江绍成1，钱东升2
（1.中车集团成都机车车辆公司，四川 成都 610051；2.武汉理工大学，湖北 武汉 430070）
摘要：错位环轧工艺是在环件外周的适当位置安置两个辗压轮，同时在环件内孔的两辗压轮与环件接触处之间的近中部位置错位安置一个芯辊，外周的大辗压轮由电动机拖动旋转，它带动环件、芯辊和小辗压轮旋转，构成环轧，外周的两个辗压轮和内孔中的芯辊，在径向发生相向连续的进给运动的过程中，保持内外三个轧辊的错位状态，在此状态下，它们的径向压力难以穿透环件的壁厚，环件壁厚处于未锻透的状态，在轧制过程中，环件的断面面积变化不大，在咬入条件满足时，环件外周及内孔表面的局部连续受压，迫使环件外周表层金属发生轴向流动变形，去充填模具型腔，形成与模具型腔相对应的较复杂的断面形状。
关键词：环轧工艺；错位环轧；三辊横轧；复合环轧；断面面积
错位环轧工艺是一种旋转锻造工艺，是普通辗环（扩孔）[1]和多点径向辗环（三辊横轧）[2]工艺的发展，适用于辗扩比不同且断面形状复杂的环件的成形。
普通辗环（扩孔）是一种历史悠久的旋转锻造工艺，广泛应用于轴承内外环、轮圈、铁路轮箍等环件的塑性成形[1]，它可在普通立式辗环机和普通卧式辗环机上完成。其由电动机驱动旋转的主辗压轮与被动带转的芯辊形成一对对位轧辊，对套在芯辊上的环件毛坯进行周而复始的循环轧制，环件内外径扩大、壁厚减薄而逐步成形，该机芯辊右侧的推力轮靠住环件使轧制过程平稳，芯辊左侧的信号轮控制环件外径尺寸。适用于外形较简单、扩孔比比较大的环件生产。对外形复杂且辗扩比又小的环件（尤其是外形有深凹槽的环件，如双边法兰、双联齿轮和双边支重轮、各类球阀的连接体等），普通辗环工艺无能为力，为此多点径向辗环工艺（近年又被称为三辊横轧或复合环轧工艺[3]）应运而生，它在环件内径扩大到外周与三个辗压轮均接触到后，在环件径向刚度足够的前提下，继续施压，在限制环件内径扩大的同时，对环件外周的金属进行旋转反挤压，使其充满模具型腔，此时芯辊已不参与环轧过程，该工艺可使辗扩比很小且外形复杂的环件成形。多点径向辗环工艺利用多功能辗环机可生产这类特殊环件和普通环件，扩大了普通辗环机的功能。其存在的问题有：要求环件径向刚度较大，不适用于孔大壁薄的环件；因芯辊未参与环轧过程，环件内孔形状不佳，须留较大加工余量。
错位环轧工艺提供了一种新的环轧工艺，它能克服多点径向辗环（三辊横轧）工艺的不足，扩大应用范围并提高环件质量。适用环件尺寸范围大和不同辗压比或外形复杂的环件。
一百多年来，普通环轧工艺与钢材轧制工艺两者工作原理本质上是相同的。钢材轧制如图1所示，1、3为一对对位轧辊，2为轧制工件。钢材在通过一对或若干对上下对位反向旋转的轧辊的型槽时，局部受压，在满足咬入条件和锻透条件时，发生断面减小、轴线伸长的塑性变形。普通环轧如图2所示，它的一对对位轧辊，一个是主动旋转的大轧辊4（称主辗压轮）位于环件5的外周，另一个被动旋转的小轧辊6（称芯辊）位于环件5的内孔中，环件5的壁厚局部上内外受压。在满足咬入条件和锻透条件时，环件5在被带转过程中，周而复始进入该对逐步靠近的轧辊，环件壁厚逐步减小的同时，内、外径扩大至要求形状尺寸时完成环轧过程。
图1 钢材轧制工艺工作原理
图2 普通环轧（扩孔）工艺工作原理
多点径向辗环工艺（三辊横轧）的工作原理如图3所示，它是在环件外周大致均布设置一大两小三个辗压轮，其中一个大辗压轮4主动旋转，带动环件5及两个小辗压轮7和8转动，三辊横轧时环件5的内孔中可不设置芯辊，此时三个辗压轮径向相向进给时，环件5的外周表面三处局部受压，在环件5的径向刚度足够大（环件不会压扁）的前提下，因环件5的壁厚两侧没有对位之轧辊，环件不会发生锻透状态下的扩孔变形，环件的平均直径变化不大，只要环件外周咬入条件满足，模具形状使环件外周表层金属连续发生充满模具型腔的金属流动，使环件外周较复杂的断面形状成形。但三辊横轧时内孔表面处于拉应力状态（与无缝钢管轧制类同），又没有芯辊参与环轧，其内孔表面形状和尺寸不易控制。在一部辗环机上可以方便地将三辊横轧工艺和普通环轧（扩孔）工艺结合起来，构成复合环轧工艺，它能使辗扩比不同的较复杂断面的环件成形。
图3 多点径向辗环（三辊横轧）工艺原理
错位环轧工艺如图4所示，它在环件5外周的适当位置上（＞90°至＜160°方位），安置一大一小两个辗压轮，在环件5的内孔中，在两个辗压轮与环件接触处之间的近中部位置，错位安置一个芯辊6，外周的大辗压轮4由电动机拖动旋转，它带动环件5、芯辊6和小辗压轮7旋转，构成环轧，外周的两个辗压轮4、7和内孔中的芯辊6，在径向发生相向连续的进给运动的过程中，保持内外三个轧辊的错位状态。它们的径向压力难以穿透环件5的壁厚，环件壁厚处于未锻透状态，导致环件5的断面面积难以减小，环件的平均直径变化不大，在咬入条件满足时，环件外周及内孔表面的局部连续受压，可发生环件外周表层金属流动的变形，去充填模具型腔，形成与模具型腔相对应的较复杂的断面形状。错位的芯辊6始终参与环轧过程，环件5的内孔的形状和尺寸可以得到较好控制。错位环轧和普通环轧（扩孔）工艺相结合的办法是错位环轧结束后，可将小辗压轮7后退，大辗压轮4（或芯辊6）继续径向进给，它们构成一对对位轧辊，成为普通扩孔过程，如图5所示，它们构成可加工不同辗扩比的复杂断面环件的复合环轧工艺。
图4 错位环轧工艺工作原理
图5 复合环轧工艺过程
错位环轧的工作原理应用到H等型材轧制中，可以设计制造轧辊对位和错位相结合的H等型材轧制生产线，如图6所示，9为两对对位轧辊，10为4个错位轧辊，2为轧制工件（H型材）。因在错位轧制时，H型材变形显著而横断面积变化不大，轴线长度伸长较小，它将可能会提高型材轧制效率，缩短型材轧制生产线的长度，减少设备数量和台位，从而降低型材生产成本。
图6 轧辊对位和错位相结合的型材生产线
基于错位环轧技术的先进性，根据其工作原理可设计制造新型多功能立式和卧式径轴双向辗环机，提高环轧件的制造精度和生产效率，降低生产成本。
