环形锻件辗环工艺的发展

辗环，又称环形锻件辗压成形或扩孔，是一种利用专用辗环设备（辗环机）通过连续局部塑性变形，使环形锻件直径扩大、壁厚减小、截面轮廓逐步成形的先进塑性加工工艺。

与传统的整体模锻成形工艺相比，辗环技术具有显著的技术经济优势：显著降低设备吨位和投资成本、减少振动冲击、节能节材、生产成本低、力学性能卓越。目前，该技术已广泛应用于轴承环、齿轮环、法兰环、车轮、机匣、密封环等多种无缝环形锻件的制造，在工程机械、交通运输、船舶、石油化工、航空航天和原子能等诸多工业领域发挥着重要作用。

1. 辗环的分类与原理

1.1 径向辗压成形

径向辗压成形是辗环技术的基础形式。其工作原理如下：

• 驱动辊作为主动辊，同时执行旋转辗压和直线进给运动

• 芯辊作为被动辊，进行从动旋转辗压运动

• 导向和信号辊为自由转动的从动辊

工艺流程：环形锻件在驱动辊与芯辊构成的孔型中产生连续局部塑性变形，实现壁厚减小、直径扩大和截面轮廓成形。当环形锻件外圆与信号辊接触时，驱动辊停止进给并返回，完成辗环过程。

特点：设备结构简单，广泛应用于中小型辗环生产，但存在端面可能出现凹坑缺陷。

1.2 径向-轴向辗压成形

为解决径向辗压成形的端面质量问题和满足复杂截面成形需求，径向-轴向辗压成形应运而生。该技术在径向辗压设备基础上增加轴向端面辗压辊，实现径向和轴向同步辗压。

主要优势：

• 修复和平整径向辗压产生的端面凹陷

• 实现复杂截面轮廓成形

• 环形锻件壁厚和高度均匀减小

设备特点：结构相对复杂，主要用于大型和复杂截面环形锻件的生产。

2. 辗环的应用领域

2.1 适用材料

辗环技术可加工多种金属材料，包括：

• 碳钢

• 合金钢

• 铝合金

• 铜合金

• 钛合金

• 镍基合金

2.2 典型产品

• 轴承环

• 齿轮环

• 火车车轮

• 燃气轮机机匣

• 航空发动机部件

• 密封圈和安装边

技术极限：目前最大的辗压成形环形锻件可达直径10,000 mm，高度4,000 mm，应用于核反应堆容器制造。

3. 辗环技术的历史发展

3.1 起源与演进

辗环技术起源于19世纪中期的铁路运输业发展。随着火车行驶速度和载重量的提高，传统铸铁车轮已无法满足使用需求，催生了可更换钢轮的生产技术。

关键里程碑：

• 1842年：英国首次建造轮轧机

• 1886年：俄国奥斯特洛维铸造厂设立火车轮生产车间

• 20世纪50年代：中国开始引入辗环技术

3.2 技术发展方向

1. 大型化：直径2,000 mm以上环形锻件逐步采用辗环工艺

2. 高速化：生产自动化程度提高，生产率显著提升

3. 精密化：辗环精度不断提高，尺寸精度可达1/1000

4. 复杂化：复杂截面环形锻件直接成形技术突破

5. 柔性化：小批量、多品种生产设备灵活性增强

6. 材料多样化：适应航空航天等高端领域特种合金加工需求

4. 辗环技术的经济性分析

4.1 技术优势

1. 加工精度高：

• 几何精度与模锻相当

• 毛坯冲孔连皮小

• 无飞边损失

2. 内部质量卓越：

• 组织致密

• 晶粒细小

• 流线沿圆周分布

• 耐磨性和疲劳寿命显著提高

3. 设备投资低：

• 局部变形使设备吨位大幅降低

• 设备投资显著减少

• 加工直径范围广（最大/最小直径比3-5倍）

4. 生产效率高：

• 辗压速度1-2 m/s

• 成形周期约10秒

• 最高生产率可达1,000件/小时

5. 生产成本低：

• 材料利用率高

• 机加工时间短

• 能耗低

• 成形孔型寿命长

4.2 经济效益案例

• 德国生产3,500 mm×110 mm×90 mm碳钢环形锻件，与自由锻相比，生产成本降低77%

• 前苏联统计：与自由锻相比，材料消耗降低40%-50%，生产成本降低75%

结语

辗环技术代表了现代金属成形工艺的重要发展方向。随着工业技术的不断进步，该技术将在材料科学、精密制造和绿色生产等领域扮演越来越重要的角色。未来，我们有理由期待辗环技术在更多高精尖领域实现技术突破和创新应用。