厚壁扁盤類環(huán)形件軋制應用探討

徐偉 馬栓柱

摘 要：本文就徑軸向軋制生產(chǎn)厚壁扁盤類不銹鋼環(huán)形件開展了技術探討，通過對軋制材料冶金特點以及對變形機理的計算機模擬分析，在試制過程中合理控制了環(huán)坯的尺寸和壁厚均勻性，交付合格鍛件。為后續(xù)類似難變形合金鋼的軋制提供了可鑒經(jīng)驗。

關鍵詞：環(huán)件；軋制；模擬；試制

中圖分類號：TG306 文獻標志碼：A

0 引言

環(huán)件軋制是一種生產(chǎn)各種無縫環(huán)形件的先進制造技術和主要加工方法，它是通過局部連續(xù)軋制的方法，將小直徑大截面的環(huán)形毛坯逐漸輾擴成大直徑小截面的環(huán)形件。在以往徑軸向軋制生產(chǎn)1Cr17Ni2不銹鋼環(huán)件時，多次出現(xiàn)成品超差問題。不合格特征主要表現(xiàn)為內徑尺寸超上差，外徑尺寸超下差，而且端面出現(xiàn)較大的溝槽，其中個別產(chǎn)品出現(xiàn)嚴重的蝶形翹曲。

1 原因分析與措施

1.1 材料鍛造特性和鍛件特點

鍛件材料為1Cr17Ni2鋼，屬于馬氏體-鐵素體型不銹鋼。根據(jù)零件圖和機加工藝要求，設計的鍛件圖外徑名義尺寸Φ885mm，內徑Φ588mm，高度50mm。單面加工余量分別為7mm3、8mm3和13mm3。環(huán)件壁厚尺寸148.5mm，遠大于高度尺寸，屬于厚壁扁盤類軋環(huán)件。鍛件設計時已盡量減少內外徑余量，高度余量較大是受鍛壓設備要求限制。

1.2 軋制變形分析

現(xiàn)有鍛造工藝荒坯尺寸為Φ689mm×Φ270mm×60mm，按根據(jù)滑移線理論和平板軋制模型以及塑性鍛透條件公式計算，鍛件的鍛透條件為每轉進給量△h≥1.55mm，△h/h=0.74%；該計算公式假設高度尺寸無限大，且上下軋輥直徑相同，這與該鍛件軋制時的實際情況差別較大。

采用計算機模擬技術，對塑性區(qū)進行模擬。參考有關文獻資料，當內側、外側塑性區(qū)重合，且心部等效應變值達到0.2時，則認為坯料被鍛透。在構建軋制鍛透模型時，可以忽略環(huán)件的旋轉運動，故在處理邊界條件時，只需設置芯輥沿著徑向方向的直線進給運動，芯輥其他5個方向的自由度及驅動輥6個方向的自由度都被約束。徑向進給速度設置為1mm/s，隨著芯輥的進給，內外側塑性區(qū)逐漸擴大。當經(jīng)過20s軋制，徑向進給距離為20mm時，中心部分等效應變才接近0.20，此時△h/h≈10%。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，與公式計算的0.74%相比，模擬的結果10%更接近金屬鍛透的實際情況。環(huán)件被拖曳并進入孔型，需要滿足咬入條件。經(jīng)計算，此時△h≤9.9mm。

可見，采用現(xiàn)有環(huán)坯軋制成品鍛件時，一開始環(huán)坯被不斷咬入，塑性區(qū)無法穿透整個壁厚，中心部位金屬不能進行有效的周向伸長，環(huán)件外徑無法勻速長大。另外，塑性變形區(qū)類似于鐓粗工序，當壁厚遠大于軸向高度尺寸時，變形區(qū)容易失穩(wěn)，出現(xiàn)雙鼓形進而導致環(huán)件翹曲和心部折疊等缺陷。

1.3 試驗方案

環(huán)件壁厚/高度之比大于2.5，從內徑、外徑兩側打擊環(huán)坯金屬時心部不易變形，內外兩側金屬流動較快且展寬較大，最終端面易出現(xiàn)凹槽。共制定兩種試驗方案。

