詹 勇，吳秀峰，翟 鵬，劉 琳

（濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司,山東 濟(jì)南 250022）

輾環(huán)機(jī)工作原理及性能分析

詹 勇，吳秀峰，翟 鵬，劉 琳

（濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司,山東 濟(jì)南 250022）

輾環(huán)機(jī)主要用于加工高質(zhì)量無(wú)縫環(huán)件，具有許多優(yōu)良的工藝特性。本文在簡(jiǎn)要敘述軋環(huán)理論、軋環(huán)工藝的基礎(chǔ)上，分析了環(huán)件軋制質(zhì)量的影響因素和軋環(huán)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

機(jī)械制造；輾環(huán)機(jī)；綜述；原理；趨勢(shì)

輾環(huán)機(jī)又稱(chēng)輾擴(kuò)機(jī)或擴(kuò)孔機(jī)，是使環(huán)件產(chǎn)生壁厚減小、直徑擴(kuò)大、截面輪廓成形等塑性變形的加工設(shè)備，主要用于高質(zhì)量無(wú)縫環(huán)件的加工，如軸承環(huán)、齒圈、輪轂等各類(lèi)無(wú)縫環(huán)件。具有振動(dòng)小、節(jié)能、成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車(chē)、航天等領(lǐng)域。

1 輾環(huán)機(jī)的分類(lèi)

輾環(huán)機(jī)分為徑向軋制輾環(huán)機(jī)和徑-軸向軋制輾環(huán)機(jī)兩類(lèi)。徑向軋制輾環(huán)機(jī)又稱(chēng)為立式輾環(huán)機(jī)，其原理如圖1所示。主輥?zhàn)鲂D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，是環(huán)件軋制的主動(dòng)輥。芯輥為從動(dòng)輥，在主輥的帶動(dòng)下做從動(dòng)旋轉(zhuǎn)軋制運(yùn)動(dòng)。在軋制過(guò)程中，首先將環(huán)件毛坯穿過(guò)中心孔放置到芯輥上，主輥逐漸向芯輥靠近，通過(guò)主動(dòng)輥和芯輥的軋制力作用，環(huán)件的徑向端面產(chǎn)生局部塑性變形，直徑不斷擴(kuò)大。定心輥為可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的從動(dòng)輥，和環(huán)件外表面接觸并對(duì)環(huán)件產(chǎn)生一定壓力，隨著環(huán)件的長(zhǎng)大被動(dòng)退回，起到輔助成形的作用。直到環(huán)件外圓與信號(hào)輥接觸，環(huán)件軋制過(guò)程結(jié)束。徑向軋制輾環(huán)機(jī)主要用來(lái)加工中小型環(huán)件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，環(huán)件的端面質(zhì)量較低。

徑-軸向軋制輾環(huán)機(jī)又稱(chēng)臥式輾環(huán)機(jī)，是在徑向和軸向兩個(gè)方向上對(duì)環(huán)件同時(shí)進(jìn)行軋制，如圖2所示。設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，比立式輾環(huán)機(jī)增加了一對(duì)軸向軋制錐輥，軸向錐輥?zhàn)餍D(zhuǎn)和軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。有的設(shè)備在上支撐頂部還添加了抽芯裝置，便于放置環(huán)件毛坯。工作時(shí)，主輥以恒定的速度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，上支架抬起，由機(jī)械手將環(huán)件毛坯放在底座上，使環(huán)件毛坯與芯輥基本同心；然后，定心輥、測(cè)量滾輪以及軸向機(jī)架靠近環(huán)件毛坯；軋制開(kāi)始時(shí)，芯輥通過(guò)徑向直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)逐漸靠近主輥，環(huán)件連續(xù)變形，直徑逐漸擴(kuò)大；同時(shí)上錐輥向下壓緊工件，軸向尺寸逐漸縮小。測(cè)量輥、定心輥隨著環(huán)件直徑的增長(zhǎng)被動(dòng)退回。軸向機(jī)架根據(jù)環(huán)件的增長(zhǎng)速度在隨動(dòng)缸的帶動(dòng)下遠(yuǎn)離主輥，使工件壁厚上各點(diǎn)的線速度與錐輥母線上的線速度相等。徑-軸向軋制改善了軋制環(huán)件的端面質(zhì)量，還可使環(huán)件獲得復(fù)雜的截面輪廓形狀，主要用于大型復(fù)雜截面環(huán)件的軋制生產(chǎn)。

2 環(huán)件軋制的特點(diǎn)

