环形锻件碾压成型工艺和技术的发展

       辗环又称环形锻件辗压成形或扩孔,它是借助辗环设备—— 辗环机(又称辗压成形机或扩孔机)使环形锻件直径扩大、壁厚减小、截面轮廓逐渐成形的塑性加工工艺。辗环是连续的局部塑性成形工艺，与整体模锻成形工艺相比，具有大幅度降低设备吨位和投资、振动冲击小、节能节材、生产成本低、力学性能高等显著技术经济优点，是轴承环、齿轮环、法兰环、火车车轮及轮箍、燃气轮机及航空航天发动机机匣、封严环、安装边等各类无缝环形锻件的先进制造技术，在工程机械、交通运输、船舶、石油化工、航空航天、原子能等许多工业领域中日益得到广泛应用。

      1. 辗环的分类

       1)径向辗压成形

       环形锻件径向辗压成形原理驱动辊为主动辊，同时作旋转辗压成形运动和直线进给运动；芯辊为被动辊，作从动旋转辗压成形运动；导向和信号辊都为可自由转动的从动辊。在驱动辊作用下，环形锻件通过驱动辊与芯辊构成的辗压成形孔型产生连续局部塑性变形，使环形锻件壁厚减小、直径扩大、截面轮廓成形，当环形锻件经过多次辗压成形的旋转且直径扩大到预定尺寸时，环形锻件外圆表面与信号辊接触，驱动辊停止直线进给运动并返回，辗环过程结束。导向辊的导向运动保证了环形锻件在辗压成形过程中的平稳运动。

       环形锻件径向辗压成形设备结构简单，广泛地用于中小型辗环生产，但辗压成形的环形锻件面常有凹坑缺陷。

       2)径一轴向辗压成形

       为了改善辗压成形环形锻件的端面质量和能够成形复杂的截面，在径向辗环设备的基础上，增加一对轴向端面辗压辊，对环形锻件的径向和轴向同时辗压成形，这样使由径向辗压成形产生的环形锻件端面上的凹陷由于轴向辗压而得到修复和平整。轴向端面辗压成形还可使环形锻件获得复杂的截面轮廓形状。环形锻件径一轴向辗压成形，驱动辊旋转辗压成形，芯辊径向直线进给，端面辗压辊作旋转端而辗压成形运动和轴向进给。在径一轴向辗压成形中，环形锻件产生径向壁厚和轴向高度减小，内、外直径扩大，截面轮廓成形的连续局部塑性变形，当环形锻件经反复多转碾压成形使直径达到预定值时，芯辊的径向进给和端面辊的轴向进给停止。环形锻件径一轴向辗压成形变形结束。和径向辗压成形设备相比，径一轴向辗压成形设备结构复杂，主要用于大型复杂截面的辗环生产。

      2. 辗环应用

     辗环适于生产各种形状尺寸、各种材料的环形锻件或环坯。环形锻件的材料为碳钢、合金钢、铝合金、铜合金、钛合金、钻合金、镍基合金等。常见的辗压成形环形锻件产品有轴承环、齿轮环、火车车轮的轮、燃气轮机及航空发动机上的机匣、密封圈和安装边等。最大的辗压成形环形锻件是直径10000mm、高度4000mm的核反应堆容器。

     3.辗环的历史和发展

        辗环技术是伴随着铁路运输业的发展而产生的。自19世纪中叶以来，铁路交通的迅速发展使得火车的行驶速度和载重量大幅度提高。火车的铸铁车轮无法满足高速重载的使用要求，于是人们在火车铸铁车轮上装备性能更好的、可更换的钢轮。为了生产火车轮，1842年英国建造了轮轧机，1886年俄国奥斯特洛维铸造厂设立了火车轮生产车间。随后，辗环技术不仅在火车车轮生产中得到了广泛应用，在航空航天、石油化工及其他工程机械中也逐步得到推广。我国应用辗环技术始于20世纪50年代。现在，碾环技术已经成为环形机械零件生产的高效、先进和主要工艺方法之一，并向着以下几个方向迅速发展。

