环形零件短流程铸辗复合成形技术研究进展

摘要

轴承套圈、法兰等环形零件作为关键连接、传动、回转和支承结构件,在航空航天、风力发电、高铁、船舶和高档数控机床等重大装备制造领域应用非常广泛.环形零件的生产是一种高能耗的热加工过程,传统生产工艺主要有两种:(1)厚板轧制—弯卷—焊接成形,该工艺下环件焊接部位应力集中明显,在高压、强腐蚀等恶劣服役条件下为弱性能区;(2)通过冶炼—浇铸—加热—锭坯开坯—下料—圆棒加热—锻造—冲孔—加热—环坯热辗扩来实现环件生产,该工艺流程冗长,开坯、锻造和冲孔工序设备资金投入巨大,多次加热导致能源消耗和材料浪费严重,不利于环境友好型生产.环件热辗扩过程中的传热-变形-组织演变耦合行为使得环坯经历了多场、多因素作用下多道次、连续局部加载与卸载、不均匀变形和微观组织复杂演变历程,对成形环件的外形尺寸、组织和力学性能均产生显著影响.随着环件应用向着大型、轻量、重载和长寿命方面逐步发展,对其高性能、精确成形与低成本制造提出了更高要求.近年来得到重点研究并取得长足发展的环形零件短流程铸辗复合成形技术以砂型铸造或离心铸造获得的环形铸坯加热后直接进行辗扩为基础,省去了开坯、锻造和冲孔,只需要一次加热,具有工艺流程短和节能节材等突出优点(节材30％以上、节能60％以上),是风电法兰、石油化工容器和高档数控机床主轴承等重大装备高效、高性能和绿色制造的必然要求.然而,在热辗扩过程中不仅要实现环形铸坯截面轮廓达到所要求环件外形尺寸,同时其组织与性能也要得到充分改善和提高,使得对热辗扩过程中组织演变和性能控制面临诸多技术挑战.研究者们深入分析了环形铸坯材料单道次和双道次热压缩变形行为、组织演变规律及其模型构建方法,建立了关于材料常数考虑应变补偿的本构关系模型,为此研究了热-力-组织演变多场耦合及其基于晶粒拓扑变形技术和介观-微观元胞自动机跨层次耦合条件下的热辗扩数值模拟技术,构建了考虑晶粒空间重叠的CA模型,基于工业性试验从织构视角研究了其在铸坯环件热辗扩成形中微观组织和性能控制规律,获得了环件不同区域的晶粒细化极限,可以实现环件短流程铸辗复合成形生产.本文综述了基于锻态环坯和铸态环坯的热辗扩成形技术研究进展,探讨了环形铸坯热辗扩过程中组织与性能协同调控的理论与方法,建立了环形铸坯凝固过程裂纹萌生判据与裂纹控制的工艺方法,提出了环形铸坯热辗扩成形技术的研究发展方向,阐述了双金属复合环形铸坯热辗扩成形技术的研究内容及重点,以期推动环件短流程制造全过程"形"/"性"一体化调控理论与技术发展.