江浩 漆小虎 安開場

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川 德陽 618000)

大型筒節(jié)是直徑尺寸超大、寬厚比較大的環(huán)形件，是我國核電、石化、風力發(fā)電、航空航天等重要經(jīng)濟領域基礎裝備的關鍵零部件。傳統(tǒng)的環(huán)件主要是通過輾環(huán)機生產，由于輾環(huán)機設備結構和工藝限制，無法適應大型容器生產需要。文獻[1-2]中提出目前對于大型筒節(jié)制造通常采用水壓機自由鍛造工藝，需要進行墩粗沖孔、拔長和擴孔工序，斷續(xù)操作，生產效率低，能耗大，筒節(jié)圓度尺寸精度差，導致后續(xù)深加工的切削損耗大，材料利用率低，不能滿足市場的大量需求。隨著我國該領域工業(yè)的快速發(fā)展，對大型筒型的需求日益增大，且規(guī)格進一步大型化，對企業(yè)制造能力提出了更高的要求，迫切需要一種高效、節(jié)能降耗的專用設備生產大型筒體鍛件。

1 大型筒節(jié)鍛件要求

1.1 鍛造毛坯規(guī)格

毛坯外徑：?3300～6000 mm

毛坯內徑：?3000～5700 mm

毛坯壁厚：150～650 mm

毛坯高度：2000～3900 mm

1.2 軋制/整形后產品規(guī)格

筒節(jié)外徑：?3300～10000 mm

筒節(jié)內徑：?3000～9700 mm

壁 厚：150～400 mm

筒節(jié)高度：2000～3900 mm

最大重量：300 t

1.3 典型鋼種

16Mn、0Cr18Ni10Ti、SA508-Ⅲ、12Cr2Mo1V等。

2 國內外技術發(fā)展狀況

水壓機→輾環(huán)機聯(lián)合生產齒環(huán)、法蘭等環(huán)形鍛件早已成為國內外通用裝備。二十世紀六七十年代Johnson等[3]、Hawkyard等[4]通過實驗樣機研究了環(huán)件的金屬流動與寬展變形，得出了軋制力和軋制力矩的變化規(guī)律，當今以德國SMS MEER公司為代表的輾環(huán)機，是世界上廣泛應用的機型，國外生產的輾環(huán)機已經(jīng)系列化，配備CNC系統(tǒng)的RW和RAW型環(huán)軋機使全自動軋制得以實現(xiàn)，具備生產直徑達10 m大型環(huán)件的能力。國內該領域技術研究相對較晚，1991年許思廣[5]通過鋁環(huán)件實驗研究，分析了軋制工藝參數(shù)的影響因素。華林等[6]對大型環(huán)件徑軸向軋制進行了有限元模擬試驗，揭示了變形機理和規(guī)律，找出來工藝控制和參數(shù)選取方法。國內大型輾環(huán)機最初從外國引進，例如中信重工從德國引進的?5 m輾環(huán)機。隨著需求量增加，國內開始加快設備自主研發(fā)，2006年中國重型院為西南鋁研制成功了國內首臺軋制大型鋁合金環(huán)件的?5 m數(shù)控鋁輾環(huán)機，推動國內環(huán)軋技術進步。然而國內外現(xiàn)有輾環(huán)機機型普遍采用瓦格納臥式結構，鍛件重量小，一般不超過10 t，徑軸向軋制力為2～2.5 MN，高度在1 m以下，產品主要用于軸承環(huán)，回轉支承筒節(jié)等，如生產高度達2500 mm的韓國Taewoong公司輾環(huán)機，最大軋制力僅為6 MN，工件重60 t。國內外對于大型筒節(jié)軋機研究還處于起步階段，關于制造核能、化工等裝備所需的大型筒節(jié)研究文獻報導較少。國外已開始嘗試建設專用大型重載輾環(huán)機生產大型容器筒體鍛件，其可行性、實用性還有待論證。我國超大型筒節(jié)軋制工藝與設備研制已獲得突破，一重、二重均已自主研制大軋制力立式結構筒節(jié)軋機，成功投入高度超過3 m以上的重型筒節(jié)生產，成形技術日趨成熟。

