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    VOL01
    碾環工藝的發展與應用
        2020-12-24 16:52:15

           輾環又稱環形鍛件輾壓成形或擴孔,它是借助輾環設備—— 輾環機(又稱輾壓成形機或擴孔機)使環形鍛件直徑擴大、壁厚減小、截面輪廓逐漸成形的塑性加工工藝。輾環是連續的局部塑性成形工藝,與整體模鍛成形工藝相比,具有大幅度降低設備噸位和投資、振動沖擊小、節能節材、生產成本低、力學性能高等顯著技術經濟優點,是軸承環、齒輪環、法蘭環、火車車輪及輪箍、燃氣輪機及航空航天發動機機匣、封嚴環、安裝邊等各類無縫環形鍛件的先進制造技術,在工程機械、交通運輸、船舶、石油化工、航空航天、原子能等許多工業領域中日益得到廣泛應用。

         1. 輾環的分類

         1)徑向輾壓成形

         環形鍛件徑向輾壓成形原理驅動輥為主動輥,同時作旋轉輾壓成形運動和直線進給運動;芯輥為被動輥,作從動旋轉輾壓成形運動;導向和信號輥都為可自由轉動的從動輥。在驅動輥作用下,環形鍛件通過驅動輥與芯輥構成的輾壓成形孔型產生連續局部塑性變形,使環形鍛件壁厚減小、直徑擴大、截面輪廓成形,當環形鍛件經過多次輾壓成形的旋轉且直徑擴大到預定尺寸時,環形鍛件外圓表面與信號輥接觸,驅動輥停止直線進給運動并返回,輾環過程結束。導向輥的導向運動保證了環形鍛件在輾壓成形過程中的平穩運動。

         環形鍛件徑向輾壓成形設備結構簡單,廣泛地用于中小型輾環生產,但輾壓成形的環形鍛件面常有凹坑缺陷。

         2)徑一軸向輾壓成形

         為了改善輾壓成形環形鍛件的端面質量和能夠成形復雜的截面,在徑向輾環設備的基礎上,增加一對軸向端面輾壓輥,對環形鍛件的徑向和軸向同時輾壓成形,這樣使由徑向輾壓成形產生的環形鍛件端面上的凹陷由于軸向輾壓而得到修復和平整。軸向端面輾壓成形還可使環形鍛件獲得復雜的截面輪廓形狀。環形鍛件徑一軸向輾壓成形,驅動輥旋轉輾壓成形,芯輥徑向直線進給,端面輾壓輥作旋轉端而輾壓成形運動和軸向進給。在徑一軸向輾壓成形中,環形鍛件產生徑向壁厚和軸向高度減小,內、外直徑擴大,截面輪廓成形的連續局部塑性變形,當環形鍛件經反復多轉碾壓成形使直徑達到預定值時,芯輥的徑向進給和端面輥的軸向進給停止。環形鍛件徑一軸向輾壓成形變形結束。和徑向輾壓成形設備相比,徑一軸向輾壓成形設備結構復雜,主要用于大型復雜截面的輾環生產。

    “鍛件”

         2. 輾環應用

         輾環適于生產各種形狀尺寸、各種材料的環形鍛件或環坯。環形鍛件的材料為碳鋼、合金鋼、鋁合金、銅合金、鈦合金、鉆合金、鎳基合金等。常見的輾壓成形環形鍛件產品有軸承環、齒輪環、火車車輪的輪、燃氣輪機及航空發動機上的機匣、密封圈和安裝邊等。最大的輾壓成形環形鍛件是直徑10000mm、高度4000mm的核反應堆容器。

         3.輾環的歷史和發展

            輾環技術是伴隨著鐵路運輸業的發展而產生的。自19世紀中葉以來,鐵路交通的迅速發展使得火車的行駛速度和載重量大幅度提高。火車的鑄鐵車輪無法滿足高速重載的使用要求,于是人們在火車鑄鐵車輪上裝備性能更好的、可更換的鋼輪。為了生產火車輪,1842年英國建造了輪軋機,1886年俄國奧斯特洛維鑄造廠設立了火車輪生產車間。隨后,輾環技術不僅在火車車輪生產中得到了廣泛應用,在航空航天、石油化工及其他工程機械中也逐步得到推廣。我國應用輾環技術始于20世紀50年代。現在,碾環技術已經成為環形機械零件生產的高效、先進和主要工藝方法之一,并向著以下幾個方向迅速發展。

