李兆通，李 亮，景財年，林 濤，馮 燕，吳忠林，趙順治

(1.山東建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟南 250101；2.山東建筑大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，山東濟南 250101)

0 引言

大型環(huán)鍛件[1]作為一種大型無縫環(huán)件，是大型機械設(shè)備[2]的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于航空機匣、風(fēng)電法蘭、軸承外圈及齒輪環(huán)、核反應(yīng)堆加強圈等關(guān)鍵部位，這種大型零件工作環(huán)境惡劣，常要求具有耐高溫、耐腐蝕、高強韌性等優(yōu)良性能[3]（如圖1）。隨著環(huán)鍛行業(yè)的發(fā)展，環(huán)鍛件種類越來越多，尺寸也趨于大型化，逐漸滿足了行業(yè)發(fā)展的需求。近年來，隨著環(huán)件軋制水平的提高，大型矩形截面環(huán)鍛件的研制已經(jīng)達到了國際水平，2018 年首都航天機械有限公司在國內(nèi)成功軋制出?9m 薄壁鋁合金大型環(huán)件[4]，2019 年由中科院金屬研究所與伊萊特重工研制出?15.6m 奧氏體不銹鋼超大型環(huán)鍛件，解決了眾多行業(yè)領(lǐng)域“卡脖子”的難題[5]。但是，當(dāng)下大型異形截面環(huán)件仍存在難成形的問題，諸多學(xué)者為解決大型異形截面環(huán)件難成形的問題，對其制坯工藝進行了大量的研究。本文以解決大型異形截面環(huán)件難成形和成形精度低的問題為前提，闡述了國內(nèi)外學(xué)者對環(huán)件軋制有限元模擬、大型異形截面環(huán)件制坯優(yōu)化和軋制方法方面的理論分析及研究成果，并介紹了大型環(huán)件常見內(nèi)、外部缺陷，以期為大型環(huán)鍛件的成形成性一體化發(fā)展提供經(jīng)驗。

圖1 大型環(huán)鍛件實例圖[3]

1 環(huán)件軋制有限元模擬

環(huán)件軋制是一個熱力耦合的非線性過程，僅采用理論分析的方法來指導(dǎo)實際生產(chǎn)勢必會造成資源的浪費和成本的提高。20 世紀90 年代末，有限元軟件在我國興起，以CAE 為代表的有限元模擬軟件在模擬精確度、用戶界面、后處理等方面逐漸完善，為環(huán)件的有限元模擬奠定了基礎(chǔ)。

近年來，諸多學(xué)者通過有限元軟件歸納出環(huán)軋理論和環(huán)件塑性變形規(guī)律，為現(xiàn)實中環(huán)鍛件的生產(chǎn)提供了寶貴的經(jīng)驗。潘剡等[6]與張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司合作，對?9m 超大型環(huán)件設(shè)計了軋制工藝參數(shù)和新的芯輥進給方式，對其進行徑軸向軋制（Radial-Axial Ring Rolling，RARR）有限元模擬并在RAM9000 數(shù)控軋制機上成功軋制出成形精度和組織性能滿足要求的超大型法蘭環(huán)件。Han 等人[7]提出了一種能實現(xiàn)環(huán)件的壁厚減少、內(nèi)直徑擴大、高度減少的RARR 新工藝，該工藝驅(qū)動輥起約束作用，并通過ABAQUS 對矩形截面毛坯進行約束軋制模擬，最終能夠有效控制環(huán)件成形的尺寸精度。Zhou[8]針對大型L 形環(huán)件建立了異形錐輥徑軸向軋制數(shù)學(xué)模型，通過Deform-3D 有限元軟件進行仿真模擬，將模擬的有限元結(jié)果與數(shù)學(xué)預(yù)測的外徑、外徑增長率、驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速等參數(shù)進行了比較，模擬參數(shù)與預(yù)測參數(shù)吻合較好。田笑[9]對2Al4 鋁合金薄壁異形環(huán)件宏觀力學(xué)性能及微觀組織模擬，研究表明環(huán)件在170～400℃范圍內(nèi)，溫度越高環(huán)件晶粒分布越均勻，并從環(huán)件的金屬流動方面進行軋制孔型優(yōu)化，提出了環(huán)件近凈成形工藝。Liang 等[10]針對異形截面環(huán)件直徑達到要求值時輪廓不能填充的問題，提出了拉拔系數(shù)的影響，即主動變形區(qū)對被動變形區(qū)的牽拉作用，建立了外凹槽截面環(huán)件熱力耦合模型，進行了環(huán)件毛坯尺寸設(shè)計的數(shù)學(xué)公式，運用響應(yīng)面法（Response surface method，RSM）建立了拉拔系數(shù)與其影響因子之間的關(guān)系，擬合出具體的環(huán)件毛坯尺寸計算公式。Meng 等[11]利用ANSYS 有限元軟件對大型環(huán)件鐓粗過程中棒料高徑比、液壓機鐓粗力對應(yīng)變、鼓形、切向應(yīng)力的影響，通過實驗對比基本吻合，為大型環(huán)件鐓粗工藝提供了基本的指導(dǎo)。