3 筒節(jié)軋機結構設計

3.1 輾環(huán)機結構分析

按設備結構特點和筒節(jié)的放置形式，輾環(huán)機分為軸線傾斜布置的臥式和軸線垂直布置的立式兩種，如圖1所示。

立式輾環(huán)機軋制時筒節(jié)平放在工作臺上，由一對垂直布置的軋輥，對筒節(jié)進行徑向軋制。機座固定在基礎上，驅動輥裝在機座相連的機架上，為主動輥，芯輥為惰輥，通過主滑座由徑向液壓缸帶動在機座做水平進給運動，筒節(jié)在兩輥作用下進行徑向軋制，筒節(jié)的下端面由托料輥支撐旋轉。由于芯輥上支撐懸臂，軋制時，受力桿件的變形較大，不利于提高軋制能力。如果按重型筒節(jié)軋機軋制能力考慮，提高剛度需增加芯輥支持臂等桿件尺寸，使設備變得笨重而無法實施。軋輥垂直布置，軋輥的下傳機構需采用齒輪轉向，大模數(shù)傘齒輪制造也成為提高軋制扭矩的瓶頸，同時重型筒節(jié)軋制需雙輥單獨驅動，傳動系統(tǒng)需隨芯輥移動，結構復雜增加了設備設計難度和造價。立式輾環(huán)機結構為單機架懸臂結構，用芯輥支承筒節(jié)的重量，剛度、軋制能力和產品規(guī)格更小，上下料困難，勞動強度大。由于上述輾環(huán)機缺陷，只能生產精度要求較低、變形抗力小、高度低的筒節(jié)。李政中[7]認為：按現(xiàn)有輾環(huán)機機型結構開發(fā)，除了軋制工藝問題外，環(huán)件規(guī)格及設備能力無法滿足厚壁重型筒節(jié)的生產要求。

(a)臥式 (b)立式

3.2 筒節(jié)軋機結構選擇

在常規(guī)輾環(huán)機結構的評判基礎上，結合采用控軋工藝和適應生產大變形抗力筒節(jié)的制造需求，利用已有的板帶軋機能力強技術優(yōu)勢，有必要開發(fā)一種立式代替臥式結構來完成大型筒節(jié)生產的全新技術方案。

立式結構筒節(jié)水平放在一對水平輥之間進行徑向軋制，又可分為芯輥上置和芯輥下置兩種方案，如圖2所示。其優(yōu)缺點比較列于表1中。

(a)芯輥上置 (b)芯輥下置

表1 立式筒節(jié)軋機方案比較Table 1 Comparison of vertical cylinder rolling mill schemes

如果排除生產窄筒節(jié)，則芯輥上置方案優(yōu)點較多，比較可取。

3.3 筒節(jié)軋機結構與工作原理

(1)結構組成

如圖3所示，筒節(jié)軋機機列包括軋機本體、對中裝置、抽換輥裝置、主傳動裝置、專用吊具。其中軋機本體由機架、上芯輥、下驅動輥、芯輥平衡、壓上進給、下驅動輥換輥軌道、抱輥及換輥機構、鎖緊裝置、抱緊裝置、上壓頭裝置和測量裝置組成。軋機本體為可逆全液壓壓上立式軋機，開式輾擴結構。在機架窗口中安裝有兩根軋輥，均為主動輥，各由主傳動系統(tǒng)中的一臺主電機、組合齒輪減速器、主接軸驅動。機架窗口下部裝有液壓進給油缸(HGC)，實現(xiàn)驅動輥向上的全液壓進給運動，調整開口度并對筒件施以軋制壓力。軋機入出口側裝有抱輥裝置(定心裝置)，由各自伺服液壓缸壓力和位置控制，保證穩(wěn)定軋制和最后階段的矯圓。軋制時芯輥中心線保持不變，建立芯輥、抱輥、下驅動輥的成形模型。同時軋機設置筒節(jié)對中裝置和下輥傾動裝置，防止筒節(jié)在軋制過程中軸向位移，實現(xiàn)自動糾偏。在換輥側設有獨立的換輥裝置用于筒節(jié)上下料時快速抽動芯輥。設備采用自動化程序控制，筒節(jié)軋制過程實現(xiàn)在線檢測。

