大型盤件輾軋工藝及坯料設(shè)計(jì)

劉太盈，李慶華，李付國，魏志堅(jiān)，蘇春明

(1.西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，西安710072;2.貴州安大航空鍛造有限責(zé)任公司技術(shù)中心，貴州安順561000)

大型盤件輾軋工藝及坯料設(shè)計(jì)

劉太盈1，李慶華1，李付國1，魏志堅(jiān)2，蘇春明2

(1.西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，西安710072;2.貴州安大航空鍛造有限責(zé)任公司技術(shù)中心，貴州安順561000)

合理的毛坯尺寸設(shè)計(jì)是獲得精確的盤件尺寸和良好的性能的關(guān)鍵.本文進(jìn)行了盤件輾軋?jiān)囼?yàn)，并根據(jù)體積不變?cè)砗妥冃螀f(xié)調(diào)理論提出了一種非矩形截面盤件輾軋用毛坯的設(shè)計(jì)方法，給出了毛坯尺寸計(jì)算公式.試驗(yàn)表明輾軋出的盤件尺寸合格，坯料設(shè)計(jì)是其中的關(guān)鍵.根據(jù)毛坯設(shè)計(jì)方法通過對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)盤進(jìn)行實(shí)例設(shè)計(jì)計(jì)算，表明與輾軋成功試驗(yàn)用坯料相吻合，證明了本文設(shè)計(jì)方法是適用的.

輾軋工藝;大型盤件;坯料設(shè)計(jì);徑軸向軋制;變形協(xié)調(diào)

盤類零件作為重要的承載零件是機(jī)械制造行業(yè)的基本零件類型之一，傳統(tǒng)成形工藝以盤件鍛造［1］為主，材料利用率不高且成形大型盤件所需的設(shè)備噸位大.軋制成形具有局部加載成形的特點(diǎn)，既可以大幅度降低成形載荷，又能達(dá)到近凈成形的目的，因此，開發(fā)了采用軋制工藝生產(chǎn)盤件的工藝，其中又以火車車輪的輾軋［2］最為典型.航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用需求以及大型盤件的制造，對(duì)傳統(tǒng)的盤件成形工藝形成了挑戰(zhàn)，世界各國都致力于開發(fā)能生產(chǎn)高性能盤件的低成本先進(jìn)制造技術(shù).B P B-ewlay［3-4］等人開發(fā)了采用輾壓工藝成形航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金復(fù)雜渦輪盤的技術(shù)，但該技術(shù)需要在等溫腔室內(nèi)成形，技術(shù)實(shí)施難度大，生產(chǎn)成本高，金泉林［5-7］等人對(duì)材質(zhì)為鉛的盤型件雙面輾壓成形工藝進(jìn)行了系統(tǒng)研究.這兩種工藝比較相似，具有很好的靈活性，可以輾壓出非常復(fù)雜的盤件，但成形的盤件是實(shí)心的.燃汽輪機(jī)作為動(dòng)力裝置在軍事和民用領(lǐng)域占有重要的地位，具有效率高、成本低及污染小等優(yōu)點(diǎn)，用燃汽輪機(jī)發(fā)電已成為電力供應(yīng)的重要新途徑.渦輪盤是在高溫下高速旋轉(zhuǎn)的部件，是燃?xì)廨啓C(jī)的心臟，材料和性能的要求很高.燃汽輪機(jī)渦輪盤的尺寸比航空發(fā)動(dòng)機(jī)大很多，直徑一般超過700 mm，用鍛造的方法生產(chǎn)大型和超大型盤件時(shí)，所需的設(shè)備噸位巨大，模具加工制造費(fèi)用高，導(dǎo)致鍛件的生產(chǎn)成本很高，因此，研發(fā)新的大型盤件制造技術(shù)勢(shì)在必行.

近年來，通過對(duì)數(shù)控徑軸向輾環(huán)機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造，開發(fā)出由環(huán)件軋制技術(shù)演化而來的一種新型盤件生產(chǎn)工藝——軋盤工藝.該工藝針對(duì)非矩形截面空心盤件，采用上下異型截面錐輥對(duì)矩形環(huán)坯軸向端面進(jìn)行輾軋，使坯料高度減小、內(nèi)外直徑擴(kuò)大、截面發(fā)生連續(xù)局部塑性變形，可用于生產(chǎn)大型和超大型空心盤類零件，工藝通用性很好，生產(chǎn)成本非常經(jīng)濟(jì)，盤件輾軋技術(shù)作為一種低成本的先進(jìn)制造技術(shù)在眾多行業(yè)有著十分廣闊的應(yīng)用前景.盤件輾軋成形過程的變形機(jī)理非常復(fù)雜，目前，國內(nèi)外相關(guān)的研究報(bào)道基本沒有，工藝的制定尚無系統(tǒng)的理論方法指導(dǎo).為此，本文研究了盤件輾軋成形工藝，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)盤進(jìn)行了輾軋成形試驗(yàn)，推導(dǎo)出盤件輾軋用坯料的設(shè)計(jì)方法，為盤件輾軋工藝設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù).