有限元模擬為環(huán)件軋制提供了可靠的實驗數(shù)據(jù)，促進了環(huán)件軋制理論的建立，為后期大型、復(fù)雜截面環(huán)鍛件的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。在實際生產(chǎn)過程中，企業(yè)或?qū)嶒炚呖深A(yù)先在環(huán)件生產(chǎn)前進行有限元分析，借此優(yōu)化實際生產(chǎn)方法或參數(shù)。隨著研究的深入，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)在異形截面環(huán)件成形過程中，環(huán)件制坯與軋制同樣重要，對環(huán)件成形都有重要的影響，隨后促使大量學(xué)者對制坯工藝進行研究。

2 大型異形截面環(huán)鍛件制坯工藝

目前，大型矩形截面環(huán)鍛件軋制技術(shù)已比較成熟，大型異形截面環(huán)鍛件成形工藝仍有待優(yōu)化，諸多研究表明并非所有的輪廓都能由矩形截面的毛坯形成，但是毛坯的預(yù)軋制會對環(huán)件的成形帶來一定的成效。而且，大型異形截面環(huán)鍛件生產(chǎn)是高成本、高能耗的復(fù)雜過程，對環(huán)軋過程中制坯工藝的優(yōu)化有利于節(jié)省能源和減少成本的消耗，對響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召有重要的推動作用。

傳統(tǒng)的大型異形截面環(huán)件軋制工藝流程為鐓粗→沖孔→環(huán)軋→機加工，工藝流程如圖2。受現(xiàn)存成形技術(shù)制約，在大型異形截面環(huán)件成形過程中可能會出現(xiàn)魚尾、填充不滿、余量過多等缺陷，大大降低了成形精度，提高了生產(chǎn)成本。經(jīng)長期試驗及理論研究發(fā)現(xiàn)優(yōu)化毛坯可解決上述問題，武漢理工大學(xué)胡博奎[12]設(shè)計了三種不同形狀的環(huán)坯軋制雙列圓錐滾子軸承，經(jīng)成形實驗獲得了高精度的軸承外圈鍛件，驗證了預(yù)鍛、終鍛制坯的可行性和外單錐度型毛坯的軋制優(yōu)越性。何松等[13]針對錐臺復(fù)合截面環(huán)件提出了“等壁厚型”和“變壁厚型”兩種環(huán)坯設(shè)計方法，通過添加尺寸修正系數(shù)η 規(guī)范了最優(yōu)環(huán)軋制坯范圍，實驗和模擬都獲得了截面填充效果好、成形精度高的錐臺復(fù)合截面環(huán)件。陳孝慶[14]針對大型內(nèi)臺階環(huán)鍛件設(shè)計了梯形截面和矩形截面兩種毛坯，并對兩種不同截面的環(huán)坯設(shè)計了不同形狀的芯輥，研究發(fā)現(xiàn)梯形截面毛坯在軋制過程中溫度和應(yīng)變分布較為均勻。王清等[15]通過胎膜制坯+異形環(huán)件軋制成形工藝獲得了2m 級大型高溫合金機匣，在保證了組織和性能優(yōu)良的基礎(chǔ)上，提高了材料的利用率。鄧加?xùn)|等[16]針對大型外臺階環(huán)件提出近凈成形工藝，如圖3，通過研究模鍛坯料的內(nèi)、外斜度對環(huán)件金屬流動和填充能力的影響，確定出最佳參數(shù)方案，經(jīng)實驗驗證內(nèi)臺階環(huán)件成形效果良好，在減少環(huán)件坯料的同時提高了環(huán)件最終截面的填充效果。