(a)設備機列圖

(2)工作原理

將空心鍛造毛坯吊入軋機托架上，完成筒節(jié)對中后插入芯輥，兩側抱輥同步將筒節(jié)抬升與芯輥接觸，抱輥轉入力控模式。HGC缸抬升下驅動輥與筒節(jié)接觸，隨即芯輥和驅動輥旋轉帶動筒節(jié)進行軋制，隨著軋制過程進行，HGC缸按設定的進給速度控制輥縫，筒節(jié)坯料被塑性輾擴成形加工，直徑增大壁厚減小，期間軋輥與抱輥通過位置+壓力控制，保證穩(wěn)定軋制。當筒節(jié)外徑增大到要求范圍，停止進給運動，軋制過程結束進入最后整形矯圓階段，待檢測至產品目標值后，驅動輥和抱輥復位，并抽出芯輥，隨即將輾擴精整完畢的筒節(jié)從設備中取出。

3.4 筒節(jié)軋機技術創(chuàng)新點

研制了一種加工大型筒節(jié)的軋制整形設備，實現(xiàn)國內外最大規(guī)格的重型筒節(jié)軋機機電液成套系統(tǒng)集成，設備軋制力達75 MN，軋制力矩達10 MN·m，單側抱輥力達15 MN。

(1)研究了一種可逆全液壓壓上立式軋機本體(軋輥水平布置)，采用非懸臂開式輾擴主體結構，以及大扭矩獨立雙輥驅動和力位同步控制技術，彌補現(xiàn)有輾環(huán)機的結構缺陷和能力局限。

(2)設計了一種立式整體封閉機架，解決了現(xiàn)有臥式輾環(huán)機單機架懸臂結構剛性差的問題。

(3)設計了一種適應穿輥大直徑熱軋輥裝配，滿足惡劣工況下使用條件。

(4)開發(fā)出液壓伺服非剛性同步抱輥、下輥長行程液壓進給裝置，實現(xiàn)非剛性力控同步穩(wěn)定性控制。

(5)開發(fā)出軋件橫移補償裝置，解決筒節(jié)軋制時軸向串動，實現(xiàn)筒節(jié)產品錐度控制。

(6)研發(fā)了水平雙輥單獨主傳動系統(tǒng)，實現(xiàn)超大軋制力矩，解決了傳統(tǒng)臥式輾環(huán)機單輥驅動的輾環(huán)機加工厚壁的重型筒節(jié)內外表面產生撕裂的缺陷。

(7)開發(fā)出重型懸臂換輥及抽輥裝置，實現(xiàn)在筒節(jié)內圈自動快速水平側抽芯輥和軋輥成套更換。

(8)研究了一套自動化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了高效機電一體化軋制整形。

與現(xiàn)有自由鍛造及輾環(huán)機相比，筒節(jié)軋機具有高能力、高效率、高精度、低能耗和應用范圍廣等突出優(yōu)點，形成一套從粗放型加工向精確加工行業(yè)新模式。

4 筒節(jié)軋機工藝參數(shù)計算

4.1 大型筒節(jié)軋制條件

華林等[8]認為：環(huán)件軋制過程一般有三個階段：咬入階段、擴徑軋制階段、軋制結束階段。筒節(jié)咬入是筒節(jié)穩(wěn)定軋制的必要條件，筒節(jié)鍛透是軋制變形的充分條件，只有兩個條件同時滿足才能保證筒節(jié)轉動并產生穩(wěn)定的軋制變形。

(1)筒節(jié)咬入模型和條件

筒節(jié)軋制與軋鋼中的穿孔軋制相類似，筒節(jié)能連續(xù)咬入孔型可實現(xiàn)筒節(jié)穩(wěn)定轉動，雙輥傳動和單輥傳動的區(qū)別在于，芯輥和傳動輥都對軋件的摩擦起作用，可以忽略抱輥的作用力。圖4所示，Δh1、Δh2分別為芯輥和驅動輥的進給量，Δh等于Δh1與Δh2之和。

圖4 筒節(jié)軋制進給的幾何關系Figure 4 Geometric relationship of cylinder rolling feed

咬入條件：

Δh≤Δhmax=8β2R1/(1+R1/R2)2(1+r1/R2+R1/R-R1/r)

(1)

式中，Δh是總進給量；β是摩擦角；R是筒節(jié)外半徑；r是筒節(jié)內半徑；R1是芯輥半徑；R2是驅動輥半徑。

式(1)表明，雙輥驅動能夠實現(xiàn)更大壓下量的咬入，增大軋制摩擦，減小毛坯壁厚、減小每轉進給量、改變軋輥直徑，都有利于筒節(jié)咬入孔型并產生轉動。在軋制過程中，筒節(jié)咬入的每轉進給量最大值逐漸增大，只要筒節(jié)咬入建立軋制，可始終滿足咬入條件而實現(xiàn)連續(xù)軋制。