（1）環(huán)件的材料利用率高，無(wú)飛邊材料消耗，加

（2）軋制成形的環(huán)件，與鍛造和機(jī)械加工生產(chǎn)的環(huán)件相比，環(huán)件內(nèi)部組織致密，晶粒細(xì)小，機(jī)械強(qiáng)度、耐磨性和疲勞壽命有明顯提高。

（3）環(huán)件軋制是通過(guò)局部變形的積累而實(shí)現(xiàn)環(huán)件成形的，所需要的軋制力較小，因而使軋制設(shè)備噸位大幅度降低，設(shè)備投資小。

3 環(huán)件軋制質(zhì)量的影響因素

環(huán)件的加工質(zhì)量主要取決于下料毛坯、軋制工藝、設(shè)備能力等方面。

3.1 下料毛坯

熱軋環(huán)件軋制流程為下料→加熱→制坯→加熱→軋制，工藝流程中的各個(gè)工序之間都要相互銜接、密切配合，才能使軋制生產(chǎn)順利進(jìn)行。

毛坯對(duì)環(huán)件軋制成形有決定性影響，不合理的軋制用毛坯是無(wú)法軋制成合格環(huán)件的。毛坯決定了環(huán)件體積的初始分配、軋制變形程度和金屬流動(dòng)狀況，應(yīng)按照環(huán)件鍛件圖和環(huán)件軋制成形流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行設(shè)計(jì)，還需要考慮加工余量、軋制公差等因素，以及制坯和環(huán)件毛坯放入軋制孔型的方便。環(huán)件軋制用毛坯設(shè)計(jì)的影響因素多、影響規(guī)律復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度大。為了使軋環(huán)件獲得精確的形狀，毛坯尺寸與軋環(huán)件尺寸要保持一個(gè)正確的關(guān)系，下料的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到環(huán)件的加工精度。生產(chǎn)實(shí)踐中，環(huán)件毛坯通常要經(jīng)過(guò)多次軋制成形進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 軋制工藝

環(huán)件軋制過(guò)程可分為環(huán)件咬入建立軋制過(guò)程階段、穩(wěn)定軋制階段、軋制結(jié)束階段。在環(huán)件穩(wěn)定軋制階段，環(huán)件近似處于靜力平衡狀態(tài)?？筛鶕?jù)靜力學(xué)理論對(duì)環(huán)件的咬入過(guò)程、鍛透狀態(tài)和塑性彎曲失穩(wěn)情況進(jìn)行研究分析，建立相應(yīng)的物理力學(xué)模型、條件和判據(jù)，計(jì)算相應(yīng)的軋制力、進(jìn)給速度和轉(zhuǎn)速。

環(huán)件軋制過(guò)程中，在軋制力的作用下，環(huán)件產(chǎn)生局部塑性變形，軸向壁厚減小，直徑擴(kuò)大。這些變形的規(guī)律性直接影響到環(huán)件的軋制過(guò)程。運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)理論研究和揭示環(huán)件軋制過(guò)程中各種運(yùn)動(dòng)的相互作用，可以計(jì)算環(huán)件直徑擴(kuò)大速度等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。

環(huán)件軋制過(guò)程中，各部件的運(yùn)動(dòng)都不是勻速的。在非平穩(wěn)環(huán)件軋制過(guò)程中，環(huán)件軋制的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)變化較大，環(huán)件和軋輥可能會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，使軋制過(guò)程失穩(wěn)，產(chǎn)生廢品，甚至損壞軋制孔型和輾環(huán)機(jī)?？赏ㄟ^(guò)建立環(huán)件軋制的動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)軋制振動(dòng)的穩(wěn)定性條件、穩(wěn)定性條件影響因素及其控制方法等進(jìn)行研究，為環(huán)件軋制過(guò)程的動(dòng)力學(xué)控制提供理論依據(jù)。

3.3 設(shè)備能力

設(shè)備能力是指設(shè)備自身的結(jié)構(gòu)、部件所決定的生產(chǎn)能力和加工精度。取決于設(shè)備的機(jī)體結(jié)構(gòu)、材料、裝配精度，液壓系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)，以及電氣系統(tǒng)的響應(yīng)能力。環(huán)件軋制直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是由輾環(huán)機(jī)的液壓或氣動(dòng)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)的。環(huán)件軋制條件所要求的進(jìn)給速度要靠輾環(huán)機(jī)進(jìn)給裝置來(lái)保證。因而進(jìn)給裝置的力學(xué)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)對(duì)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)有直接影響。例如，為了實(shí)時(shí)控制和調(diào)節(jié)環(huán)件軋制過(guò)程中的軋制力和軋制速度，液壓系統(tǒng)一般采用比例壓力閥和比例調(diào)速閥，這些關(guān)鍵比例元件對(duì)壓力和流量的輸出值和電氣輸入信號(hào)成正比，由于比例元件存在一定的階躍響應(yīng)時(shí)間，電氣指令改變后，壓力、流量的輸出不會(huì)立即發(fā)生變化，存在一定的滯后，增加了控制誤差，同時(shí)比例元件的滯環(huán)、重復(fù)精度等性能指標(biāo)也決定了液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性，影響著軋制設(shè)備的整體性能。

