過程

圖10 改造前軋制產品

圖11 改造后軋制產品

3 技術革新改造效果

（1）節約原材料成本。利用外徑4.5m，內徑4m，高150mm 的矩形法蘭做實驗對比。改造前軋制成品體積V 為0.2355m3，根據法蘭凹槽的尺寸，采用異形錐輥軋制后成品體積為0.21055m3。兩者相減后，節約部分體積△V 為0.023 m3，改造效果顯著，節約原材料約10%。

（2）節約成品加工成本。直接一次成型的異形法蘭環鍛件與原生產加工工藝比，不但節約了原材料效耗，還為法蘭環件后續加工節省了大量加工成本。

綜上所述，根據不同大型環件斷面結構尺寸，在錐輥軸向進給有效區域加工寬30～100mm、深40～100mm 凹槽，直接一次成型異形環鍛件，與原生產加工工藝比，每年可為特鋼精鍛公司節省原料投入約3000t以上，節約原料成本約1800萬元。

4 結語

碾環軋制工藝與傳統的環件自由鍛造、模鍛等工藝相比，具有環件軋制精度高、后續加工余量少、材料利用率高等特點，提高了大型環件制造工藝水平和生產效率，使我國風電設備的制造水平和能力上了一個新的臺階，對我國的風電發展起到極大的促進作用。

風電大型法蘭及軸承制造對環鍛件工藝尺寸余量要求極其苛刻，在這滿足工藝余量的前提下如何降低環鍛件原料成本是目前企業在市場競爭下強有力的存活手段。特鋼精鍛公司在風電大型法蘭及軸承制造方面積累了大量經驗，通過碾環機軸向軋輥異形結構改造和軋制工藝的改進，進一步降低了環鍛件原料的用量及后續環件車削工作量，達到了降本增效的預期目的，這種不斷的技術革新改造將成為我國大型環段制造業的發展方向。