環鍛件的案例
淺談超大型環鍛件、筒體鍛件軋制成形技術
本文主要介紹了大型環形鍛件、筒體鍛件生產的新工藝——徑軸向軋制技術，并介紹了當今世界上最大的軋環機的設備能力，以及直徑15.45m 超大環件和直徑6m 的筒體軋制成形過程。
超大型環鍛件、筒體鍛件是大型裝備必不可少的關鍵零部件，在海上風電、核電、水電、石油煉化、航空航天等領域具有廣泛的應用。隨著我國裝備制造業的高速發展，受國內制造工藝水平和能力的限制，大型環鍛件、筒體鍛件的供需矛盾日益顯現，有些裝備制造廠家不得不將目光轉向國外進口。
當前直徑超過10m 的大型環鍛件多采用分段拼焊工藝或鑄造工藝生產，如大型混凝土回轉窯輪帶多采用鑄造工藝生產，由于工件直徑大，不得不設置多個澆冒口，不僅材料利用率低，而且砂眼、縮孔、冷隔等鑄造缺陷很難避免。而大型環鍛件的分段拼焊工藝則存在焊縫與本體組織狀態不一致的顯著缺陷。
當前國內直徑4m 以上的大型筒體鍛件多采用自由鍛方式生產，主要生產廠家有中國一重、二重、上重、中信重工等大型鍛造企業，2015年中信重工用185MN 油壓機鍛造出直徑6.72m，高3.95m，重202t 的超大型筒體，受油壓機凈空高度、開檔尺寸等限制，該尺寸的筒體鍛件基本已達到設備的極限。
此外，大型自由鍛件鍛造時間一般較長，始鍛部位與終鍛部位的鍛造溫度和變形量很難均勻一致，因此鍛件內部組織和晶粒度會差異較大，尤其像奧氏體不銹鋼這類不能通過后續熱處理細化晶粒的鍛件，其差異性更為明顯。
大型環鍛件、筒體鍛件的生產無論是拼焊工藝、鑄造工藝還是自由鍛工藝均存在生產效率低、均質性差、材料消耗大的共性問題。
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環鍛件外異型模擬視頻
國內最大加氫筒體是這樣鍛造成功的！
為推進企業轉型升級，打造新的經濟增長，中信重工近年開始進軍大型高附加值石化加氫反應器鍛件、核電鍛件，以及大型冶金軋輥鍛件、船用鍛件等高端市場，現已成為我國高端大型鑄鍛件研發制造基地，將滿足國內水電、火電、核電、加氫反應、冶金、船舶等領域大型裝備關鍵大型自由鍛件的需求，有效提升我國大型鍛件、重型裝備制造能力。在18500噸油壓機上，中信重工機械股份有限公司研制的大型加氫筒體鍛件成功鍛造。該鍛件外徑達6.72米，高3.95米，單重達202.61噸，采用338噸鋼錠生產，是目前國內最大的加氫筒體鍛件。此次鍛造成功，標志著中信重工已成為國內少數能提供制造大型加氫鍛件的公司之一。
486噸特大型鋼錠成功澆鑄出，從熱處理加熱爐內慢慢送出，在鍛造吊的強力夾持下，緩緩移向油壓機工作臺，進入鍛造工序。
該鋼錠為特大型替打環鍛件，是國內某海洋工程項目配套的大型關鍵鍛件，采用486噸鋼錠鍛造而成。無論鍛件重量還是鋼錠規格，都創造了中信重工歷史之最，這也是國內生產的最大規格海工裝備替打環鍛件。
替打環是海上液壓打樁機的核心部件，屬于帶外臺階的異型環類鍛件，由于其形狀復雜，性能要求嚴格，成形難度極大，國內鮮有廠家具備生產能力。此前主要依賴進口，但由于生產周期長，采購價格高，替打環一直是國內打樁機生產廠家的一個痛點。
國內最大海工裝備替打環鍛件成功澆鑄及鍛造，標志著中信重工滿足水電、火電、核電、加氫反應、冶金、船舶等大型裝備關鍵鍛件需求的能力持續增強，充分彰顯了中國企業在大型鍛件和重型裝備制造領域日益提升的強大實力。
特大型海工裝備鍛件，僅僅是中信重工發力高端鍛件市場、強力打造關鍵基礎件產業板塊的其中一個著力點。
展開 球缺過渡段的鍛軋成形技術研究
結束語
在國家提倡環保型、節約型和創新型社會背景下，通過大型非標準球缺過渡段產品制造工藝的推陳出新，應用“大型環形鍛件徑軸向軋制成形技術”成果，采用13500噸壓機開坯，利用模具在16米軋環機上整體異形軋制、近凈成形的工藝方案，成功的完成了大型非標準球缺過渡段成形的技術創新，既降低了材料消耗，又減少了產品的軸向焊縫，提高了容器產品的結構強度，為今后類似球缺過渡段制造提供了參考和借鑒，能滿足國家先進制造領域對大型球缺過渡段鍛件的需求，提升我國大型鍛造極限制造產業整體競爭力，推動我國大型環鍛件極限制造的加工水平，具有明顯的經濟效益和社會效益，屬于綠色環保近凈成形制造。