2 投產(chǎn)試驗

2.1 試驗用原材料

將按材料標準提供的規(guī)格Φ250mm的1Cr17Ni2不銹鋼材料鍛棒回火后并進行了車光，棒材硬度、性能復驗合格，滿足技術條件要求。

2.2 試制過程

投產(chǎn)數(shù)量兩件，料段規(guī)格尺寸Φ255mm×392mm。生產(chǎn)前與對操作班組進行工藝宣貫，明確試驗目的是為了解決軋制時翹曲和尺寸超差問題，工藝措施是減少環(huán)坯壁厚、增加環(huán)坯高度。

第一火：鐓粗并沖孔

加熱保溫后鐓粗至100mm。為了使沖孔后壁厚均勻，滾圓餅坯，整平端面后壓窩并沖孔。測量環(huán)坯尺寸：外徑Φ517mm～Φ523mm，壁厚194mm～198mm，高度99mm。

第二火：擴孔

采用固定馬架，依次使用馬棒和大半圓進行擴孔。擴孔后1#件內孔尺寸約Φ275mm，2#件內孔尺寸約Φ285mm，荒坯端面出現(xiàn)凹槽，內側高度約110mm，外側高度約105mm。

第三火：整形

對于外徑較大，壁厚較大的荒坯，采用開板進行局部整形。將開板放置在荒坯端面，在上砧的打擊下局部整形后，用錘砧整體打平端面，再依次將整個端面進行整平。此時荒坯上端面外徑尺寸大于下端面外徑尺寸。然后翻轉荒坯，用同樣方法對另一個端面進行整形。測量不同部位的內徑尺寸，對內徑較小的方向通過前后進給進行拔長，以控制環(huán)坯的圓度。為了試驗環(huán)坯高度對軋制的影響，將1#件高度整形至70mm，2#件高度整形至75mm。最終1#件實測尺寸：內孔Φ290mm～Φ295mm，外徑Φ650mm～Φ645mm，高度71mm～71.3mm，2#件實測尺寸：內孔Φ302mm～Φ305mm，外徑Φ640mm～Φ632 mm，高度74.6mm～75mm。

第四火：軋制

成品鍛件高度為50mm±5mm，內徑，外徑，名義壁厚148.5mm。軋制后期塑形區(qū)無法穿透壁厚，導致內徑尺寸增加、端面靠近內孔處展寬較大，嚴重時導致鍛件尺寸超差而報廢，故軋制時需要協(xié)調徑向和軸向的軋制量。為了防止軋制時環(huán)坯爬輥和翹曲，需要采用手動抬錐輥，使錐輥在整個軋制過程中對環(huán)件一直具有壓緊作用。監(jiān)控操作面板中中徑和內徑的數(shù)值，一旦因操作不當致使其差值（等于壁厚尺寸）小于150mm，應立即停止軋制，待重新修整環(huán)坯后繼續(xù)軋制。

3 結果分析

通過投產(chǎn)試驗，對該典型件的軋制難點分析是準確的，制定的措施有效，很好地解決了鍛件易出現(xiàn)的問題。通過控制環(huán)坯的尺寸和壁厚均勻性，掌握合理的軋制方法，可以交付出合格鍛件?；呐鞲叨?5mm的工藝方案，便于制坯，但軋制時的徑向進給量較?。s18.5mm）；荒坯高度70mm的工藝方案，軋制徑向進給量相對大一些（約27.5mm）。后者雖然給軋制操作者徑向進給留出了足夠時間，但徑向鍛透相比會更困難，易出現(xiàn)鍛件翹曲和外徑長大緩慢的問題，為達到最終鍛件尺寸，內孔尺寸會較大，且制坯時擴孔和整平難度相對較大。當高度軋制量較小，待高度達到目標尺寸時，環(huán)件外徑尺寸還比目標尺寸小約60mm，此時重新加載徑向軋制力，結果內孔尺寸相對較大，且端面溝槽明顯，深度2.2mm～2.7mm，需要較長軋制時間才獲得合格的外徑尺寸。手動抬輥，軋制的整個過程中錐輥一直對環(huán)件施加約束作用，故環(huán)件未發(fā)生爬輥和翹曲現(xiàn)象。

結論

（1）環(huán)坯設計時要求環(huán)坯的壁厚必須大于目標環(huán)軋件的壁厚，且要預留一定的徑向軋制量，否則環(huán)件無法咬入。

（2）荒坯高度75mm，內徑約300mm的制坯方案較好，可正式納入工藝文件，易于獲得形狀尺寸合格的鍛件。

（3）采用軸向大變形的終成形方式，可為徑向無法鍛透的厚壁扁盤類環(huán)形件軋制成形提供借鑒。

參考文獻

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