4 環(huán)件軋制的發(fā)展方向

環(huán)件軋制成形技術(shù)已經(jīng)成為環(huán)形機(jī)械零件的先進(jìn)制造工藝方法。其發(fā)展趨勢(shì)有以下幾個(gè)方向：

（1）大型環(huán)件軋制技術(shù)。直徑2000mm以上的大型環(huán)件越來(lái)越多地采用環(huán)件軋制工藝生產(chǎn)。我國(guó)對(duì)環(huán)件軋制技術(shù)的研究也越來(lái)越深入，大型環(huán)件加工設(shè)備的數(shù)量迅速增加。5000mm～8000mm數(shù)控輾環(huán)機(jī)在我國(guó)得到了廣泛應(yīng)用。

（2）高速、精密環(huán)件軋制技術(shù)。隨著機(jī)械化自動(dòng)化程度的提高，下料、加熱、制坯以及軋制工藝過(guò)程逐步實(shí)現(xiàn)了流水自動(dòng)生產(chǎn)，環(huán)件軋制速度和生產(chǎn)率隨之迅速提高。隨著制坯精度的提高和環(huán)件軋制過(guò)程測(cè)控系統(tǒng)的快速發(fā)展，環(huán)件軋制精度逐步提高，精密軋制的環(huán)件直徑尺寸精度可達(dá)到1/1000mm。

（3）復(fù)雜環(huán)件軋制和柔性環(huán)件軋制技術(shù)。為了減少機(jī)械加工量、提高環(huán)件材料利用率，通過(guò)優(yōu)化毛坯，合理設(shè)計(jì)軋制孔型，許多復(fù)雜截面的環(huán)件實(shí)現(xiàn)了直接成形軋制生產(chǎn)。同時(shí)為了滿足小批量、多品種、多規(guī)格環(huán)件的軋制生產(chǎn)，孔型快速更換、工作參數(shù)調(diào)節(jié)方便的柔性環(huán)件軋制設(shè)備得到快速發(fā)展，應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。

（4）環(huán)件軋制過(guò)程智能控制系統(tǒng)。根據(jù)環(huán)件軋制理論，通過(guò)智能檢測(cè)技術(shù)、電子控制技術(shù)、現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了環(huán)件毛坯幾何精度、重量誤差、材料性能等參數(shù)的在線檢測(cè)，進(jìn)一步優(yōu)化了軋制工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)件軋制過(guò)程智能控制，提高了軋制環(huán)件產(chǎn)品性能質(zhì)量。

環(huán)件精密軋制成形是制備高質(zhì)量無(wú)縫環(huán)件的先進(jìn)制造技術(shù)，在機(jī)械、汽車(chē)、火車(chē)、船舶、石油化工、航空航天、原子能等許多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 華 林，黃興高，朱春東.環(huán)件軋制理論和技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[2] 朱春東，張 猛.徑向輾擴(kuò)機(jī)輾環(huán)過(guò)程控制的研究[J].鍛壓技術(shù)，2000，（5）：37-39.

[3] 華 林，劉志平，杜 平，周傳新.環(huán)件軋制力能計(jì)算[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，1994，（5）：26-27.

[4] 江紹成.立式輾環(huán)機(jī)的軸向輾壓裝置[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2011，（1）：44-45.

[5] 許 雯.計(jì)算機(jī)技術(shù)在環(huán)件軋制中的應(yīng)用[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2004，（6）：12-15.

Workingprincipleandfunctionanalysisofringrollingmill

ZHAN Yong,WU Xiufeng,ZHAI Peng,LIU Lin
（Jinan Foundry&Metalforming Machinery Research Institute Co.,Ltd.,Jinan 250022,Shandong China）

On the basis of simple introduction about the ring rolling theory and technical process,the influence factors of ring rolling quality have been analyzed in the text.The technical development trend of ring rolling process has been discussed.

Ring rolling mill;Overview;Principle;Trend

TG315.7+2

B

1672－0121（2012）03－0018－02

2012-03-15

詹 勇（1984-），男，碩士，從事機(jī)械、液壓及機(jī)電控制等研發(fā)設(shè)計(jì)工余量少，同時(shí)可保證環(huán)件的表面質(zhì)量。