圖2 傳統(tǒng)環(huán)件軋制工藝流程示意圖

圖3 外臺階成形過程示意圖[16]

3 環(huán)件軋制方法研究

選擇合適的環(huán)件軋制方法可以有效的提高環(huán)件軋制的成形精度與組織性能，在節(jié)省軋制成本的同時獲得合格的環(huán)件。在目前的研究中，常用的環(huán)件軋制方法有馬架擴孔、徑向軋制、徑軸向軋制和脹形工藝。

3.1 馬架擴孔成形

馬架擴孔是使環(huán)件直徑增大、壁厚減薄、軸向略增長的工藝，在工作時環(huán)件受三向壓應(yīng)力狀態(tài)，使得裂紋難以在環(huán)件內(nèi)部產(chǎn)生，故有較好的成形質(zhì)量[17]。其成形原理如圖4 所示。砧板連續(xù)下壓環(huán)件，環(huán)件被芯軸所支撐住，同時環(huán)件在砧板每壓下一次后，轉(zhuǎn)動一定的角度，該過程往復(fù)循環(huán)，以此實現(xiàn)環(huán)件直徑壁厚減薄、軸向略增長。劉紅艷等[18]將馬架設(shè)置為可分離式，設(shè)計了可以調(diào)節(jié)寬度和高度的馬架，增加了馬架的適用性。王曉娟等[19]將馬架和芯軸進行改進，解決了工作時不穩(wěn)定而發(fā)生晃動的問題。曹繁、藍箭等[20]針對傳統(tǒng)的馬架擴孔需要人力操控芯軸及環(huán)件轉(zhuǎn)動的問題，設(shè)計了新的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了馬架擴孔自動進給，提高了其自動化程度。

圖4 馬架擴孔原理圖

雖然諸多學(xué)者對馬架擴孔裝置進行了研究和改進，但是大型環(huán)件因體積大、成形直徑大，選用馬架擴孔成形還是會有所受限，馬架擴孔作為一種傳統(tǒng)的環(huán)件輾擴工藝，對于小型環(huán)件的輾擴有一定的優(yōu)勢，但是對于大型環(huán)件的輾擴，與徑軸向軋制工藝相比在成本、精度和效率方面都有不足之處，目前馬架擴孔常用于大型環(huán)件制坯過程中，在制坯方面成效頗豐。

3.2 徑向軋制和徑軸向軋制

徑向軋制是環(huán)件預(yù)制坯運用輾環(huán)機，使環(huán)件直徑增大、截面輪廓成形的塑性成形工藝[21]，其成形原理如圖5。徑向軋制設(shè)備由徑向軋輥和導(dǎo)向輥組成，徑向軋輥包括驅(qū)動輥和芯輥，其中驅(qū)動輥主動旋轉(zhuǎn)并通過摩擦力帶動環(huán)件旋轉(zhuǎn)，芯輥做徑向進給運動，并在環(huán)件摩擦力的作用下被動旋轉(zhuǎn)；導(dǎo)向輥用于環(huán)件外輪廓的整圓，在工作時抱住環(huán)件，隨著環(huán)件直徑擴大的方向移動，起輔助作用。與徑向軋制相比，徑軸向軋制多了一對錐輥，即上、下錐輥，其工作原理如圖6，上、下錐輥繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，同時，上錐輥邊向后退邊向軸向進給，上、下錐輥用于消除環(huán)件的軸向?qū)捳?，在如此往?fù)循環(huán)的過程中，實現(xiàn)了環(huán)件的直徑增大、壁厚減薄、高度減小、輪廓成形。

