环件轧制的制造工艺分析

摘 要：环件轧制是一种先进的生产制造技术，又称环件辗扩或扩孔，是借助环件轧制设备一轧环机使环件产生壁厚减小、直径扩大、截面轮廓成形的塑性加工工艺。并且深入的地探讨了环件轧制的制造的国内外的发展，指出了环件轧制未来行业发展的方向。

关键词：环件；轧制；制造工艺；发展趋势

1、前言

环件轧制是一种先进的生产制造技术，又称环件辗扩或扩孔，是借助环件轧制设备一轧环机使环件产生壁厚减小、直径扩大、截面轮廓成形的塑性加工工艺。环件轧制是连续局部塑性加工成形工艺，与整体模锻成形工艺相比，它具有大幅降低设备吨位和投资、振动冲击小、节能节材、生产成本低等优点，非常适合轴承环、齿轮环、法兰环、火车车轮及轮箍、燃汽轮机环等各类无缝环件的加工制造。如今，环件轧制在机械、汽车、火车、船舶、石油化工、航空航天、原于能等工业领域中已经得到广泛的应用。环件轧制能够生产各种形状尺寸、不同材料的环形件。环件轧制可以轧制的材料范围广阔，包括碳钢、合金钢、铝合金、铜合金、钦合金、镍基合金等。

环件轧制是轧制技术与机械零件制造技术的交叉和结合，它有如下特点：驱动辊与芯辊直径相差悬殊；驱动辊作主动旋转轧制运动，芯辊作从动旋转运动，且它们的转速不同；旋转轧制运动与直线进给运动相互独立；径向轧制运动与端面轴向轧制运动相互制约，并都受到导向运动的约束与干涉；轧制中环形毛坯反复多次通过高度逐渐减小的轧制孔型；环件变形区几何边界是复杂的、不稳定的，变形的热、力条件也是动态变化的。因此，环件轧制不仅表现出了普通平板轧制、异步轧制、型材轧制、多道次轧制的性质，而且还表现出了这些轧制的祸合性质。环件轧制不仅表现出了几何非线性和物理非线性，而且还表现出了几何非线性和物理非线性的藕合性质，因而环件轧制变形具有高度的复杂性。

2、国内外现状

距报道，德国、日本等国家的环件轧制工艺发展迅速1721s，其制造的冷轧芯辊寿命可以稳定达到2万-6万次，除了芯辊的制造材料和热处理工艺、设备的差距以外，国外普遍采取了先进的表面强化工艺，如三束强化、表面涂层、激光表面强化等。与此相比，国内产品在制造、热处理工艺、表面强化等方面还存在某些差距。当前，在国内有多个轴承厂家采用不同的材料制造冷轧芯辊，使用的材料主要是高强度钢冷作模具钢，包括钢以及高速钢等，但是在寿命上都还没有达到理想的效果。黄石某轴承生产厂家以钢棒材制作的冷轧芯辊，用来轧制的是轴承圈。芯辊经过正常的热处理后，在正常轧制过程中的寿命偏低，有大量芯辊工作寿命不到1000次便过早断裂。另有部分芯辊的寿命集中在1000-3000次，少量的芯辊寿命较高，超过了8010次。图1-3为随机抽查若干支断裂芯辊的寿命分布情况。从图中可以看出，冷轧芯辊的寿命分布不是均布在不同的区域，而是分别集中在较低寿命（2000-3000次）和较高寿命（7000-8000次）两个区域。

