环件锻件和毛坯的优化设计

轧环用毛坯对轧环成形的影响是决定性的，不合理的轧制用毛坯是无法轧制成形合格的环件锻件的。轧环用毛坯决定了体积的初始分配、轧制变形程度和金属流动状况，其设计依据是环件锻件图和环件轧制成形流动规律，当然还要考虑到制坯和环件毛坯放入轧制孔型的方便。轧环用毛坯设计的影响因素多，影响规律复杂，设计难度大。生产实践中，所设计的轧制用环件毛坯通常要经过轧制成形调试修改确定。

（一）环件锻件图设计

环件锻件图既是轧制用环件毛坯的设计依据，又是轧环工艺、轧制孔型设计依据，同时还是轧制环件产品检验依据。环件锻件图是在环件零件图基础上，考虑加工余量、轧制公差、轧制余块等绘制而成的。

1.环件锻件的余量和公差

轧制成形的环件锻件通常需要进行后续机加工。环件锻件表面为了几何精度而预留的机械加工金属层，称为机械加工余量。环件零件的公称尺寸加上机械加工余量，称为环件锻件的公称尺寸。实际轧环生产中，由于轧制温度、压力、速度的波动，轧制模具（孔型）和轧制设备状态的变化以及工人操作水平的不同，特别是轧制用毛坯重量的误差，轧制的环件锻件实际尺寸不可能等于其公称尺寸，应允许两者之间有一定的误差，这个误差称为轧制公差。环件锻件不论是需要机械加工的部分还是不需要机械加工的黑皮部分，都应注明轧制公差。环件锻件的轧制公差，一般为余量的1/3～1/2。为了简化环件锻件形状，便于轧制成形，在环件零件的某些部位添加一部分大于余量的金属，这部分添加的金属称为轧制余块。余块可通过后续机加工予以切掉。环件锻件的余量和公差的确定参见表6-4-1。对于某些复杂环件锻件和大型环件锻件，其余量和公差数值可根据环件零件的使用要求，与用户协商确定。

2.环件锻件的技术条件

轧制成形的环件锻件不仅会产生几何尺寸误差，而且会产生几何形状误差、表面缺陷和内部缺陷。几何尺寸误差按环件锻件的尺寸公差予以规定，几何形状误差、表面缺陷和内部缺陷则按环件锻件的技术条件予以规定，所以环件锻件的技术条件同样是其质量评价和产品验收的重要依据。环件锻件的技术条件可根据环件零件的使用要求，与用户协商确定。

（二）环件毛坯设计

1.环件毛坯设计原理

环件毛坯设计的依据是环件锻件图和轧环金属流动规律。其设计原理为：基于环件轧制中的体积不变条件和轴向金属体积流动量，确定环件毛坯的形状尺寸以及轧制变形程度。合理的环件毛坯有多个，它们的形状尺寸不同、轧制变形程度不同、初始体积分配不同，但都遵从体积不变条件和轧制变形金属流动规律，都能轧制成形为同一个环件锻件。

2.径向轧环环件毛坯设计方法

径向轧环工艺中，通常采用矩形截面环件毛坯或非矩形截面环件毛坯轧制成形复杂截面环件锻件。在复杂截面环件径向轧制中，通常采用封闭孔型，轧制中环件轴向尺寸基本不变。基于径向环件轧制特点和环件毛坯设计原理，矩形截面环件和台阶截面环件毛坯设计方法如下

（1）矩形截面环件毛坯设计方法和步骤B₀、d₀、D₀分别为矩形截面环件毛坯的轴向尺寸、内孔直径和外圆直径，B、d、D分别为环件锻件的轴向尺寸、内孔直径和外圆直径，K为当量轧制比，则矩形截面环件毛坯按式（6-4-36）设计

矩形截面环件当量轧制比K=1.2～4。当环件锻件外径大时，K取大值；而环件锻件外径小时，K取小值。在轴承环轧制时，若采用内、外座圈合锻的塔形工艺制造环件毛坯，则由于受内圈尺寸限制，外圈环件毛坯的孔径不能太小，这种情况下K值可适当减小。