趙興明
技術研發中心，工程師，在鍛造行業工作二十余年，參與完成600MW快堆支承環工程件；3500kJ替打環、雙曲面球冠過渡段及化工容器過渡段的異形軋制等。現主要從事異形鍛件及新項目的研發及應用。
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變截面橢圓門框無縫熱加工工藝的研究及應用
式中，OD為輾環內徑尺寸，OD3為沖孔直徑，H為輾環高度，λ為調整系數。
⑵制坯鍛件重量。
式中，W為輾環鍛件重量，v1為燒損率，取v0=0.98。
⑶制坯外徑尺寸ID3。
式中，W3為制坯鍛件重量。
⑷調整系數λ。
選取調整系數λ值。
式中，B為輾環壁厚，H為輾環高度。
擴孔尺寸
外徑OD2= L/π，內徑短軸長度L2短=OD2-2B，內孔長軸長度L2長通過SoildWorks草圖繪制，使擴孔重量W2=W/v1，v1為燒損率，取v1=0.98。
計算W2=2395/0.98=2444kg。
按重量W2調整尺寸260mm，使擴孔鍛件重量等于W2，如圖4所示為鍛件擴孔圖。
圖4 鍛件擴孔圖
鍛壓成形
將擴孔后的鍛件放置在液壓機的上下砧板之間，下壓高度H3至鍛件圖短軸長度L1。按圖2尺寸，H3=L1=1230mm。圖5為鍛壓成形圖。
圖5 鍛壓成形圖
利用SolidWorks進行變形過程分析
建模完成后首先添加上下砧板圖形（圖5）。然后插入SolidWorks Simulation插件，對門框變形過程進行有限元分析。而SolidWorks Simulation插件與ABAQUS相比，其模擬分析結果接近，能夠作為結果進行分析。
添加新算例
⑴添加應用材料結構鋼S355NL。
⑵添加夾具類型為固定幾何體。
⑶添加外部載荷類型力，其值大小根據液壓機參數值給定。
⑷進行網格化處理圖，如圖6所示。
圖6 網格化處理圖
運行
運行計算后查看結果，其中應力分布圖，如圖7所示；位移趨勢圖，如圖8所示。
圖7 應力分布圖
圖8 位移趨勢圖
結果分析
結果顯示鍛壓后的成形趨勢與鍛件尺寸一致。
展開 我國成功研制世界最大無焊縫整體不銹鋼環形鍛件
中國科學院金屬研究所3月12日發布消息稱，當日，利用該所研發的金屬構筑成形技術，世界上最大的無焊縫整體不銹鋼環形鍛件順利軋制成功。
該環件直徑達15.6米，重達150噸，首次實現了百噸級金屬坯分級構筑成形，這也是目前世界上直徑最大、重量最大的整鍛式不銹鋼環形件。
中科院金屬所在中核集團的委托和支持下，組建產學研團隊，應用太鋼高純凈連鑄板坯，在山東伊萊特重工研制成直徑15.6米的環形鍛件，其特點是整體無焊縫，均質化程度高，組織均勻性好。該巨型環件將應用于我國第四代核電機組，其成功研制將有力地保障我國核工業領域重大裝備的實施。
作為我國第四代核電機組核心部件的支承環，不但是壓力容器邊界、安全屏障，而且結構上承受7000噸重量，是整個堆容器的“脊梁”。以往此類巨型鍛件國外均采用多段小坯組焊方式制造，不僅加工周期長、成本高，而且焊縫位置的材料組織性能薄弱，給核電機組運行埋下安全隱患。
中科院金屬所科研人員歷經十多年的艱苦努力，研發了原創的金屬構筑成形技術并揭示了構筑界面的愈合機制和組織演化機理，突破了大鍛件“以大制大”思路的局限，開發出表面活化、真空封裝、多向鍛造、分級構筑、整體軋環等系列關鍵技術，徹底消除了多層金屬間的界面，使支承環鍛件構筑界面位置與基體金屬在成分、組織、性能上完全一致，實現了“以小制大”的新型加工制造，大幅提升品質的同時降低了制造成本。
該技術被多位院士專家評價為大構件制造領域的一項變革性創新，已在水電、風電、核電等領域應用，對于推動我國高端裝備的快速發展，保障重大裝備核心材料的自主可控發揮了重要作用。
（來源：中新網）
展開 金屬所：研發出一項變革性創新技術！
而以往此類巨型鍛件采用多段小坯組焊制造，加工周期長成本高，焊縫位置組織性能差。原創的金屬構筑成形技術徹底消除了多層金屬間的界面，使支承環鍛件構筑界面位置與基體金屬在成分、組織、性能上完全一致。
