400/315t大型數(shù)控徑軸向輾環(huán)機關(guān)鍵技術(shù)研究

文/徐會彩，單寶德，龐東平·濟南鑄造鍛壓機械研究所

400/315t大型數(shù)控徑軸向輾環(huán)機關(guān)鍵技術(shù)研究

文/徐會彩，單寶德，龐東平·濟南鑄造鍛壓機械研究所

隨著我國風力發(fā)電、航空航天、核電、船舶等行業(yè)的迅速發(fā)展，3MW/5MW風電塔筒連接法蘭、火箭筒連接法蘭、地面發(fā)射大回轉(zhuǎn)支承裝置、核島蒸發(fā)器、核反應堆容器等大型裝置急需大型、超大型優(yōu)質(zhì)環(huán)件。

加工大型環(huán)件的徑軸向輾環(huán)機是一種復雜的大型熱鍛數(shù)控設(shè)備，涉及機械、液壓、數(shù)控編程、控制技術(shù)等多個領(lǐng)域。國內(nèi)現(xiàn)有軋環(huán)設(shè)備普遍存在軋制坯料噸位小、軋制環(huán)件直徑小的現(xiàn)象。面對市場的需求,研制大型重載軋制設(shè)備是我國工業(yè)發(fā)展的需要。

《鍛造與沖壓》雜志2013年第1期發(fā)表的《6500mm環(huán)件輾環(huán)鍛造裝備與工藝》一文（本文作者徐會彩、單寶德分別為這篇文章的第三、第二作者），已經(jīng)從工藝與裝備結(jié)合的角度介紹了6500mm環(huán)件的自動軋制工藝。本文將從裝備技術(shù)創(chuàng)新的角度詳細介紹濟南鑄造鍛壓機械研究所為大冶特殊鋼股份有限公司研制的上抽芯式重載大型D53K-6500-400/315數(shù)控徑軸向輾環(huán)機。

關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新

D53K-6500-400/315數(shù)控徑軸向輾環(huán)機，主要由機身、主傳動機構(gòu)、徑向軋制系統(tǒng)（包括主滑塊部件、上抽式芯輥軸機構(gòu)、主輥部件、定心輥機構(gòu)等）、軸向軋制系統(tǒng)、測量機構(gòu)、活動托架、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。

該設(shè)備以濟南鑄鍛所已有輾環(huán)機產(chǎn)品為基礎(chǔ)，吸收國外先進技術(shù)，通過對大型重載數(shù)控徑軸向輾環(huán)機關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)，突破上抽式芯輥軸技術(shù)、錐輥密封技術(shù)、錐輥預緊拆卸技術(shù)、測量輪實時潤滑和冷卻技術(shù)、錐輥驅(qū)動電機弱磁調(diào)速技術(shù)、錐輥主輥轉(zhuǎn)速同步技術(shù)等核心技術(shù)，向用戶提供的一種具有技術(shù)領(lǐng)先、結(jié)構(gòu)完善、性能可靠等特點的加工大型優(yōu)質(zhì)無縫環(huán)件的高端重載數(shù)控設(shè)備。

錐輥前端密封技術(shù)

軸向軋制系統(tǒng)的錐輥前端因接近高溫環(huán)件，軸承密封很關(guān)鍵，既要防止腔內(nèi)的潤滑油流出，又要防止腔外的冷卻水滲入。在原有技術(shù)中，把軸承壓蓋安裝在錐輥座上；在軸承壓蓋里側(cè)開油封槽，采用單個油封防止腔內(nèi)的潤滑油流出；在軸承壓蓋外側(cè)開O形圈槽，采用O形圈防止腔外的冷卻水滲入。內(nèi)側(cè)的油封一旦損壞，必須將錐輥卸下才可以更換，費時費力；外側(cè)的O形圈因為直徑較小，錐輥受力促使套筒與錐輥座之間的裝配間隙消除，造成O形圈槽與錐輥不同軸，從而加速了O形圈磨損，再加上高溫環(huán)境下其使用壽命比較短；雖然外側(cè)的O形圈方便更換，但需要頻繁更換，一旦更換不及時，冷卻水滲入很容易造成軸承潤滑不足而過熱燒壞，經(jīng)濟損失較大。