         (1)大型化。直徑2000mm以上的大型環形鍛件越來越多地采用輾環工藝生產,而原來的馬架擴孔工藝由于勞動強度大和生產率低,鍛件尺寸精度低和加工余量大等缺點逐步被淘汰。直徑2000mm~10000mm輾環設備在美國、德國、英國、法國、日本、俄羅斯等國家的數量迅速增加,我國也從德國引進了直徑3000mm~5500mm的碾環設備。

         (2)高速化。隨著輾環設備及其上、下料輔助設備的機械化自動化程度的提高,輾環速度和生產率隨之迅速提高。在小型軸承環輾壓成形自動生產線上,不僅下料、加熱、制壞、輾壓成形工藝過程實現了自動化生產,而且生產率達到300件/h~1000件/h。

         (3)精密化。隨著制坯的精化和輾環過程測控系統的進步,輾環精度逐漸提高,精密輾環技術迅速發展。目前,精密輾壓成形的環形鍛件直徑尺寸精度可達到1/1000。

         (4)復雜化。一般輾環主要用于生產截面為矩形或近似矩形的環形零件,復雜截面的環形鍛件通常也簡化成截面近似矩形的環件,然后再機械切削加工,但為了減少機械加工量、提高環形鍛件的材料利用率,生產復雜截面環形鍛件的技術得到高度重視和迅速發展。通過優化輾壓成形用的環坯和合理設計輾壓成形的孔型,許多復雜截面的環形鍛件已能直接輾壓成形。

         (5)柔性化。為了滿足小批量、多品種、多規格地生產環件,能快速更換成形孔型和工作參數調節方便的柔性輾環設備受到了重視。目前的柔性輾環設備的成形孔型更換時間為1.5h~2h,環形鍛件直徑為250~900mm,重量為20kg-100kg,非常適合批量為50件的小批量輾壓成形生產。

        (6)材料多樣化。隨著航空航天技術的發展,航空航天發動機的機匣、密封環和安裝邊等環形件大量采用高合金化的鋁合金、耐熱耐蝕不銹鋼、合金和高溫合金制造,這些材料的共同特點是變形抗力大、流動性差、加工工藝窗口窄,更由于這些材料昂貴和對鍛件組織性能要求高,使發展特種合金精密輾壓成形工藝技術的需求十分迫切。

    “鍛件”

     

         4.輾環的技術經濟性

         輾環工藝通常是在將鍛錘——輾環機、平鍛機——輾環機、鍛錘——壓力機——輾環機等設備組合起來的生產線上實施,與傳統的環形鍛件自由鍛造工藝、環形鍛件模鍛工藝相比,具有較好的技術經濟效果,具體表現在以下幾個方面;

         (1)精度高、加工余量少、材料利用率高。輾壓成形的環形鍛件幾何精度與模鍛環形鍛件相當,毛壞的沖孔連皮小,而且無飛邊損失。與自由鍛工藝相比,輾壓成形環形鍛件精度大為提高,加工余量大為減少。

         (2)內部質量好。輾壓成形的環形鍛件的內部組織致密、品粒細小、流線沿圓周方向分布,其組織性能、耐磨性和疲勞壽命明顯高于用其他方法鍛造或機械加工生產的環形鍛件。

         (3)設備噸位小,投資少、鍛件直徑范圍大。輾壓變形是通過局部變形的積累而實現整個鍛件變形的,與整體模鍛變形相比,輾環變形力大幅度減小,因而輾壓成形設備的噸位大幅度降低,設備投資大幅度減少。一般在碾環設備上可以加工的環形鍛件直徑范圍大,最大直徑與最小直徑相差3倍~5倍,最大重量與最小重量相差數十倍,這是其他的加工設備難以達到的。

         (4)生產率高,輾環設備的輾壓成形速度通常為1m/s~2m/s,成形周期一般為10s左右,最短可達3.6s,最大生產率已達1000件/h,大大高于自由鍛造和模鍛環形鍛件的生產率。

         (5)生產成本低。輾環具有材料利用率高,機加工工時少、生產能耗低、輾壓成形孔型壽命長等綜合優點,因而生產成本較低。德國制造+3500mm×110mm×90mm的碳鋼環形我件,自由鍛比輾壓成形生產成本高77%;前蘇聯統計,輾環與自由鍛相比,材料消耗降低40%~50%,生產成本降低75%。


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