1 盤件輾軋成形工藝

圖1為在經(jīng)過技術(shù)改造的數(shù)控徑軸向輾環(huán)機(jī)上進(jìn)行盤件輾軋成形的示意圖.錐輥和導(dǎo)向輥安裝在可移動(dòng)機(jī)架上，在輾軋開始時(shí)機(jī)架向轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)輥方向移動(dòng)，抱輥通過液壓裝置從環(huán)形坯料的兩側(cè)與驅(qū)動(dòng)輥和導(dǎo)向輥一起將放置在工作臺(tái)上的坯料抱住，此時(shí)工作臺(tái)下降坯料下端面落在轉(zhuǎn)動(dòng)的下錐輥上，由驅(qū)動(dòng)輥帶動(dòng)環(huán)坯逐漸轉(zhuǎn)動(dòng)直至兩者轉(zhuǎn)速同步.然后，上錐輥開始沿環(huán)坯軸線方向向下作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，下錐輥僅繞其自身軸線與上錐輥同步轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)環(huán)坯進(jìn)行軸向輾軋，并通過調(diào)節(jié)錐輥轉(zhuǎn)速使其表面線速度與盤件端面線速度基本保持同步.

圖1 盤件輾軋初始階段示意圖

在輾軋過程中抱輥、導(dǎo)向輥和驅(qū)動(dòng)輥始終將環(huán)坯抱緊，隨著環(huán)坯軸向高度的降低，盤件內(nèi)外徑逐漸長大，抱輥會(huì)隨著盤件直徑的增大而逐漸張開，安裝在機(jī)架上的錐輥和導(dǎo)向輥會(huì)隨機(jī)架的后退而后退，以保證輾軋過程的順利進(jìn)行.導(dǎo)向輥同時(shí)也是一對(duì)檢測輥，將檢測到的抱緊力反饋給控制系統(tǒng)，以確保機(jī)架隨盤件直徑的長大作向外水平移動(dòng)時(shí)仍能將坯料緊緊抱住，使環(huán)坯平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng).在軋制初期由于受坯料內(nèi)孔尺寸及錐輥位置的限制芯輥無法插入，當(dāng)內(nèi)孔長大到足夠大時(shí)，芯輥插入以平整內(nèi)孔壁，保證內(nèi)孔的圓度，如圖2所示.輾軋終了時(shí)上錐輥停止進(jìn)給，盤件隨驅(qū)動(dòng)輥和錐輥停止驅(qū)動(dòng)而逐漸停止轉(zhuǎn)動(dòng)，然后上錐輥上行工作臺(tái)上升，安裝錐輥和導(dǎo)向輥的機(jī)架后退，抱緊盤件的外力消失，盤件落在工作臺(tái)上，輾軋過程結(jié)束.

圖2 盤件輾軋示意圖

2 盤件輾軋?jiān)囼?yàn)

盤件輾軋?jiān)囼?yàn)由貴州安大航空鍛造有限責(zé)任公司實(shí)施，試驗(yàn)設(shè)備為德國瓦格納公司的RAW500/400-3000/700數(shù)控徑軸向輾環(huán)機(jī)，徑向輾軋力500 t，軸向輾軋力400 t，最大輾軋環(huán)件直徑可達(dá)4.5 m.設(shè)備委托瓦格納公司進(jìn)行了技術(shù)改造，在安裝錐輥的機(jī)架上加裝了一對(duì)對(duì)稱分布的導(dǎo)向輥，并對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了完善.所要成形盤件的外形尺寸如圖3所示，根據(jù)塑性成形原理及環(huán)件輾擴(kuò)的坯料設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了11種不同尺寸的環(huán)坯進(jìn)行輾軋?jiān)囼?yàn)，坯料尺寸如表1所示，材料為Q235鋼和0Cr11NiMoVNb馬氏體熱強(qiáng)鋼兩種，兩種材料的鍛造溫度區(qū)間分別為1180～850℃和1160～900℃，由于盤件要進(jìn)行多道次長時(shí)間的輾軋，應(yīng)選擇較寬的鍛造溫度區(qū)間，選擇高的始鍛溫度，兩種坯料加熱溫度都為1160℃.在穩(wěn)定輾軋階段驅(qū)動(dòng)輥旋轉(zhuǎn)線速度為 1250 mm/s，根據(jù)兩種材料的變形抗力及設(shè)備的噸位，在充分利用設(shè)備功率而不過載條件下選擇進(jìn)給速度.