如圖1所示，錐輥前端密封技術(shù)在軸承壓蓋外側(cè)開油封槽，采用背靠背的兩個無骨架油封，既能防止腔內(nèi)的潤滑油流出，又能防止腔外的冷卻水滲入。并且將軸承壓蓋安裝在套筒上，不會因為套筒與錐輥座之間的裝配間隙影響密封槽與錐輥的同軸精度；另外在錐輥上開有與密封壓蓋配合的防水槽，再加上兩個靜止的O形圈密封組成系統(tǒng)密封結(jié)構(gòu)，進一步提高了密封效果和可靠性。

圖1 錐輥前端密封示意圖

如果設(shè)備沒到大修時間，而需更換此處密封，可以將密封壓蓋拆下，將新無骨架密封斜向剪開放入，然后用壓蓋壓緊，亦可保證密封效果。另外因為油封壽命比O形圈壽命長，大大延長了密封更換時間，減少了設(shè)備小修次數(shù)，從而提高了設(shè)備使用率，節(jié)約了維修保養(yǎng)成本。

錐輥預緊拆卸技術(shù)

由于大型數(shù)控徑軸向輾環(huán)機加工的環(huán)件非常大，軋制過程一直處于重載、變載、高溫等條件下，所以其各個零部件也非常大，非常重。作為核心零件的錐輥單個重量在3t以上。而且上下錐輥均需傾斜安裝，因此大型徑軸向輾環(huán)對錐輥的易裝配性、易拆卸性提出了很高的要求。針對這個問題，在錐輥后端加裝了如圖2所示的油缸，用于錐輥裝配時預緊、維修時拆卸。加裝此油缸后，原來用于軸向定位的單螺紋拉栓，由于需要在裝配和拆卸時進出空心定位套，就變?yōu)殡p頭螺紋拉桿。

在軋制大型環(huán)件時，環(huán)件和錐輥錐面之間不全是滾動摩擦，而是存在滑動摩擦。由于坯料表面精度變化、環(huán)件壁厚變化、成形過程中的橢圓度變化等等，導致這個滑動摩擦并不是在一個確定方向的滑動摩擦，而是一個對上下錐輥軸線方向產(chǎn)生雙向擾動的、大小變化的比較大的滑動摩擦力。因此大型徑軸向輾環(huán)機對上下錐輥軸向定位的可靠性，也就是雙頭螺紋拉桿的螺紋防松可靠性提出了很高的要求。

該結(jié)構(gòu)設(shè)計構(gòu)造簡單，易加工、易實現(xiàn)，不會導致設(shè)備外形尺寸變大，既解決了錐輥預緊拆卸的方便性，也使錐輥軸向定位螺紋的防松變得非?？煽?，能夠避免螺紋松開所引發(fā)的軸承壽命減少甚至設(shè)備安全事故。（本公司已經(jīng)對此技術(shù)申請了專利并獲得批準。）

圖2 錐輥預緊拆卸結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 測量機構(gòu)潤滑冷卻系統(tǒng)示意圖

測量輪實時潤滑和冷卻技術(shù)

測量機構(gòu)放置在上下錐輥之間，為滿足軋制小高度環(huán)件的需要，受空間限制，測量輪的潤滑一直采用油杯潤滑。由于測量輪和高溫環(huán)件（500～1200℃）直接接觸，測量輪本身以及其安裝軸承的冷卻和潤滑又很關(guān)鍵，一般軋制三五件環(huán)件就需要加一次潤滑油。而此時由于高溫環(huán)件的影響，設(shè)備上溫度較高，環(huán)境惡劣，加油人員必須忍受高溫。

如圖3所示的測量機構(gòu)潤滑冷卻系統(tǒng)，在有限的空間內(nèi)布設(shè)了潤滑管路和冷卻管路，既滿足了軋制小高度環(huán)件的需要，軟管和硬管結(jié)合與測量輪的動作不干涉；又在測量輪的潤滑和冷卻上首次實現(xiàn)了輾環(huán)過程中的實時潤滑。不再需要加工間隙由人工加注潤滑油和噴冷卻水，既節(jié)省了人工，又提高了效率，還改善了設(shè)備潤滑冷卻狀況，延長了相關(guān)零件的使用壽命，提高了測量系統(tǒng)的可靠性及維護的方便性。（本公司已經(jīng)對此技術(shù)申請了專利并獲得批準。）