(2)筒節(jié)鍛透條件

筒節(jié)軋制還要能滿足鍛透條件，即軋制時每圈進給量產生塑性變形區(qū)能夠穿透壁厚，筒節(jié)軋制變形過程中，表現(xiàn)為直徑擴大、壁厚減小的變形過程。

鍛透條件：

Δh≥Δhmin=6.55×10-3(R-r)2(1/R1+1/R2+1/R-1/r)

(2)

式中，Δh是每圈進給量；R是筒節(jié)外圈半徑；r是筒節(jié)內圈半徑；R1是芯輥半徑；R2是驅動輥半徑。

式(2)表明，有效改善鍛透條件可通過增大軋輥、增大每圈進給量或減小壁厚等手段進行。同時只要在筒節(jié)軋制初始時滿足鍛透條件，則在參數(shù)條件不變條件下后續(xù)的軋制過程均可持續(xù)滿足鍛透條件。

4.2 筒節(jié)擴徑模型

(1)軋制過程中的直徑擴大規(guī)律

依據(jù)體積不變的原理，可得軋制中筒節(jié)內徑和外徑：

d=(D0+d0)H0/2H-H

(3)

D=(D0+d0)H0/2H+H

(4)

式中，D是軋制時筒節(jié)外徑；d是軋制時筒節(jié)內徑；H是軋制時筒節(jié)壁厚；D0是筒節(jié)毛坯外徑；d0是筒節(jié)毛坯內徑；H0是筒節(jié)毛坯壁厚。

(2)驅動輥進給速度

進給速度：

(5)

式中，n1為下驅動輥轉速；D1為下驅動輥直徑；Δh為下驅動輥每圈進給量；H為筒節(jié)出口厚度。

(3)軋制時間

軋制時間影響筒節(jié)溫降和軋制效率的主要參數(shù)。為避免筒節(jié)鍛造毛坯對軋制過程造成載荷沖擊，如圖5所示，在進行穩(wěn)定減壁軋制之前，可考慮在較小的壓下量條件下對毛坯進行規(guī)整1～3圈，以消除筒節(jié)毛坯的原始壁厚不均。經(jīng)穩(wěn)定減壁(分力控和位控兩個階段)軋制后，由于軋件壁厚較薄，易形成橢圓度缺陷，故軋后可進行1～2圈的矯圓工序。

圖5 筒節(jié)軋制過程Figure 5 Cylinder rolling process

綜上，筒節(jié)軋制的總時間應為以上三者之和，即：

tz=t1+t2+t3

(6)

(7)

(8)

(9)

式中，tz是筒節(jié)軋制的總時間；t1是規(guī)整時間；t2是穩(wěn)定軋制時間；t3是規(guī)圓時間；v是軋制速度。

(4)軋制總圈數(shù)

當單圈進給量Δh為常數(shù)時，穩(wěn)定減壁軋制圈數(shù)為：

(10)

(5)芯輥匹配速度模型

軋制過程中，為確保筒節(jié)始終做規(guī)則圓周旋轉運動，避免側向和相對滑動。如圖6所示，筒節(jié)變形區(qū)內外徑切向速度與筒節(jié)圓心構成一個三角形。由于驅動輥轉速不變，據(jù)此速度三角形推導出軋制過程中，芯輥的匹配速度。

圖6 芯輥匹配速度計算模型Figure 6 Calculation model of core roller matching speed

芯輥轉動角速度：

(11)

式中，ω1為驅動輥轉動角速度；ω2為芯輥轉動角速度。

式(11)表明，軋制過程中，隨著筒節(jié)壁厚減小，芯輥速度逐漸增大。

4.3 軋制力能參數(shù)計算

力能參數(shù)計算分為上限法和主應力法，周存龍等[9]采用上限元法計算環(huán)件軋制力，并與試驗值進行比較，Parvizi等[10]基于主應力法分析了環(huán)件軋制單位壓力分布。其中上限元法屬于極限分析法的一種，用于分析和計算塑性加工工藝的各項問題，該方法求解容易，且計算出的負荷最少等于實際塑性加工負荷，可以保證實際加工能力。鑒于以上特點，以上限元法計算為例，計算力能參數(shù)，為設備結構和工藝規(guī)程設計提供依據(jù)。筒節(jié)軋制簡圖如圖7所示。