圖3 盤件外形尺寸

表1 坯料和盤件內(nèi)外徑尺寸

對(duì)于 Q235鋼錐輥軸向進(jìn)給速度為0.4 mm/s，0Cr11NiMoVNb鋼為0.18 mm/s.盤件軋制開始階段驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速較穩(wěn)定階段稍慢，錐輥進(jìn)給速度也較小，在較短時(shí)間里驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速逐漸增大到穩(wěn)態(tài)設(shè)定值，錐輥進(jìn)給速度也增大到設(shè)定值進(jìn)入穩(wěn)定輾軋階段，當(dāng)盤件外徑達(dá)到要求尺寸時(shí)錐輥停止軸向進(jìn)給以控制盤件外徑不再長大，只是對(duì)盤件進(jìn)行圓整軋制，保證外形和內(nèi)孔的圓度.圖4為盤件輾軋?jiān)囼?yàn)現(xiàn)場照片，輾軋成形的盤件如圖5所示.輾軋出的盤件尺寸如表1所示，試驗(yàn)結(jié)果表明，11個(gè)樣件中僅有編號(hào)為1、2和11的3個(gè)盤件基本合格，它們的外形尺寸都在公差范圍內(nèi)，其他盤件均不合格，但盤件軸向尺寸均合格，問題都是內(nèi)孔尺寸過大.另外在盤件輾軋成形過程中還會(huì)出現(xiàn)一些缺陷.有些盤面上出現(xiàn)凹坑，這是由于錐輥旋轉(zhuǎn)速度和驅(qū)動(dòng)輥旋轉(zhuǎn)速度不匹配，造成錐輥表面線速度與盤件端面線速度不同步而產(chǎn)生打滑，再加上氧化皮的影響使得盤面坑坑洼洼不平整，輾軋時(shí)用風(fēng)槍將氧化皮吹掉就不會(huì)出現(xiàn)此現(xiàn)象;個(gè)別盤件在中間輪輻最外沿與輪緣相交處出現(xiàn)材料折疊現(xiàn)象，主要原因是在臺(tái)階處坯料和錐輥的線速度嚴(yán)重不匹配，再加上軸向壓下量過快材料徑向、周向流動(dòng)得不到充分進(jìn)行，在此部位出現(xiàn)材料堆積以至折疊，由于造成此缺陷的原因比較復(fù)雜還有待進(jìn)一步深入研究.

本試驗(yàn)在國內(nèi)首次成功輾軋出直徑達(dá)1931 mm的大型空心盤件，對(duì)盤件進(jìn)行各項(xiàng)性能測試均滿足實(shí)際使用要求.在輾軋?jiān)囼?yàn)時(shí)盤件內(nèi)徑增長過快且不容易控制，導(dǎo)致內(nèi)孔徑超差是本次盤件輾軋?jiān)囼?yàn)的主要問題.影響盤件內(nèi)孔徑增長過快的因素很多，主要有坯料尺寸、錐輥進(jìn)給速度、抱緊力、芯輥進(jìn)給力等，其中起決定性因素的是坯料尺寸，只有尺寸合適的環(huán)坯才能輾軋出合格的盤件，因此，坯料設(shè)計(jì)是急需解決的難題，這是輾軋出尺寸合格盤件的重要保證.

圖4 盤件輾軋成形試驗(yàn)

圖5 輾軋出的盤件

3 坯料設(shè)計(jì)

不同的毛坯，其形狀尺寸不同、軋制變形程度不同、初始體積分配不同，但都遵循體積不變和變形協(xié)調(diào)規(guī)律［8］，本文基于以上原理對(duì)盤件輾軋用坯料設(shè)計(jì)進(jìn)行研究.為分析計(jì)算方便，在不失精度的前提下，將盤件輪轂與輪輻和輪輻與輪緣間的斜面過渡等效到中間線位置，簡化成直角過渡，并且考慮燒蝕等因素，可以將盤件分為I、C和O的3個(gè)部分，如圖6所示.坯料為如圖7所示的矩形截面環(huán)狀坯料.

