文/戴玉同·張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司鄧加東·武漢理工大學材料與工程學院

異形環(huán)件徑軸向近凈軋制成形工藝與應用

文/戴玉同·張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司鄧加東·武漢理工大學材料與工程學院

異形環(huán)件徑軸向近凈軋制成形工藝對于成形異形環(huán)件具有顯著優(yōu)勢，可直接成形出與目標環(huán)件形狀尺寸相仿的異形環(huán)鍛件，減少了大量材料與能源的浪費。本文以外臺階環(huán)件成形為例，采用基于理論分析、模擬實驗與實際試制的方法來闡述該工藝的應用方法，這對于提高異形環(huán)件軋制效率、確保產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)能節(jié)材等具有重大意義。

環(huán)件可分為簡單的矩形截面環(huán)件和復雜形狀的異形截面環(huán)件兩大類，相對于矩形環(huán)件而言，異形環(huán)件成形更為復雜，其應用也更加廣泛。目前，工業(yè)應用較多的典型異形截面環(huán)件有溝槽截面環(huán)件（內(nèi)溝槽、外溝槽、雙溝槽截面環(huán)件等）和臺階截面環(huán)件（外臺階、內(nèi)臺階、外凸臺、內(nèi)凸臺截面環(huán)件等），它們廣泛應用于汽車、機械、航空航天、能源等眾多工業(yè)領域。

環(huán)件軋制又稱環(huán)件輾擴或擴孔，它是借助環(huán)件軋制設備軋環(huán)機使環(huán)件壁厚減小、直徑擴大、截面輪廓成形的塑性加工工藝，適用于生產(chǎn)各種形狀尺寸、各種材料的環(huán)形零件或環(huán)坯。相比傳統(tǒng)技術，環(huán)件軋制成形具有省力、節(jié)能節(jié)材、產(chǎn)品精度高、內(nèi)部質(zhì)量好、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點。環(huán)件軋制可分為徑向軋制和徑軸向軋制，一般對于軸承類小型環(huán)件采用徑向冷軋的方式成形，而對于中大型環(huán)件則需要采用徑軸向熱軋的方式來完成。

目前對于矩形環(huán)件的軋制成形理論研究與實際生產(chǎn)應用較多，而對于異形環(huán)件的軋制成形理論研究與實際生產(chǎn)應用較少，尤其是中大型異形環(huán)鍛件的徑軸向熱軋工藝。傳統(tǒng)的中大型異形環(huán)件制造方法是先軋制獲得矩形截面環(huán)件再通過機加工獲得所需異形截面。大量機械加工不但浪費材料，而且切削加工使材料原有的流線斷裂，造成產(chǎn)品的性能和壽命明顯降低。

異形環(huán)件徑軸向近凈軋制成形工藝

異形環(huán)件徑軸向近凈軋制成形是指在徑軸向輾環(huán)機上采用異形軋輥直接軋制出與目標環(huán)件形狀尺寸接近的異形截面環(huán)鍛件。其軋制原理如圖1所示，在軋制過程中，驅(qū)動輥作旋轉(zhuǎn)軋制運動，芯輥作徑向直線進給運動同時隨環(huán)件的旋轉(zhuǎn)作從動運動，上、下錐輥作旋轉(zhuǎn)運動和向外水平移動，同時上錐輥還作向下的軸向進給運動。環(huán)坯在軋輥的作用下產(chǎn)生徑向壁厚減小、軸向高度減小、內(nèi)外直徑擴大、截面輪廓成形，最后形成所需形狀和尺寸的異形環(huán)件。

圖1 異形環(huán)件徑軸向軋制成形原理

采用該方法可直接獲得所需環(huán)件形狀而不需要進行過多的機加工，大大節(jié)省了原材料和加工工時，而且軋制成形所獲得的金屬流線保持完整，大大提高了產(chǎn)品的力學性能。圖2為我公司生產(chǎn)的典型異形環(huán)鍛件產(chǎn)品，主要是臺階或凹槽形環(huán)件，該類環(huán)件主要用在一些工程機械上。采用異形環(huán)件徑軸向近凈軋制成形工藝與矩形環(huán)件成形再機加工相比，圖2中各產(chǎn)品的材料節(jié)約量分別為40%、25%、18%、22%、30%、18%。

圖2 異形環(huán)鍛件產(chǎn)品

但是采用徑軸向軋制直接近凈成形異形環(huán)件，具有一定的技術難度，環(huán)件截面不規(guī)則，軋制過程穩(wěn)定性差，各部分的直徑擴大速度不一致，徑向與軸向孔型間金屬流動的相互影響，容易出現(xiàn)蝶形、充不滿、拉料等缺陷。為了克服軋制缺陷從而獲得高質(zhì)量的異形環(huán)件，制坯顯得尤為重要，若環(huán)坯形狀尺寸合適，則可以保證軋制過程穩(wěn)定，環(huán)件不發(fā)生翹曲，成形環(huán)件各部分均完全充型。因此，如何選取合適的環(huán)坯形狀與尺寸，對于異形環(huán)件徑軸向近凈軋制成形具有非常重要的意義。

異形環(huán)件軋制應用的案例

某種外臺階異形環(huán)件如圖3中的虛線所示，增加適當余量和圓角，設計該環(huán)件的成形鍛件如圖3中的實線所示，該異形環(huán)鍛件重量為365kg，若設計為矩形環(huán)鍛件，則鍛件重量達627kg，需多消耗262kg，可見采用異形環(huán)鍛件能大大節(jié)省原材料。