齒環類鍛件自動化鍛造生產工藝開發
本文以武漢新威奇科技有限公司為客戶實際設計的鍛造自動化生產線為案例，針對中、小型環類鍛件的自動化鍛造工藝開發流程進行介紹，分析了中、小型環類鍛件精密模鍛的鍛造工藝，以及適用于自動化生產的設備選型及模具設計，并驗證了此種工藝的可行性，最終鍛造自動線獲得客戶認可。
鍛件工藝分析及工藝路徑的制定
齒環(中間軸)類鍛件屬于工程機械類鍛件，鍛件材質20CrMnTi，鍛件外圓直徑408mm，內孔直徑250mm，鍛件高50mm，鍛件重量24.2kg。鍛件示意圖如圖1 所示。鍛件復雜系數CV=0.47，CA=45.7，CA 值較大，模鍛時需轉移的金屬量較大，成形時所需要的力和能量都較大，成形具有一定難度。
圖1 齒環類鍛件
目前一些廠家的常規鍛造工藝路線為：下料→加熱→鐓粗→成形→沖孔，沖孔后的連皮質量約7.5kg，材料利用率僅75%。為適應節能減排需求，選用輾環制坯后鍛造工藝，詳細的工藝路線為：下料→加熱→鐓粗→擠孔→沖孔→輾環→鍛造成形，工步圖如圖2 所示，此方案連皮質量約2kg，材料利用率可達到90%，且大大減小了鍛造成形時鍛件的投影面積，從而減小鍛件的終鍛成形力。
圖2 常規鍛造工步圖
齒環類鍛件自動化鍛造工藝的設計流程
采用逆向設計的方式，根據客戶提供的機加工零件圖，來設計鍛件圖，從而設計出制坯圖，并且可根據設計的圖紙及要求來對設備進行選型，然后可根據設備的類型來設計出相應的模架和模具，采用逆向的設計方式來一步步的制定齒環類鍛件自動化的鍛造工藝過程，設計流程圖如圖3 所示。
圖3 設計流程圖
自動化鍛造工藝方案
此鍛件的鍛造線較長，鍛件較重，綜合考慮人員安全、生產節拍及產量的問題，因此采用自動化鍛造線來代替常規的人工操作鍛造線。
展開 Arconic開發出新型高溫航空用鈦合金
ARCONIC-THOR可生產薄厚板材、箔材、鋼坯、軋制環、鍛件和擠壓件。具有可成形性(冷，熱，超塑性)，可熱處理，可鍛造，可焊接。
中國鍛造行業“十四五”發展綱要（連載一)
表1 2016-2019 年鍛造行業總產量及分類產量(單位：萬噸)
注：本統計數據不包括普通標準件、手術器械、鋼球和刀具工具等非功能部件
設備大型化、自動化、數字化和信息化充分得到發展，如大型電動螺旋壓力機、大型熱模鍛壓機、大型模鍛液壓機、大型摩擦壓力機及大型輾(軋)環機、大型自由鍛液壓機數量不斷增加，生產線周邊配套裝備的自動化程度明顯上升。
由于國家的重點工程對大型及高端鍛件的需求，工程化得到充分實施，不但生產出國際一流產品，而且鍛煉了隊伍，尤其重點人才的培養得到提高。例如，民用核電大型鍛件、大飛機的起落架、承力框、燃氣輪機渦輪盤鍛件、快堆支撐環鍛件、核電鍛造泵殼的國產化等等，展示了“十三五”期間鍛造行業發展的實際水平。
“十三五”期間，特種成形設備和工藝與國外比還有差距，比如核電用、石化用超級奧氏體、超級雙相鋼薄壁大口徑管道成形不成熟；馬氏體時效鋼大型化鍛造成品率問題；大型鍛件近凈成形問題等，有待于鍛造行業繼續努力。
⑶產業鏈總體水平。
經歷了“十一五”、十二五”期間的快速發展與規模擴張，“十三五”鍛造行業產業鏈配套水平整體提升。在材料或鋼錠質量方面有較大進步，純凈度有所提高，夾雜物和有害元素的控制水平也有所提升；在設備能力及技術方面，已具備以華龍一號、CAP1400 第三代核電全套鍛件為代表的世界領先的極限制造能力，但在620℃及以上超超臨界鍛件、高溫合金、鈦合金等高端材料領域與國外相比還存在明顯差距。在汽車領域，鍛件用鋼質量相比“十二五”有所提高，但與下游企業的要求以及國外先進水平相比，仍有較大差距，而模具用鋼方面差距更加明顯。
設備技改方面，主要圍繞替代進口和提升產品質量穩定性為主的短板彌補，如氣保電渣爐以及環軋設備的應用，使得重型燃氣輪機12%Cr 不銹鋼輪盤鍛件、COST-E 超超臨界高中壓轉子鍛件實現國產化。
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