辊锻
出处：按学科分类—工业技术 北京工业大学出版社《热加工手册》第602页（6724字）
8．2．1．1 辊锻的实质、特点及分类
1．实质
辊锻是通过装有扇形模块的一对轧辊的旋转运动，借助型槽产生塑性变形，从而获得所需形状尺寸的锻件的轧制—锻造复合工艺．其工作过程示意如图8-13所示．辊锻与一般模锻不同，一般模锻的工作行程是直线运动，而辊锻是旋转运动；与轧制也有差别，轧制的轧辊整个圆周都是工作部分，而辊锻只是扇形模这部分工作．
图8-13 辊锻工作过程
辊锻的实质是毛坯的连续拔长变形过程，毛坯在高度方向压缩后，除一小部分金属横向流动而使毛坯宽度略有增加外，大部分金属沿毛坯长度方向流动，横截面积减校长度增加，因此辊锻适用于长轴类、板片类锻件的生产，而对复杂形状锻件如带阻尼凸台的叶片，辊锻难于生产．
2．特点
辊锻工艺是轧制、模锻两种工艺的结合，集中了这两种工艺的优点．辊锻和一般锻造工艺相比具有如下特点：
(1)生产率高．在锤上拔长时，往往需打击多次，而在辊锻上由于锻辊是连续运动的，因此只需辊压几次．
(2)锻件质量高．具有良好的金属流线，产品精度高，表面粗糙度值校可实现无余量生产，节约金属材料．
(3)模具寿命长．由于辊锻变形是连续静压过程，没有冲击与震动，金属与模具表面之间的相对滑动较少，模具磨损校因而模具寿命长，甚至可以不用模具钢，而采用球墨铸铁或冷硬铸铁制造模具，节约模具钢．
(4)设备吨位校金属是逐渐连续变形的，变形区校因此所需设备吨位也小．
(5)工艺过程简单，劳动条件好．生产过程易于实现机械化、自动化，设备结构简单，对厂房地基条件要求低．
3．分类
辊锻按型槽的作用分为制坯辊锻和成形辊锻；按型槽的数量分为单型槽辊锻和多型槽辊锻；按型槽的形式分为开式和闭式；按变形温度分为热辊锻和冷辊锻．
辊锻的分类、变形特点及应用详见表8-16．
表8-16 辊锻的分类和应用
8．2．1．2 辊锻的咬入条件及前滑
1．咬入条件
辊锻和轧制一样，实现变形过程的首要条件是能否把毛坯曳入两旋转的轧辊之间，而毛坯的这一曳入过程称为“咬入”．能够实现毛坯曳入的条件即为咬入条件．
毛坯在与旋转轧辊接触时，轧辊对毛坯的作用力如图8-14所示，取其中一个轧辊分析，另一轧辊的作用力情况与之相同．
图8-14 锻辊对毛坯的作用力图解
轧辊对金属的作用力分别为总压力P和摩擦力T．将P、T沿水平方向及垂直方向进行分解，得Px、Pz和Tx、Tz．其中Pz、Tz对毛坯起压缩作用，使之产生塑性变形；而Px阻止毛坯进入轧辊；Tx则力图将毛坯曳入辊中．由此只有当Tx>Px时，毛坯端面才能自由咬入．由图得：
Pr=Psinα
Tx=Tcosα
则毛坯咬入条件为：
Tcosα>Psinα
又
式中 f——摩擦系数；
β——摩擦角．
故咬入条件可写成：
tanβ≥tanα
即 β≥α
由此可见，只有当咬入角小于或等于摩擦角时，毛坯才能自然咬入．接触摩擦是实现辊锻过程的基本条件，摩擦系数越大越有利于咬入．
钢材纵轧时的摩擦系数f与αmax的数值见表8-17．由于辊锻是在型槽中进行的，且多采用中间咬入的形式，因此辊锻的咬入条件大为改善，一般中间咬入角与端部自然咬入角之间的关系为：
表8-17 钢材纵轧时的f与αmax
α中=(1．3～1．5)α端 (8-8)
式中 α中——中间咬入时的咬入角；
α端——端部自然咬入时的咬入角．
2．前滑
在辊锻变形区中，金属质点相对于轧辊分别向出口端和入口端滑动，二者之间存在一个分界面，称为中性面，该中性面将变形区分成两部分——前滑区、后滑区，如图8-15所示．在前滑区内模具的切线速度小于毛坯的速度，金属向前滑移，称为前滑．在后滑区内模具的切线速度大于毛坯的速度，金属向后滑移，称为后滑．在实际生产中因为后滑区的毛坯还未最后成形，因此只考虑前滑．金属的前滑使得辊锻后的锻件长度大于模具上相应的型槽长度值．因此，在设计模具时一定要考虑前滑的影响．前滑与辊径、轧件厚度、摩擦系数、轧制温度、轧辊转速、展宽等因素有关，一般用百分数S表示，其经验数据为：
制坯辊锻时，S=4%～6%；
叶片成形辊锻时，预成形道次S=2%～3%，终成形道次S=3%～5%．
8．2．1．3 辊锻力与力矩的计算
1．辊锻力的计算
辊锻时，上下轧辊作用于毛坯上的压力如图8-16所示．在实际计算中常用经验公式或实验数值计算．经验公式为：