     (1)大型化。直径2000mm以上的大型环形锻件越来越多地采用辗环工艺生产，而原来的马架扩孔工艺由于劳动强度大和生产率低，锻件尺寸精度低和加工余量大等缺点逐步被淘汰。直径2000mm～10000mm辗环设备在美国、德国、英国、法国、日本、俄罗斯等国家的数量迅速增加，我国也从德国引进了直径3000mm~5500mm的碾环设备。

     (2)高速化。随着辗环设备及其上、下料辅助设备的机械化自动化程度的提高，辗环速度和生产率随之迅速提高。在小型轴承环辗压成形自动生产线上，不仅下料、加热、制坏、辗压成形工艺过程实现了自动化生产，而且生产率达到300件/h～1000件/h。

     (3)精密化。随着制坯的精化和辗环过程测控系统的进步，辗环精度逐渐提高，精密辗环技术迅速发展。目前，精密辗压成形的环形锻件直径尺寸精度可达到1/1000。

     (4)复杂化。一般辗环主要用于生产截面为矩形或近似矩形的环形零件，复杂截面的环形锻件通常也简化成截面近似矩形的环件，然后再机械切削加工，但为了减少机械加工量、提高环形锻件的材料利用率，生产复杂截面环形锻件的技术得到高度重视和迅速发展。通过优化辗压成形用的环坯和合理设计辗压成形的孔型，许多复杂截面的环形锻件已能直接辗压成形。

     (5)柔性化。为了满足小批量、多品种、多规格地生产环件，能快速更换成形孔型和工作参数调节方便的柔性辗环设备受到了重视。目前的柔性辗环设备的成形孔型更换时间为1.5h~2h，环形锻件直径为250~900mm，重量为20kg-100kg，非常适合批量为50件的小批量辗压成形生产。

    (6)材料多样化。随着航空航天技术的发展，航空航天发动机的机匣、密封环和安装边等环形件大量采用高合金化的铝合金、耐热耐蚀不锈钢、合金和高温合金制造，这些材料的共同特点是变形抗力大、流动性差、加工工艺窗口窄，更由于这些材料昂贵和对锻件组织性能要求高，使发展特种合金精密辗压成形工艺技术的需求十分迫切。

     4.辗环的技术经济性

     辗环工艺通常是在将锻锤——辗环机、平锻机——辗环机、锻锤——压力机——辗环机等设备组合起来的生产线上实施，与传统的环形锻件自由锻造工艺、环形锻件模锻工艺相比，具有较好的技术经济效果，具体表现在以下几个方面；

     (1)精度高、加工余量少、材料利用率高。辗压成形的环形锻件几何精度与模锻环形锻件相当，毛坏的冲孔连皮小，而且无飞边损失。与自由锻工艺相比，辗压成形环形锻件精度大为提高，加工余量大为减少。

     (2)内部质量好。辗压成形的环形锻件的内部组织致密、品粒细小、流线沿圆周方向分布，其组织性能、耐磨性和疲劳寿命明显高于用其他方法锻造或机械加工生产的环形锻件。

     (3)设备吨位小，投资少、锻件直径范围大。辗压变形是通过局部变形的积累而实现整个锻件变形的，与整体模锻变形相比，辗环变形力大幅度减小，因而辗压成形设备的吨位大幅度降低，设备投资大幅度减少。一般在碾环设备上可以加工的环形锻件直径范围大，最大直径与最小直径相差3倍～5倍，最大重量与最小重量相差数十倍，这是其他的加工设备难以达到的。

     (4)生产率高，辗环设备的辗压成形速度通常为1m/s～2m/s，成形周期一般为10s左右，最短可达3.6s，最大生产率已达1000件/h，大大高于自由锻造和模锻环形锻件的生产率。

     (5)生产成本低。辗环具有材料利用率高，机加工工时少、生产能耗低、辗压成形孔型寿命长等综合优点，因而生产成本较低。德国制造+3500mm×110mm×90mm的碳钢环形我件，自由锻比辗压成形生产成本高77%；前苏联统计，辗环与自由锻相比，材料消耗降低40%～50%，生产成本降低75%。