圖5 徑向軋制原理圖

圖6 徑軸向軋制原理圖

徑軸向軋制是當(dāng)前使用最廣泛的大型環(huán)件軋制工藝，早期，華林教授[22]根據(jù)運動學(xué)條件和靜力學(xué)條件推導(dǎo)出環(huán)件軋制的咬入條件和鍛透條件，并給出各軋輥運動參數(shù)的取值范圍和計算方法，為國內(nèi)環(huán)鍛件的研究奠定了理論基礎(chǔ)。耿劍等[23]對環(huán)鍛件徑軸向軋制力和軋制力矩進行推導(dǎo)，并發(fā)現(xiàn)在環(huán)坯高度相同的情況下，環(huán)坯壁厚和芯輥尺寸越大，軋制過程中需要的徑向軋制力越大。劉東[24]根據(jù)軋制曲線建立環(huán)件徑軸向軋制過程中徑、軸向進給量之間的關(guān)系，通過建立運動學(xué)方程精確描述徑軸向軋制過程中的運動規(guī)律。郭良剛等[25]根據(jù)環(huán)件徑軸向軋制體積不變原理提出了一種對矩形截面環(huán)件毛坯尺寸設(shè)計的方法，該設(shè)計方法基于環(huán)件軋制比k 和變形量分配比tanα，并給出具體的適用范圍。

3.3 脹形工藝

脹形工藝是指環(huán)件在脹形力的作用下，環(huán)件整體沿周向拉伸、直徑擴大，壁厚沿徑向壓縮、減薄并發(fā)生塑性變形[26]，其原理如圖7 所示。脹形工藝具有卸載后回彈小、變形區(qū)材料不易轉(zhuǎn)移、不會失穩(wěn)等優(yōu)點。脹形工藝又可分為軟模脹形和剛性模脹形兩類，脹形工藝常用做工業(yè)生產(chǎn)中的成形工藝和強化工藝[27]，軟膜脹形常使用液體、氣體或彈性體提供徑向脹形力來達到脹形的目的，成形精度高；剛性模脹形采用分塊式模提供徑向脹形力，適用于成形精度稍低的成形。

圖7 脹形工藝原理示意圖

目前脹形工藝常被用來對終軋后的環(huán)件殘余應(yīng)力均化處理和整圓，環(huán)件在脹形力的作用下可以獲得更好的組織和應(yīng)力分布[28]。肖石霞[29]針對大型風(fēng)電軸承環(huán)常出現(xiàn)橢圓、直徑不擴大、壁厚不均勻等缺陷，提出了徑向軋制與脹形工藝相結(jié)合的方法，環(huán)件軋制前期使用徑向軋制，軋制到一定程度改用脹形工藝，終軋后的環(huán)件成形精度好、內(nèi)應(yīng)力低。江道等[30]通過環(huán)件脹形工藝對2A70 鋁合金環(huán)件成形實驗和微觀探究，脹形后的環(huán)件拉伸強度提高明顯，促使第二相質(zhì)點間距縮小，提高了鋁合金的強度。西北工業(yè)大學(xué)魏志堅等[31]研究了脹形技術(shù)對TC4 合金輾軋環(huán)鍛件殘余應(yīng)力及分布的影響，通過實驗發(fā)現(xiàn)脹形工藝可有效調(diào)控環(huán)件的殘余應(yīng)力。魏輝[32]基于Deform-3D 對2216 鋁合金5m 級異形截面機匣鍛件脹形工藝模擬，通過實驗驗證了脹形工藝可改善環(huán)件的應(yīng)變均勻性，進一步說明了工藝的有效性。