图7是错位环轧与普通环轧相结合的径轴双向立式多功能辗环机结构示意图。11是床身，12是主辗压轮下压油缸，13是滑块导轨，14为安装主辗压轮之滑块，15为主辗压轮，16为环件，17为装有芯辊的下支承部件，18为小辗压轮，19为安装小辗压轮之杠杆，20为小辗压轮的施压油缸，其压力和主辗压轮施压油缸相同，21是轴向辗压部件，22是驱动锥形辗压轮之油马达，23为辗压环件端面的一对锥型辗压轮，24为控制环件尺寸的信号轮部件，25为床身之底座。
图8是错位环轧与普通环轧相结合的径轴双向卧式多功能辗环机结构示意图。26是床身，27为在原地主动转动的主辗压轮部件，28为安装小辗压轮之杠杆，29是小辗压轮，30为小辗压轮进给施压油缸，31为环件，32为芯辊部件，33为芯辊进给施压油缸，其压力与小辗压轮施压油缸相同，34为辗压端面的一对锥形轮，35为驱动锥形轮的油马达，36是轴向辗压部件。
图7 径轴双向立式多功能辗环机结构示意图
图8 径轴双向卧式多功能辗环机结构示意图
本文提出的错位轧环工艺是一种新的环件轧制技术，具有以下优点：
（1）可以生产较复杂断面形状的较精准环件，减少加工余量，降低原材料耗损和机加工费用，降低零件制造成本。
（2）错位环轧和普通环轧（扩孔）工艺结合，可扩大环轧工艺应用范围、提高环轧效率，降低工艺成本。
（3）与多功能辗环机（包括立式和卧式）相比，减少了一个左侧辗压轮部件，不仅简化了设备，降低了设备制造成本，而且为立式多功能辗环机设置轴向端面辗压部件，提供了足够的设计空间，为径轴双向立式多功能辗环机的设计和制造提供了方便。
参考文献：
[1]华 林，黄兴高，朱春东.环件轧制理论和技术[M].北京：机械工业出版社，2010.
[2] 江绍成.旋转反挤压锻造[J].锻压装备与制造技术，2006，41（1）：44-45.
[3]钱东升，华 林，张志强.一种环件复合轧制成形新技术[A].第十二届全国塑性工程学术年会第四届全球华人塑性加工技术研讨会论文集[C].重庆，2011.
A stagger ring rolling technology
JIANG Shaocheng1,QIAN Dongsheng2
（1.CRRC Chengdu Co.,Ltd.,Chengdu 610051,Sichuan China; 2.Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,Hubei China）
Abstract：The stagger ring rolling technology has been introduced.Two rolling rollers have been arranged at suitable positions near ring outer surface,while one mandrel has been put at a stagger position in inner hole near the middle of contacting place between the two wheels and the ring.The external bigger roller is driven by the motor. Then the ring,mandrel and the smaller roller have been rotated passively,of which consists the ring rolling.The two rollers at outer surface and the mandrel in inner hole make continuous feeding movement in radial direction under a stagger status.The radial pressures of them are difficult to penetrate the ring wall thickness,so the ring wall thickness is in not full forging state.During the rolling process,the cross section area of the ring changes not much.When the biting condition has been satisfied,the continuous local pressure has been acted on the ring outer and inner surfaces,which compels the metal in the ring outer area flow in the axial direction to fill the die cavity. As a result,a complex section profile corresponding to the die cavity has been formed.
Keywords：Ring rolling process;Stagger ring rolling;Three-roll cross rolling;Combined ring rolling;Cross-section area
中图分类号：TG335.19
文献标识码：B
DOI：10.16316/j.issn.1672-0121.2017.01.023
文章编号：1672-0121（2017）01-0092-03
收稿日期：2016-08-24；
修订日期：2016-10-15
基金项目：江苏省重点研发专项资助项目（BE2016009）；JGXM（201607GC01）；教育部创新团队发展计划项目（IRT13087）
作者简介：江绍成（1939-），男，高工，享受国务院特贴专家，从事金属成形非标设备研究设计。E-mail：qiands@whut.edu.cn
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