圖6 盤件簡化示意圖

圖7 坯料示意圖

在輾軋變形過程中，坯料保持體積不變和變形協(xié)調(diào)，可推導(dǎo)如下:

式中:dm=(D+d)/2為環(huán)坯中徑;s=(D-d)/2為環(huán)坯壁厚;H為環(huán)坯高度.根據(jù)式(1)由體積不變?chǔ)=0可得

則

輾軋過程中軋制截面處材料在徑軸向變形量分配［8-9］滿足變形協(xié)調(diào)ΔH·αH=Δs·s，可推得

式中:α為變形特征參數(shù)［10］，當(dāng)α=1時(shí)，表示所研究的坯料截面變形在正交兩方向(高度H和壁厚s)上同時(shí)收縮或同時(shí)擴(kuò)大，相應(yīng)地在垂直于該面方向上的變形以協(xié)調(diào)伸長或縮短為主，圓環(huán)坯料以擴(kuò)徑變形為主.當(dāng)α=-1時(shí)，所研究截面面內(nèi)正交方向上(H和s)以變形協(xié)調(diào)為主，即兩個(gè)方向上變形互相補(bǔ)充，一個(gè)方向?yàn)樯扉L，另一個(gè)方向?yàn)榭s短，圓環(huán)坯料以所研究的面內(nèi)變形為主.當(dāng)α=0時(shí)，所研究面內(nèi)以某一方向變形為主，而另一方向變形不大，垂直于面內(nèi)方向與此協(xié)調(diào).

由坯料軋制成盤件各部的高度變化為

則由式(4)和式(5)得

令

則可得

根據(jù)盤件高度方向在輪緣處的最低變形程度和腹板處的最大變形程度的要求，選取合適的H值，再結(jié)合盤件尺寸可求出β值.根據(jù)輾軋的變形特點(diǎn)及設(shè)計(jì)的工藝路線要求選取α值.

又由

所以聯(lián)立式(8)、(9)和式(10)可求得D、d的值，就得到了的坯料尺寸.

以圖3的盤件為例，將盤件等效成圖6所示的簡化形狀，計(jì)算出盤件體積為V=228 720 222.6 (mm3).選取盤坯高度H=163 mm，可以求得β值為70.5.盤件輾軋成形取變形特征參數(shù)α值為-1，此時(shí)在輾軋過程中保持截面面內(nèi)變形為主，當(dāng)坯料高度H減小時(shí)坯料的壁厚s伸長，可以最大限度的產(chǎn)生寬展，以保證內(nèi)徑尺寸不至于過大，變形效率高.聯(lián)立式(8)、式(9)和式(10)可求出坯料尺寸:D=1 359.1 mm，d=246.1 mm，H= 163 mm.通過與表1數(shù)據(jù)對(duì)比可知，按此方法設(shè)計(jì)的坯料與輾軋出合格盤件試驗(yàn)坯料的尺寸非常接近，對(duì)此尺寸坯料選擇合適的工藝參數(shù)能輾軋出合格的盤件，因此，可以驗(yàn)證本文坯料設(shè)計(jì)方法的正確性.

4 結(jié)論

1)在經(jīng)過改造的數(shù)控徑軸向輾環(huán)機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了大型非矩形截面盤件的輾軋成形工藝，成功輾軋出尺寸和性能合格的大型空心盤件.

2)進(jìn)行了11個(gè)不同尺寸坯料的盤件輾軋成形試驗(yàn)，輾軋出3個(gè)尺寸基本合格的大型盤件，其他盤件尺寸均不合格，不合格的原因都是盤件內(nèi)孔尺寸過大，表明本次輾軋?jiān)囼?yàn)過程中的最主要問題是盤件內(nèi)徑增長過快而導(dǎo)致尺寸超差不合格.

3)基于體積不變?cè)砗妥冃螀f(xié)調(diào)對(duì)盤件輾軋用坯料設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，提出了一種非矩形截面盤件輾軋用毛坯的設(shè)計(jì)方法，通過對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)盤進(jìn)行實(shí)例設(shè)計(jì)計(jì)算，表明與輾軋出合格盤件兩種材料的坯料尺寸非常接近，證明了該設(shè)計(jì)方法的正確性.

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Large disk rolling process and blank design

LIU Tai-ying1，LI Qing-hua1，LI Fu-guo1，WEI Zhi-jian2，SU Chun-ming2
(1.School of Materials Science and Engineering，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China; 2.AVIC Guizhou ANDA Avivtion Forging Co.，LTD.，Anshun 561000，China)

In this paper，large disk rolling experiments in reformed radial-axial ring mill were carried out，and base on the constant-volume relationship and deformation coordination，a new blank design method was developed，and the formulas for calculating blank sizes were given.In the experiment the qualified large disks were successfully formed，and the blank design played an important role to roll the qualified disk.According to blank design method，one blank of gas turbine compressor disk was calculated，and it was similar to the experimental blank，which proved that the method is applicable.

rolling process;large disk;blank design;radial-axial rolling;deformation coordination

TG335.19 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1005-0299(2012)01-0124-04

2011-05-11.

劉太盈(1987-)，男，碩士.

李慶華，E-mail:qinghual@nwpu.edu.cn.

(編輯 呂雪梅)