圖7 筒節(jié)軋制簡圖Figure 7 Cylinder rolling

驅動輥軋制力：

(12)

芯輥軋制力：

(13)

驅動輥軋制力矩：

(14)

芯輥軋制力矩：

(15)

綜合軋制力、軋制力矩的解析模型計算，可以獲得以下結論：軋制速度對軋制力、軋制力矩的影響不明顯，但在相同的單圈壓下量工藝條件下，軋制持續(xù)時間會隨著軋制速度降低而明顯增加；毛坯壁厚相同時，在單圈壓下量、軋制速度、軋制溫度等其它工藝參數(shù)相同時，軋制力、軋制力矩隨著毛坯外徑減小而增大；數(shù)值模擬結果表明，在相同工況下，芯輥、驅動輥兩者總的軋制力矩基本為一穩(wěn)定值，但軋制力矩的分配關系與芯輥速度制度有關。由于芯輥速度設定模型是在理想條件下推導出來的，實際應用存在誤差，當筒節(jié)幾何中心發(fā)生微量偏移時，就會破壞芯輥與驅動輥的同步特性，導致軋制力矩分配關系發(fā)生變化。從模擬結果可知，盡管軋制力矩分配關系較為復雜，但芯輥和驅動輥力矩之和在相同工況下則基本穩(wěn)定。

5 筒節(jié)軋機應用效果

75 MN筒節(jié)軋機是一臺公司自主研制的用于重型容器筒節(jié)生產的關鍵設備[11]，為萬噸水壓機鍛造后的筒節(jié)作精整和精軋，是公司首次在重型容器筒節(jié)制造中應用了軋制整形技術。如圖8所示，2019年在完成熱負荷試車投入生產后，筒節(jié)軋機已成功應用于數(shù)百件筒節(jié)鍛件產品生產制造，使用狀況良好，工作穩(wěn)定可靠、各項技術性能均達到且優(yōu)于合同指標[12]。設備剛度高，能力大，自動化程度高，生產完全印證了設計思想，與傳統(tǒng)全自由鍛造成形工藝相比，筒節(jié)軋制成形不僅具有良好的可操作性，而且能夠更加有效地控制工件圓度和形位尺寸，鍛件橢圓度平均±10 mm，錐度小于10 mm。根據(jù)對已生產鍛件數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，加工時間可縮短50%以上，節(jié)能40%，綜合成本降低30%，提高了生產效率、產品成材率和鍛件質量，降低了制造成本，改變目前筒節(jié)成品直徑受設備尺寸限制的現(xiàn)狀，達到預期目標要求。

圖8 75 MN筒節(jié)軋機軋制整形生產現(xiàn)場Figure 8 Rolling and shaping production site of 75 MN cylinder rolling mill

6 結束語

重型容器筒節(jié)軋機生產大型筒型鍛件是一種全新的生產方法和重要的發(fā)展方向。針對大型筒節(jié)傳統(tǒng)自由鍛造生產中存在的控制精度低，加工量大，生產周期長等問題，通過結構分析和理論計算，開發(fā)了軋輥水平布置的可逆全液壓立式軋機結構，采用高剛性非懸臂閉式雙機架，大扭矩獨立雙輥驅動和力位同步控制抱輥等技術，彌補了現(xiàn)有輾環(huán)機的結構缺陷和能力局限。研究了大型筒節(jié)的連續(xù)軋制整形成形機理，建立熱力耦合工藝模型，進行軋制成形各工藝參數(shù)計算，為合理制定工藝規(guī)程提供依據(jù)。生產實踐證明，研制的設備軋制力矩達10 MN·m，單側抱輥力達15 MN，筒節(jié)產品外徑可達10000 mm，壁厚650 mm，明顯提高筒節(jié)產品的平整度、壁厚均勻性和圓度控制精度，增強了生產制造能力。其成功應用，使得對筒節(jié)立式軋制整形機理和設備的創(chuàng)新優(yōu)化研究已趨于成熟，對大型筒節(jié)的生產方式起到引領作用，對提高我國該領域基礎制造裝備的自主研發(fā)水平、推進行業(yè)進步具有積極意義。當然作為一種新技術，由于生產現(xiàn)場環(huán)境影響，還存在提高筒節(jié)外徑在線動態(tài)測量精度穩(wěn)定性的課題，需適時跟蹤測量技術的發(fā)展，進一步完善測控技術，擴大應用范圍。