肖石霞，郭 揚(yáng)

(貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550008)

0 前言

當(dāng)前，環(huán)件軋制作為大型異截面環(huán)狀零件的主要成形方法，廣泛用于法蘭環(huán)、軸承環(huán)、齒輪環(huán)、火車車輪等零件或毛坯的生產(chǎn)，是生產(chǎn)無縫環(huán)件的一種特殊成形方法。軋制環(huán)件內(nèi)部組織致密，晶粒細(xì)小，力學(xué)強(qiáng)度、耐磨性和疲勞壽命都明顯高于其他加工方法生產(chǎn)的環(huán)件，其軋制后金屬纖維沿環(huán)件圓周方向連續(xù)分布，與環(huán)件使用時(shí)的受力和磨損相適應(yīng)［1］。但由于下料誤差、加熱燒損、溫度不均及制坯沖孔連皮誤差等影響，實(shí)際生產(chǎn)中較易出現(xiàn)缺陷產(chǎn)生廢品，這對(duì)于具有特殊要求的風(fēng)電軸承環(huán)的生產(chǎn)及應(yīng)用將產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)損失。

風(fēng)電軸承制造的關(guān)鍵在于軸承環(huán)件的制造加工，軸承環(huán)是風(fēng)電軸承的核心組件，其性能對(duì)軸承服役壽命及主機(jī)安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要。風(fēng)電軸承環(huán)屬于大型復(fù)雜截面環(huán)狀零件，我國(guó)傳統(tǒng)的加工方法主要是自由鍛擴(kuò)孔和切削加工，多采用矩形截面環(huán)件加工，材料利用率低、加工周期長(zhǎng)、流線大量切斷、產(chǎn)品尺寸精度和組織性能穩(wěn)定性不強(qiáng)和加工變形等突出問題，本文主要分析脹形在風(fēng)電軸承環(huán)生產(chǎn)中的應(yīng)用。

1 風(fēng)電軸承現(xiàn)狀

軸承屬于風(fēng)電設(shè)備的核心零部件。由于風(fēng)電設(shè)備的惡劣工況和長(zhǎng)壽命、高可靠性的使用要求，使得風(fēng)電軸承具有較高的技術(shù)特性，是影響風(fēng)電裝備國(guó)產(chǎn)化［2－3］率的關(guān)鍵部件之一，也是影響我國(guó)風(fēng)電裝備制造業(yè)發(fā)展的軟肋。2006 年以前，國(guó)內(nèi)風(fēng)電設(shè)備配套軸承大部分都是進(jìn)口，價(jià)格昂貴，交貨周期長(zhǎng)。近年來，國(guó)產(chǎn)風(fēng)電軸承逐漸形成了規(guī)?；⑾盗谢a(chǎn)，主要企業(yè)有瓦軸、天馬、洛軸、徐州羅特艾德、大冶軸等，不僅基本滿足了國(guó)內(nèi)的需求，而且也成為國(guó)外一些風(fēng)電設(shè)備廠家的采購渠道［2－3］。以裝用軸承最多的傳統(tǒng)的帶齒輪箱異步交流發(fā)電機(jī)機(jī)組為例，測(cè)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝用軸承量，取平均值為26 套［2］。

目前國(guó)內(nèi)軸承行業(yè)對(duì)風(fēng)電軸承的設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有吃透［3］。偏航軸承和變槳軸承的技術(shù)門檻相對(duì)較低，而主軸軸承和變速器軸承的技術(shù)含量較高，因此，目前國(guó)內(nèi)風(fēng)電軸承企業(yè)的產(chǎn)能主要集中在偏航軸承和變漿軸承上，有文獻(xiàn)表明3 MW 以下風(fēng)電設(shè)備配套軸承均可批量生產(chǎn)，國(guó)產(chǎn)替代率已達(dá)到80%以上，已經(jīng)超過了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求;但對(duì)于主軸軸承和增速器軸承，基本還是依靠進(jìn)口。因此，系統(tǒng)開展國(guó)產(chǎn)化風(fēng)電關(guān)鍵軸承制造技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用已經(jīng)成為提高我國(guó)風(fēng)電裝備自主制造能力的當(dāng)務(wù)之急。

2 環(huán)狀零件的加工

2.1 軸承環(huán)傳統(tǒng)加工工藝

文獻(xiàn)［8］表明軸承內(nèi)外圈的傳統(tǒng)制造工藝是制坯(鍛造)-退火(或正火)-車削加工-熱處理淬、回火-滾、銑加工-鉆孔-磨削加工-精研或拋光-零件終檢-防銹-入庫-(待合套裝配)。這種加工方法繁瑣、效率低、成本高、材料利用率低、零件尺寸精度低。