环件轧制主要有径向轧制和径一轴向轧制。环件径向轧制设备结构简单，广泛地用于中小型环件轧制生产，但轧制的环件端面质量难以保证，环件端面常有凹坑缺陷。徑一轴向轧制是为了改善轧制环件的端面质量、轧制复杂截面轮廓的环件，在径向环件轧制设备的基础上，增加一对轴向端面轧辊，对环件的径向和轴向同时进行轧制的轧制方法。径向轧制产生的环件端面凹陷再经过轴向端面轧制而得以修复平整，且轴向端面轧制还可使环件获得复杂的截面轮廓形状。环件轧制技术是伴随铁路运输业的发展而产生的。为了生产火车轮箍，1842年英国建造了第一台火车轮箍轧机，随后，环件轧制技术在其他环形机械零件生产中也逐步得到了推广应用。我国于20世纪50年代开始应用环件轧制技术生产轴承环。现在，环件轧制技术已经成为环形机械零件生产的高效、先进和主要工艺方法之一，并向着以下几个方向迅速发展 （1）大型环件轧制技术。直径成000nnIl以上的大型环件越来越多地采用环件轧制工艺生产。环件轧制设备在美国、德国、英国等国家的安装数量迅速增加，我国洛阳矿山机器厂也从德国引进了直径的500mm的环件轧制设备。（2）高速环件轧制技术。随着环件轧制设备的机械自动化程度的提高，环件轧制速度和生产率随之提高，小型轴承环轧制自动生产线生产率已经达到了300-1000件/小时。（3）精密环件轧制技术迅速发展。目前，精密轧制的环件直径尺寸精度可达到1pm。（4）复杂环件轧制技术。通过轧制用毛坯的优化和轧制孔型的合理设计，许多复杂截面的环件逐步实现了直接成形轧制生产。（5）柔性环件轧制技术。目前己有的柔性环件轧制设备，其轧制孔型更换时间为1-2小时，轧制的环件直径，重量为20-100kg，非常适合小批量轧制生产。

冷轧芯辊是环轧设备上的重要部件，也是易损部件。芯辊对于轧制有着重要影响，除影响轧制件的质量和精度外，其工作寿命的长短直接关系着生产效率和生产成本的高低，因此，芯辊也是环轧工艺水平的象征之一。目前国内各生产厂家均采取不同的高强度的冷作模具钢来制作冷轧芯辊，以期望达到较高的寿命。黄石某轴承厂家采用的是轧制的钢棒材，最终热处理为常规方案，即1210度淬火，550度回火三次，每次一小时，热处理后的表面硬度在HRC62-69。在使用中，在冷轧芯辊受到的应力远低于其疲劳强度的条件下，出现了过早断裂、寿命偏低、不稳定、高低寿命差距大等现象，国内其它各厂家的冷轧芯辊均存在类似问题。高速钢冷轧芯辊每支的生产成本为100-150元，断裂后，一个熟练工人拆除、安装新辊、重新调试环轧设备的时间约是10-20min。如果频繁的更换芯辊，将大大减少有效轧制生产的时间。所以，提高冷轧芯辊的寿命是一个函待解决的问题，也是一个和生产效率、效益密切相关的问题。

3、总结

高速钢冷轧芯辊的断裂部位大多位于工作型槽处，断裂位置主要有两类，大约8%从工作型槽圆角处断裂，从工作型槽中部断裂。另据厂家反映，冷轧芯辊的寿命与热处理工艺有一定的关系。采用高温淬火时，表面硬度较高，相应芯辊的平均寿命要高一些，采用低温淬火时，表面硬度较低，相应芯辊的平均寿命也要低一些。但是，也有少部分断裂芯辊不符合此规律，表面硬度并不高，在HRC63-65之间，可是寿命却超过了一万次，属于高寿命芯辊。实际轧制过程中，冷轧芯辊受到驱动辊传来巨大轧制力和轧制坯料之间的摩擦，再加上冷却液的作用，芯辊工作环境十分恶劣。由于受到工作空间的限制，冷轧芯辊无法用增加尺寸的办法来增加强度。冷轧芯辊的寿命是由多种因素决定的，应该针对实际的工作环境和受力方式来改进热处理参数，使钢热处理后的性能适合冷轧芯辊的工作要求，从而能够提高和稳定其工作寿命。因此，研究高速钢最终热处理工艺和其抗疲劳性能的关系也是一个新的方向。■

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