4 大型環(huán)鍛件軋制缺陷研究

由于大型環(huán)件軋制的不均勻性，導(dǎo)致環(huán)件內(nèi)部金屬流動不規(guī)則，從而造成了各種缺陷的產(chǎn)生，比如大型異形截面環(huán)鍛件常存在上下表面寬展、孔型填充不滿等缺陷；另一方面，由于軋制過程的不穩(wěn)定，環(huán)件整體可能會出現(xiàn)折疊、翹曲、失穩(wěn)等現(xiàn)象導(dǎo)致軋制失敗。面對航天、航空、風(fēng)電、核電等行業(yè)對大型環(huán)鍛件的需求日益劇增，如何改善大型環(huán)鍛件的制造工藝和方法，改善大鍛件的金屬流動、成形精度，減少缺陷的產(chǎn)生、縮短工藝流程，仍是當(dāng)下研究的需要。針對大型環(huán)件缺陷的產(chǎn)生，將從環(huán)件內(nèi)、外部缺陷兩個方面進行探究。

4.1 環(huán)件外部缺陷

孔型填充不滿是最常見的環(huán)件外部缺陷之一，以孔型填充不滿為例，對環(huán)件外部缺陷進行介紹?？仔吞畛洳粷M分為兩種：第一種為軋制過程中孔型始終未能充滿；第二種為在軋制中某一時刻孔型填充完全，隨著軋制的進行造成孔型處金屬尺寸逐漸減小而與孔型逐漸分離[33]?？仔吞畛洳粷M常出現(xiàn)在大型異形截面環(huán)鍛件軋制中，該缺陷產(chǎn)生原因常為毛坯和軋輥尺寸設(shè)計不合理，導(dǎo)致環(huán)件孔型處徑、軸向金屬流動不均勻，如圖8。徐戊矯等[34]通過中心復(fù)合實驗和電場法設(shè)計了錐形法蘭環(huán)件的毛坯，并建立了環(huán)件截面填充率的模型，發(fā)現(xiàn)在異形截面環(huán)件填充過程中，先選擇難成形的區(qū)域填充再選擇易成形的區(qū)域填充的填充順序更有利于環(huán)件的孔型填充，同時芯輥進給速度的增加有利于改善環(huán)件截面填充率。王斌[35]針對斜I 截面環(huán)件在直徑達到要求時孔型填充不滿的問題，優(yōu)化了坯料尺寸和模具型腔，實驗發(fā)現(xiàn)在金屬填充型腔階段，環(huán)件的金屬流動主要發(fā)生在環(huán)件徑向，故坯料和模具的設(shè)計應(yīng)有利于環(huán)件的徑向金屬流動。

圖8 孔型填充不滿示意圖

4.2 環(huán)件內(nèi)部缺陷

大型環(huán)鍛件在軋制完成以后需要進行熱處理來提高環(huán)件的最終組織性能，然而加熱溫度及保溫時間不當(dāng)通常會引起環(huán)件內(nèi)部晶粒粗大和組織偏析等內(nèi)部缺陷，合理的熱處理工藝制定將有助于減少內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生，改善環(huán)件的最終性能。黃建武[36]針對2219 鋁合金環(huán)件在傳統(tǒng)熱處理工藝中存在晶粒組織粗大的問題，提出了環(huán)件深冷變形工藝，通過該工藝可以極大的抑制動態(tài)回復(fù)，得到細小的等軸晶粒，顯著增強了環(huán)件的強度和塑性，降低了環(huán)件的各向異性。尉瀟健等[37]采用840℃水淬+590℃回火的方法對42CrMo 離心鑄坯輾擴成形后的環(huán)件進行調(diào)質(zhì)處理，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后環(huán)件的殘余應(yīng)力得到釋放，塑性大幅提高，力學(xué)性能大幅改善。胡向東[38]針對GH141 高溫合金終軋后環(huán)件進行1080℃退火處理，發(fā)現(xiàn)隨著退火時間和固溶時間增加，環(huán)件的晶粒尺寸基本不發(fā)生變化。陳克宇[39]為提高環(huán)件的力學(xué)性能，對42Cr-Mo4 大型異形環(huán)件進行熱處理工藝設(shè)計，成形后的環(huán)件具有細小的晶粒和較低的內(nèi)應(yīng)力，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后晶粒度達到了8.5 級。