2.2 大型環(huán)狀零件的成形

大型環(huán)狀零件的傳統(tǒng)工藝是下料—鐓粗—沖孔—擴(kuò)孔—端面平整，傳統(tǒng)的工藝采用加大鍛件高度余量，相應(yīng)增加下料余量，同時(shí)增加機(jī)加工工作量，對(duì)降低鍛件成本十分不利，為解決此問題，根據(jù)塑性成形原理，探索出了環(huán)形鍛件的另一種成形方法，即環(huán)件軋制。環(huán)件軋制，又叫做輾軋或擴(kuò)孔，它是借助軋環(huán)機(jī)(又稱輾擴(kuò)機(jī)或擴(kuò)孔機(jī))使環(huán)件產(chǎn)生壁厚減小、直徑擴(kuò)大、截面輪廓成形的塑性加工工藝［4］，是機(jī)械零件制造技術(shù)與軋制技術(shù)交叉復(fù)合而成的環(huán)形零件連續(xù)局部塑性成形新技術(shù)，此方法已成功運(yùn)用在生產(chǎn)實(shí)踐中并成為大型環(huán)狀零件的主要加工方法。環(huán)件軋制成形在具有很多其他方法無法比擬優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也存在一些問題，任何一個(gè)問題的出現(xiàn)都會(huì)破壞環(huán)件軋制的穩(wěn)定性，導(dǎo)致軋制過程無法進(jìn)行，甚至產(chǎn)生廢品，所以對(duì)異型截面環(huán)狀零件的加工方法不能滿足具有特殊性能要求的風(fēng)電軸承環(huán)。

風(fēng)電軸承環(huán)的加工一般要經(jīng)過選材、鍛打、正火、退火、粗車、去應(yīng)力退火、精車、淬火、回火、磨加工、精研倒角、防銹磷化、去應(yīng)力回火、精磨、探傷、裝配。

2.3 輾軋成形常見缺陷分析

相比于整體模鍛成形工藝，軋制成形能大幅度降低設(shè)備噸位和投資，減小振動(dòng)沖擊，節(jié)約能源和材料，從而降低生產(chǎn)成本［12］。同時(shí)，實(shí)際生產(chǎn)中環(huán)件軋制存在很多問題，主要有毛刺、凹坑、橢圓、壁厚不均、錐度、魚鱗、充不滿、直徑不擴(kuò)大等，如圖1 所示為某企業(yè)生產(chǎn)中出現(xiàn)的毛刺和魚鱗，這些缺陷的出現(xiàn)降低了環(huán)件質(zhì)量，甚至使零件報(bào)廢，本文將對(duì)此作進(jìn)一步分析。

圖1 環(huán)件軋制過程中出現(xiàn)的毛刺、劃傷和折疊Fig.1 The burr，scuff and fold in ring rolling process

橢圓是指環(huán)件經(jīng)軋制變形后本應(yīng)為圓柱面的外表面和內(nèi)表面偏離了圓柱面，使環(huán)件內(nèi)、外表面出現(xiàn)了最大直徑和最小直徑。隨著軋制過程的進(jìn)行，環(huán)件直徑不斷增大導(dǎo)致環(huán)件剛度減小，所以環(huán)件的橢圓度會(huì)越來越大。當(dāng)橢圓度較大時(shí)，即環(huán)件最大直徑與最小直徑的差值也較大，以致會(huì)出現(xiàn)平均直徑合乎要求，而最大直徑和最小直徑超出規(guī)定范圍。

這些缺陷需要通過后續(xù)機(jī)加工切削掉。這會(huì)使機(jī)加工工時(shí)和費(fèi)用增加，材料消耗增加。若缺陷過大，不能通過機(jī)加工去掉，則環(huán)件報(bào)廢。為了提高環(huán)件材料利用率，減少軋制缺陷，小直徑環(huán)件軋制時(shí)要著重控制截面充不滿缺陷;大直徑環(huán)件軋制時(shí)要著重控制橢圓度缺陷［6］。環(huán)件軋制過程中橢圓現(xiàn)象用肉眼無法判斷，只有通過尺寸測(cè)量才能確定。圖2為環(huán)件deform 中無導(dǎo)向輥軋制過程中出現(xiàn)的橢圓現(xiàn)象［7］。導(dǎo)輥，即抱輥，在軋制過程中起到歸圓作用，即使在有導(dǎo)輥?zhàn)饔靡灿袡E圓現(xiàn)象出現(xiàn)，從圖3 可以看出，有導(dǎo)輥?zhàn)饔玫沫h(huán)件軋制成形后，環(huán)件鍛件的橢圓度［7］也高達(dá)6 mm。