錐輥驅(qū)動電機弱磁調(diào)速技術(shù)

環(huán)件軋制過程是一個環(huán)件直徑連續(xù)增長的過程，項目組對此進行了深刻分析，如圖4所示，環(huán)件直徑計算公式為：

式中：d—環(huán)件直徑；

L—錐輥錐尖與主輥中心之間的距離；

x—測量輪中心與錐輥錐尖之間的距離；

d1—主輥直徑；

d2—測量輪直徑。

圖4 環(huán)件直徑計算參考圖

一方面，軋制過程中主輥和芯輥轉(zhuǎn)速恒定，其和環(huán)件接觸處的線速度始終恒定，錐輥轉(zhuǎn)速要和主輥轉(zhuǎn)速相匹配,但是隨著環(huán)件直徑d的增長，錐輥和環(huán)件接觸處的線速度是在變化的，確切地說是隨著環(huán)件直徑的增長而減小，也就是說，軋制過程中要達到錐輥轉(zhuǎn)速和主輥轉(zhuǎn)速的匹配，上下錐輥驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速要隨著環(huán)件直徑d的變大而減小，這也就意味著當軋制小型環(huán)件時，上下錐輥驅(qū)動電機需要較高的轉(zhuǎn)速，而當軋制大型環(huán)件時，上下錐輥驅(qū)動電機需要較低的轉(zhuǎn)速。

另一方面，環(huán)件壁厚決定著所需要的軸向軋制力的大小，也影響了圖4中尺寸x的大小。小型環(huán)件壁厚薄，需要的軸向軋制力小，上下錐輥驅(qū)動電機提供比較小的驅(qū)動扭矩即可滿足需要；大型環(huán)件壁厚厚，需要的軸向軋制力大，上下錐輥驅(qū)動電機需要提供比較大的軋制扭矩才能滿足軋制需要。

綜上所述，軋制小型環(huán)件，需要上下錐輥驅(qū)動電機提供較高的轉(zhuǎn)速和較小的扭矩；而軋制大型環(huán)件，需要上下錐輥驅(qū)動電機提供較低的轉(zhuǎn)速和較大的扭矩。

考慮軋制工況，結(jié)合直流電機工作的特性，在軸向軋制單元采用直流電機弱磁調(diào)速技術(shù)：在軋制小型環(huán)件和大型環(huán)件初始軋制直徑還比較小時，上下錐輥驅(qū)動電機在額定轉(zhuǎn)速以上弱磁運轉(zhuǎn)，電機的驅(qū)動扭矩雖然沒有完全發(fā)揮，但可以滿足軋制需要；在軋制大型環(huán)件并且環(huán)件直徑的增長至一定尺寸時，上下錐輥驅(qū)動電機因同步的需要而減速，在額定轉(zhuǎn)速以下運轉(zhuǎn)，電機的驅(qū)動扭矩達到額定最大值，充分發(fā)揮電機的能力。

如果不采用弱磁調(diào)速技術(shù)，則電機規(guī)格必須更大，以滿足初始時的高速要求和結(jié)束時的低速大扭矩要求。此項技術(shù)的采用，降低了電機規(guī)格，節(jié)約了能源和電器成本；同時在不降低效率的前提下，獲得了更大的軋制轉(zhuǎn)矩，擴大了軋制能力。實際軋制情況表明，依據(jù)此種技術(shù)選用的電機可以滿足生產(chǎn)需要。

上抽式芯輥軸技術(shù)

該設(shè)備采用了一種結(jié)構(gòu)新穎的上抽式芯輥軸機構(gòu)，實現(xiàn)了坯料和成品的水平進出，特別適用于大型環(huán)件和薄壁環(huán)件的上下料。既能夠降低上下料難度，也有利于組成生產(chǎn)線實現(xiàn)自動化的上下料，如圖5所示。此部分內(nèi)容在《6500mm環(huán)件輾環(huán)鍛造裝備與工藝》一文中已作了較為詳細的介紹，在此就不再贅述。