P=pA (8-9)
式中 P——总压力，N；
p——平均单位面积压力，MPa；
A——辊锻模在接触弧面上的水平投影面积，mm2．
辊锻模在接触弧面上的水平投影面积A可按下式计算：
图8-15 辊锻变形区金属流动速度分布图
图8-16 变形区中单位压力分布
A=bl
式中 l——变形区长度，mm，
；
R——辊锻模工作半径，mm；
△h——压下量，mm；
b——变形区平均宽度，mm，
b0、b1分别为辊锻前、后毛坯的宽度．
成形辊锻碳钢锻件30钢的平均单位压力见表8-18．当锻件材料为合金时，平均单位压力在参考表8-18的基础上进行修正．制坯辊锻的平均单位压力见表8-19．
表8-18 成形辊锻30钢的平均单位面积压力p均
表8-19 制坯辊锻的平均单位面积压力p均
注：材料：50钢；辊锻模直径为500mm；h0、h1分别为辊锻前、后的毛坯高度，单位为mm
2．辊锻力矩的计算
总压力与辊锻力臂之乘积即为辊锻力矩．其计算公式为(见图8-17)：
M=2Pa (8-10)
式中 P——总压力；
a——力臂，总压力作用点至中心连线的距离．
力臂a可表示为：
a=φl
式中 l——变形区长度，
，R为辊锻模的工作半径，△h为压下量；
φ——合力作用点系数，当辊锻件带毛边时φ=0．25～0．30；当辊锻件不带毛边时φ=0．40～0．45．
图8-17 辊锻力矩
8．2．1．4 制坯辊锻
1．制定辊锻毛坯图
辊锻毛坯图的制定与普通模锻大体相同．根据锻件图，采用“截面图”法得到计算毛坯图，然后绘出锻件的截面，在此基础上设计出锻件毛坯图．
2．原始毛坯的尺寸确定
原始毛坯的截面尺寸应按锻件的最大截面选龋当最大截面区段受到辊锻变形时，原始毛坯的截面积计算公式为：
Fp=kFmax (8-11)
式中 Fp——锻前原始毛坯的截面积；
Fmax——锻件的最大截面积；
k——截面增大系数．
原始毛坯的长度按体积不变原则计算，即：
式中 lp——原始毛坯长度；
Vp——原始毛坯体积，Vp=F″平均l(1+δ)；
F″平均——计算毛坯平均截面积；
l——锻件长度；
δ——与烧损率等有关的系数，一般取δ=1%～5%；
Fp——原始毛坯的截面积．
3．辊锻道次n的计算
辊锻道次n可用下式计算：
式中 λ总——总的延伸系数，
，其中F0为坯料横截面积，Fmin为辊锻件的最小横截面积；
λ平——各道的平均延伸系数，一般取1．3～1．7，对于圆(或方)—椭圆—圆孔型系λ平=1．3～1．5，对于圆(或方)—椭圆—方孔型系λ平=1．5～1．7．
4．型槽系的选择
型槽系的选择参见图8-18及表8-20．辊锻道次如多于两道，可按图示方案重复延续．
表8-20 型槽系选择
5．确定各型槽截面尺寸
按相应矩形法，逐道次计算相应矩形的变形，求出各道次辊锻后的相应矩形尺寸，最后换算为各型槽截面尺寸．
8．2．1．5 辊锻设备、辊锻模结构及模具材料
1．设备
辊锻一般在辊锻机上进行，辊锻机按结构分为悬臂式、双支承式和复合式等三种．
图8-18 型槽系选择
悬臂式辊锻机结构刚性不足，辊锻型槽数一般不大于3，扇形模包角γ≤270°，主要用于制坯辊锻．
双支承式辊锻机刚性好，可用来制坯，成形辊锻，扇形模包角γ<180°．
复合式辊锻机在机架内外两部分轧辊轴上均可安装辊锻模．
2．辊锻模的结构
辊锻时为了便于型槽磨损后修复，辊锻型槽不直接加工在轧辊上，而是做成扇形辊锻模具安装在轧辊上．
辊锻模的固定有以下两种形式：
(1)压块固定．扇形模具用压块固定，用于型槽道数少、角度小于180°的辊锻模，如双支承辊锻机上的模具，如图8-19所示
(2)键固定．扇形模具用键固定，如图8-20所示，用于型槽数多、角度大于180°的辊锻模，如悬臂式辊锻机上的模具．
图8-19 扇形模具用压块固定
图8-20 整体模具用键固定
型槽布置应避开螺钉孔，两型槽间的最小间距大于15～20mm．
3．模具材料
辊锻是连续的静压变形，模具磨损校冲击、震动校因此辊锻模的材料可比锤上模锻模具材料差一些．一般45钢就能满足要求，热处理硬度型槽表面HRC45～50，其余部位HRC34～38，此外还可用球墨铸铁作为模具材料．变形抗力较大时，如辊锻耐热合金等，为了提高模具寿命，可使用5CrMnMo或3Cr2W8．