圖2 無導(dǎo)向輥?zhàn)饔贸霈F(xiàn)的橢圓Fig.2 The appeared oval without guide

圖3 有導(dǎo)向輥?zhàn)饔孟鲁霈F(xiàn)的橢圓度Fig.3 The appeared oval with guide roll

3 脹形在風(fēng)電軸承環(huán)生產(chǎn)中的應(yīng)用分析

3.1 脹形工藝簡(jiǎn)介

在模具的作用下，迫使毛坯厚度減薄和表面積增大，以獲得零件幾何形狀的沖壓加工方法叫做脹形。由于受到材料塑性和塑性變形能力的限制﹐脹形程度不宜過大。脹形主要用于平板毛坯的局部成形、整體張拉成形及圓柱體空心毛坯的擴(kuò)徑。脹形變形均勻﹐只需要一塊模具(通常為凹模)﹐可以節(jié)省制模費(fèi)用﹐但輔助工序較多﹐效率不高［10］。脹形工藝與拉深工藝不同，毛坯的塑性變形區(qū)局限于變形區(qū)范圍內(nèi)，材料不向變形區(qū)外轉(zhuǎn)移，也不從外部進(jìn)入變形區(qū)，是靠毛坯的局部變薄來實(shí)現(xiàn)的。局部脹形時(shí)毛坯在雙向拉應(yīng)力條件下，卸載后的回彈很小，毛坯的貼模性與定形性都較好，容易得到尺寸精度較高的零件。此外，由于變形區(qū)不存在壓應(yīng)力，所以不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)起皺現(xiàn)象，因此零件表面光滑、質(zhì)量好。為了零件的形狀剛度和精度，有時(shí)在零件成形之后再用脹形方法進(jìn)行校形。

3.2 脹形在風(fēng)電軸承環(huán)生產(chǎn)中的應(yīng)用

由于脹形工藝具有變形區(qū)材料不轉(zhuǎn)移、卸載后回彈小、不會(huì)失穩(wěn)起皺等諸多優(yōu)點(diǎn)，可嘗試將其用于大型風(fēng)電軸承環(huán)的后續(xù)成形，即當(dāng)環(huán)件軋制到一定程度時(shí)改用脹形加工。利用塑性變形體積不變?cè)瓌t可精確計(jì)算軋制件坯料和脹形件坯料，脹形后可得到尺寸精確度高表面質(zhì)量較好的環(huán)件。合理的毛坯設(shè)計(jì)與制造能獲得精確形狀尺寸與良好組織的高性能環(huán)件。后續(xù)研究中會(huì)嘗試分析矩形截面、L 形截面、法蘭環(huán)截面環(huán)件鍛件的坯料設(shè)計(jì)和制造方法，對(duì)風(fēng)電軸承環(huán)環(huán)件鍛件坯料進(jìn)行設(shè)計(jì)并確定制坯方法。然后進(jìn)行環(huán)件軋制工藝的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，再選取相關(guān)工藝參數(shù)作為影響環(huán)件脹形結(jié)果的因素，得出影響環(huán)件綜合性能的主要因素及環(huán)件脹形的近似最優(yōu)工藝參數(shù)組合。

3.3 軋制與脹形復(fù)合技術(shù)

塑性加工時(shí)如果出現(xiàn)材料各部分的變形量不同，會(huì)在材料內(nèi)部各部分之間造成內(nèi)應(yīng)力。如帶凸肚的軋輥軋制板材時(shí)，由于中間和兩邊的壓下量不同導(dǎo)致板材中部延伸量明顯大于兩邊，但由于中部受兩邊的限制而不能自由伸長(zhǎng)，這就引起中部受壓、兩邊受拉的內(nèi)應(yīng)力，加工結(jié)束后這部分內(nèi)應(yīng)力仍將保存在板材中成為殘余應(yīng)力。在環(huán)件軋制過程中，產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力會(huì)引起各種裂紋，影響零件的使用性能，還會(huì)影響到零件的加工精度。消除內(nèi)應(yīng)力的方法主要有兩類，熱處理法和機(jī)械處理法。用熱處理消除殘余應(yīng)力時(shí)，尤其是較高溫度下的退火，雖然殘余應(yīng)力消除了，但制品的晶粒明顯張大，并有損金屬的力學(xué)性能。為了消去風(fēng)電軸承環(huán)軋制之后的殘余應(yīng)力，并使零件外形和設(shè)計(jì)時(shí)保持最大程度的一致，又不損害力學(xué)性能，風(fēng)電軸承環(huán)軋制后進(jìn)行去應(yīng)力退火，然后脹形校形和再次去應(yīng)力。