錐輥主輥轉(zhuǎn)速同步技術(shù)

環(huán)件軋制時，主輥轉(zhuǎn)速是恒定的，而因為環(huán)件直徑的連續(xù)增長，錐輥轉(zhuǎn)速是變化的，如圖6所示。現(xiàn)有輾環(huán)控制技術(shù)，在軋制過程中要根據(jù)環(huán)件軋制速度、穩(wěn)定與否，對錐輥轉(zhuǎn)速進行人為干預。錐輥轉(zhuǎn)速和主輥轉(zhuǎn)速的匹配程度對環(huán)件成品橢圓度有很大影響。綜合考慮各個影響因素，構(gòu)造一個高階函數(shù)用以閉環(huán)控制，進行平滑的實時調(diào)整。此部分內(nèi)容在《6500mm環(huán)件輾環(huán)鍛造裝備與工藝》一文中已作了較為詳細的介紹，在此就不再過多贅述。

實際軋制情況表明，此種新控制算法的精確度，使軋制過程中不再需要人為干預錐輥轉(zhuǎn)速，操作更為簡單，軋環(huán)精度更高。此種控制技術(shù)降低了對操作工人的要求，為最終實現(xiàn)全自動軋制奠定了基礎(chǔ)。

性能特點

D53K-6500-400/315數(shù)控徑軸向輾環(huán)機，代表了國內(nèi)重載大型輾環(huán)機的發(fā)展水平，已于2011年10月投產(chǎn)，設(shè)備運行良好，已通過工程項目的最終驗收；2012年8月試軋6500mm環(huán)件，一次性成功，產(chǎn)品的各項指標達到設(shè)計要求。該設(shè)備具有以下特點：

圖5 上抽式芯棍軸結(jié)構(gòu)示意

圖6 軋制原理示意圖

⑴上抽芯式。該設(shè)備是國內(nèi)第一臺上抽式重載輾環(huán)機，為輾環(huán)生產(chǎn)線自動化水平的提高提供了技術(shù)支持。

⑵大力矩。該設(shè)備是國產(chǎn)軋制能力最大的輾環(huán)設(shè)備之一,比國外相同規(guī)格的設(shè)備（可參閱《鍛壓手冊》班寧輾環(huán)機參數(shù)）軋制能力大。

⑶精度高。在同類環(huán)軋設(shè)備中,軋制的大型環(huán)件精度高。

⑷效率高。該設(shè)備軋制力大以及高配的液壓電氣系統(tǒng)可以快速進給，提高了輾環(huán)效率。

⑸操作簡單,控制軟件的創(chuàng)新使得該設(shè)備更易于操作，有助于促進“一鍵式”輾環(huán)的實現(xiàn)。

⑹該設(shè)備軋制的環(huán)件直徑、高度、重量都比較大。

⑺軋制范圍廣，可以軋制碳鋼、不銹鋼、鈦合金、銅合金、鋁合金以及高溫合金等材質(zhì)環(huán)形件，可應用于機械工業(yè)、石油化工業(yè)、紡織業(yè)、工程機械以及航空航天業(yè)等領(lǐng)域。

結(jié)束語

D53K-6500-400/315數(shù)控徑軸向輾環(huán)機的研制成功與順利投產(chǎn)為我國輾環(huán)技術(shù)及裝備行業(yè)的發(fā)展做出了應有的貢獻，為我國風電機組、核電裝備、火箭等重大尖端裝備的研發(fā)提供了技術(shù)支撐，同時對促進重大裝備國產(chǎn)化目標的順利實現(xiàn)、提高我國設(shè)計制造水平、增強綜合國力具有重大意義。

（本論文受國家科技重大專項《大型數(shù)控徑-軸向輾環(huán)機》（2010ZX04004-131）課題資助。）

徐會彩，工程師，主要從事輾環(huán)機等環(huán)鍛設(shè)備的研發(fā)。