圖3 外臺階異形環(huán)件示意圖

理論分析

該類臺階型環(huán)鍛件在成形過程中需注意，臺階處容易出現(xiàn)充不滿或拉料的現(xiàn)象，導致出現(xiàn)廢品，因此需將坯料制成與鍛件形狀相仿的形狀，即制坯時就制成帶臺階的環(huán)坯。圖4為該類環(huán)件所采用的成形工藝流程圖，坯料→鐓粗→下沖頭沖孔→罩模預成形→上沖頭沖通孔→在輾環(huán)機上進行軋制成形。

圖4 成形工藝流程圖

若不考慮金屬的軸向流動，將環(huán)件從臺階處分為上下兩個部分，上部分直徑小稱為小端，下部分直徑大稱為大端，則在設計環(huán)坯時保證環(huán)坯的大端部分體積與鍛件大端部分體積相當即可較好地成形，然而采用徑軸向軋制工藝，由于軸向孔型對環(huán)件成形的影響，必然存在金屬的軸向體積流動，而且軋制過程中由于環(huán)件大小端的長大速度不一致，容易出現(xiàn)拉料現(xiàn)象，因此還需在該基礎上調(diào)整環(huán)坯的尺寸，主要通過調(diào)整罩模的上端內(nèi)孔直徑和內(nèi)孔斜度以及上沖頭錐度來調(diào)整環(huán)坯小頭直徑Da、外表面斜度θ1和內(nèi)孔斜度θ2以實現(xiàn)環(huán)坯尺寸的優(yōu)化。

圖5 環(huán)坯示意圖

模擬實驗

近些年，通過數(shù)值模擬技術已經(jīng)能較好地對環(huán)件軋制過程進行模擬，分析環(huán)件軋制過程中的基本變形規(guī)律，優(yōu)化環(huán)坯與模具參數(shù)，調(diào)整軋制工藝參數(shù)，減少軋制缺陷的產(chǎn)生，該方法相對于傳統(tǒng)的試湊法，可以減少實際試制中的材料及能源的浪費。本文利用Simufact軟件對該異形環(huán)的軋制過程進行仿真分析，所選環(huán)坯材料為16Mn，軋制溫度1150℃，通過模擬結(jié)果來確定一組合適的環(huán)坯。實驗設計了四組環(huán)坯，環(huán)坯高度B=220mm，臺階高度BL=64mm，內(nèi)孔直徑r=240mm，具體參數(shù)見表1。

表1 軋制用環(huán)坯參數(shù)表

軋制前期，隨著芯輥的不斷進給，環(huán)坯臺階處的金屬不斷被擠入驅(qū)動輥型腔，從而逐漸填充滿型腔，而隨著軋制過程的進行，軋制中后期環(huán)件小端逐漸與驅(qū)動輥完全貼合，此時環(huán)件上下端長大速度差增加，而大端金屬不足以及時補充環(huán)件大端的長大需求，故已充型完全的環(huán)件逐漸出現(xiàn)填充不滿的現(xiàn)象。2號環(huán)坯較1號環(huán)坯小端直徑減小，即小端處金屬減少，大端處金屬增多，此時環(huán)件大端初次完全充滿型腔時間推遲，環(huán)件小端初次完全貼合驅(qū)動輥時間推遲，臺階最后填充效果有所改善。3號環(huán)坯在2號環(huán)坯的基礎上增加了內(nèi)孔斜度，即小端處金屬進一步減少，此時環(huán)件大端初次完全充滿型腔時間基本不變，但環(huán)件小端初次完全貼合驅(qū)動輥時間推遲，臺階最后填充效果進一步改善。4號環(huán)坯在3號環(huán)坯的基礎上增加了外表面和內(nèi)孔的斜度，進一步減小了小端體積，增大了大端體積，此時環(huán)件大端初次完全充滿型腔時間仍基本不變，但環(huán)件小端初次完全貼合驅(qū)動輥時間進一步推遲，軋制結(jié)束時基本填充完全。

通過分析上面四種毛坯成形過程可以發(fā)現(xiàn)，縮小環(huán)件小端直徑，增加外表面及內(nèi)孔斜度，可減少環(huán)件小端體積，增加環(huán)坯臺階長度，從而加快了環(huán)坯首次充滿型腔的速度，以及延長了環(huán)件小端初次完全貼合驅(qū)動輥時間，使得環(huán)件最后的充填效果提高。圖6顯示的是4號環(huán)坯的軋制成形效果圖，該環(huán)件成形外形較好，截面形狀及尺寸基本符合設計要求。

圖6 軋制成形效果圖

現(xiàn)場試制

采用4號環(huán)坯進行實際軋制試制，軋制獲得鍛件成形質(zhì)量較好，經(jīng)測量，尺寸符合產(chǎn)品要求。因此可根據(jù)此種方法進行異形環(huán)件徑軸向近凈軋制成形工藝的研發(fā)與應用，可有效地提高研發(fā)速度及成功率，并且大大減少了材料與加工工時的浪費。

結(jié)束語

異形環(huán)件徑軸向近凈軋制成形工藝對于成形異形環(huán)件具有顯著效益，可直接成形出與目標環(huán)件形狀尺寸相仿的異形環(huán)鍛件，為了減少實際試制次數(shù)，可借助計算機模擬技術，預知成形過程中可能出現(xiàn)的缺陷并通過修正工藝參數(shù)進行優(yōu)化設計，這對于提高異形環(huán)件軋制效率、確保產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)能節(jié)材等具有重大意義。