基于環(huán)件在軋制成形中出現(xiàn)的各種缺陷，尤其是當(dāng)大直徑環(huán)件軋制時(shí)出現(xiàn)橢圓現(xiàn)象，當(dāng)軋制到一定尺寸大小時(shí)，改用脹形成形，以期獲得所需的尺寸和形狀的零件，同時(shí)消除橢圓、充不滿、喇叭口、直徑不擴(kuò)大等缺陷。目前，環(huán)件脹形的具體工藝在我國(guó)少有研究，采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法開展脹形過程的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，重點(diǎn)研究脹形過程中環(huán)件的幾何尺寸變化規(guī)律、應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)及其變化情況、脹形道次和脹形參數(shù)的影響規(guī)律、脹形力的預(yù)測(cè)方法等。用相關(guān)優(yōu)化算法和支持向量機(jī)模型來預(yù)測(cè)脹形環(huán)件的性能，為實(shí)際生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)參考。

4 結(jié)語

(1)軸承是風(fēng)電設(shè)備的核心部件，軸承環(huán)是風(fēng)電軸承的核心組件，軸承環(huán)屬于大型異型截面環(huán)件，其制造技術(shù)是風(fēng)電軸承中的關(guān)鍵技術(shù)。

(2)環(huán)件軋制是目前大型風(fēng)電軸承環(huán)的主要成形方法，軋制環(huán)件性能優(yōu)良，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)殘余應(yīng)力、橢圓、壁厚不均、錐度、魚鱗、直徑不擴(kuò)大等缺陷。

(3)脹形工藝具有變形區(qū)材料不轉(zhuǎn)移、卸載后回彈小、不會(huì)失穩(wěn)起皺等諸多優(yōu)點(diǎn)，為了零件的形狀剛度和精度，在零件成形之后可用脹形方法進(jìn)行校形。

(4)將脹形工藝引入風(fēng)電大型環(huán)狀零件的成形，即當(dāng)環(huán)件軋制到一定程度時(shí)改用脹形成形，擬減小大型環(huán)件的橢圓度缺陷和降低內(nèi)應(yīng)力，增強(qiáng)環(huán)件使用性能和降低零件廢品率。

［1］陳學(xué)斌.冷軋環(huán)機(jī)結(jié)構(gòu)分析與運(yùn)動(dòng)仿真［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2006.

［2］何加群.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組配套軸承技術(shù)和市場(chǎng)情況分析［J］.軸承，2009(5).

［3］楊曉蔚.風(fēng)電產(chǎn)業(yè)、風(fēng)電設(shè)備及風(fēng)電軸承［J］.軸承，2009(12).

［4］華林.環(huán)件軋制成形規(guī)律和毛坯設(shè)計(jì)方法［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)，1994，25(3).

［5］華林，曹宏深，趙仲治.法蘭環(huán)件變形規(guī)律和毛坯設(shè)計(jì)方法［J］.汽車工程，1995，17(4).

［6］馬義偉.GH4169 合金異形環(huán)件軋制過程有限元數(shù)值模擬［D］.西安:西北工藝大學(xué)，2011.

［7］李姝.異形截面環(huán)件徑軸雙向軋制過程有限元數(shù)值模擬［D］.西安:西北工藝大學(xué)，2010.

［8］中國(guó)軸承工業(yè)協(xié)會(huì)人力資源職工教育工作委員會(huì)統(tǒng)編.滾動(dòng)軸承基礎(chǔ)知識(shí)［M］.鄭州:河南人民出版社，2006.

［9］李堯.金屬塑性成形原理［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［10］姜奎華.沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［11］李言祥.材料加工原理［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［12］漆良濤，肖昱，孫寶壽.異形截面環(huán)件徑向軋制的數(shù)值模擬研究［J］.輕工機(jī)械，2011，2(29).

［13］張華，劉朝輝，謝永富.環(huán)形鍛件精化工藝［J］.機(jī)械工人(熱加工)，2002(11).

［14］(美)哈里斯著.羅繼偉譯.滾動(dòng)軸承分析［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［15］宋士丹，趙忠誠(chéng)，楊麗.超大型環(huán)形件鍛造工藝研究［J］.一重技術(shù)，2000(1).