針對環(huán)件成形的外部缺陷問題，合理的設(shè)計毛坯尺寸、軋輥形狀和軋輥進給參數(shù)是避免外部缺陷產(chǎn)生的保障；針對環(huán)件內(nèi)部缺陷問題，合理的熱處理工藝是保障環(huán)件最終組織性能的關(guān)鍵。環(huán)件外部無缺陷使得環(huán)件具有良好的成形質(zhì)量，環(huán)件內(nèi)部無缺陷使得環(huán)件具有良好的性能，在保證了環(huán)件內(nèi)部、外部均無缺陷的前提下進行工藝研制，即成形成性一體化工藝[40]，是當(dāng)下環(huán)鍛件發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)。

5 結(jié)論和展望

5.1 結(jié)論

本文闡述了近年來國內(nèi)外學(xué)者在環(huán)件軋制有限元模擬、大型異形截面環(huán)鍛件制坯優(yōu)化和環(huán)件軋制方法方面的理論分析及研究成果，并對大型環(huán)鍛件的常見缺陷進行探討，并得出以下結(jié)論：

（1）環(huán)件軋制有限元模擬促進了環(huán)件軋制理論的建立，為實際生產(chǎn)提供了可靠的參數(shù)和生產(chǎn)方法，并為將來更大型、更復(fù)雜截面環(huán)鍛件的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

（2）制坯優(yōu)化促進了大型異形截面環(huán)鍛件的成形精度提高和能源消耗的減少，保證了大型異形截面填充位置具有較好的金屬流動。

（3）探討了馬架擴孔、徑向軋制、徑軸向軋制和脹形工藝四種成形方法的成形原理和適用范圍。馬架擴孔適用于小型、精度不高的環(huán)件軋制，也常用于大型環(huán)件制坯中；徑軸向軋制是在徑向軋制上的改進，是當(dāng)今大型環(huán)鍛件軋制最常用的方法，其具有良好的塑性成形優(yōu)勢；脹形工藝常用于環(huán)件軋制完成后的整圓和殘余應(yīng)力均化處理。

（4）環(huán)件滿足鍛透條件和咬入條件的前提下，選擇較大的芯輥進給速度、設(shè)計合理的毛坯尺寸和熱處理工藝是避免缺陷產(chǎn)生的保障。

5.2 展望

環(huán)件軋制逐漸趨向于成形精密化、直徑增大化、截面復(fù)雜化，環(huán)件成形工藝的創(chuàng)新、成形精度的提高、節(jié)能節(jié)材為國內(nèi)外廣大學(xué)者所關(guān)注。對于未來大型環(huán)鍛件的發(fā)展給出以下幾點要求：

（1）隨著國家航空、航天、風(fēng)電、核電等領(lǐng)域的發(fā)展和國內(nèi)環(huán)鍛件市場高端進口量需求的增加，國內(nèi)對于更復(fù)雜的大型異形截面環(huán)鍛件的理論模型建立和工藝開發(fā)有待進一步完善。

（2）運用有限元分析軟件模擬生產(chǎn)過程，對大型環(huán)鍛件的發(fā)展起到了重要作用，未來對于有限元軟件環(huán)件軋制的微觀組織模擬是下一步開發(fā)的重點。

（3）環(huán)件成形與成性一體化調(diào)控是當(dāng)下研究的熱點，大型環(huán)件的控穩(wěn)、控形、控性一體化建設(shè)，對于大型環(huán)鍛件的發(fā)展具有重要的意義。