表6-4-1 轧制环件锻件余量和公差 （单位：mm）

注：当采用校正工序时，余量和公差值可适当减小。

图6-4-15 内台阶环件锻件和毛坯（括号内为毛坯尺寸）

（2）内台阶环件毛坯设计方法和步骤 内台阶环件毛坯和锻件的尺寸标注如图6-4-15所示。在给定环件锻件尺寸和轧制比的条件下，按如下方法和步骤设计内台阶环件毛坯。

1）根据锻件轴向尺寸确定毛坯轴向尺寸

B_b0=Bb，B_s0=B_s （6-4-37）

2）根据当量轧制比K和锻件大孔直径确定毛坯大孔直径

3）按锻件内孔台阶尺寸初选毛坯小孔直径

d_s01=d_b0-（d_b^-ds） （6-4-39）

4）按体积不变条件初选毛坯外径D₀₁

5）确定毛坯小孔直径

式中 ψ——修正系数，其值为ψ=1～2；

ΔH_b2——内台阶环件大孔部分在轧制中的内表面

进给量，其值按式（6-4-42）计算

式中 R₁——驱动辊工作面半径；

R₂——环件大孔部分对应的芯辊工作面半径；

R_m——内台阶环件锻件和毛坯外半径平均值，R_m=D₀₁+D/4；

r_m——内台阶环件锻件和毛坯大孔半径平均值，且r_m=（d_b0+d_b）/4。

6）确定毛坯外径。用d_s0代替d_s01，D₀代替D₀₁代入式（6-4-40）计算，即可确定内台阶环件毛坯的外径D₀。

（3）外台阶环件毛坯设计方法和步骤 外台阶环件锻件和毛坯尺寸标注如图6-4-16所示，其毛坯设计方法和步骤为

图6-4-16 外台阶环件锻件和毛坯（括号内为毛坯尺寸）

1）根据锻件轴向尺寸确定毛坯轴向尺寸

B_b0=Bb，B_s0=B_s （6-4-43）

式中 B_b——外台阶环件锻件大环部分的轴向尺寸；

B_b0——外台阶环毛坯大环部分的轴向尺寸；

B_s——外台阶环件锻件小环部分的轴向尺寸；

B_s0——外台阶环件毛坯小环部分的轴向尺寸。

2）按当量轧制比K确定毛坯内孔直径

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3）按体积不变条件初选毛坯大环和小环的外径

式中 D_b01——毛坯大环的初选直径；

D_s01——毛坯小环的初选直径。

4）毛坯径向尺寸修正：

为了保持轧制稳定性和合理分配毛坯大环和小环的体积，应对外台阶环件毛坯的径向尺寸进行修正。基于轧制稳定性的要求，在轧制开始时应使驱动辊孔型与毛坯大环的外表面和小环的部分外表面接触，即使D_b0-D_s0=D_b-D_s。基于外台阶环件轧制中存在大环向小环的轴向金属流动的变形规律要求，则在尺寸修正时应使大环部分增加体积，使小环部分减小体积。具体修正方法如图6-4-17所示，从小环部分的内孔表面减去体积V₁，使之加到大环和小环的外表面处。为了使轧制中外台阶环件内、外表面所受轧制力的合力作用线尽可能重合，以减小它们构成的倾翻扭矩，使体积V₁和V₂的截面呈三角形，体积V₃的截面呈矩形。由图6-4-17几何条件和轧制变形规律得

图6-4-17 外台阶环件毛坯尺寸修正

t₁=ψΔH_d （6-4-46）

式中 ψ——比例系数，其值为ψ=1～2；

ΔH_d——芯辊在轧制中总进给量，其值按式（6-4-47）计算

式中 R₁——与大环部分对应的驱动辊工作表面半径；

R₂——与大环部分对应的芯辊工作表面半径；

R_m——外台阶环件锻件和毛坯大环部分的外半径平均值，R_m=（D_b+D_b01）/4；

r_m——外台阶环件锻件和毛坯大环部分的内半径平均值，r_m=（d+d₀）/4。

于是得修正后的外台阶环件毛坯径向尺寸为

3.径—轴向轧环环件毛坯设计方法

径—轴向轧环工艺中，通常采用简单的矩形截面环件毛坯轧制成形简单的矩形截面环件锻件。基于径—轴向轧环特点和环件毛坯设计原理，矩形截面环件毛坯设计方法如下：

b₀、r₀、R₀分别为矩形截面环件毛坯的轴向高度、内孔半径和外圆半径，b、r、R分别为环件锻件的轴向高度、内孔半径和外圆半径，λ为轧制比，η为径向壁厚减小量和轴向高度减小量的比值（亦即径向和轴向进给量比值），则矩形截面环件毛坯按式（6-4-51）和式（6-4-52）设计。

λ取值与环件锻件外径有关，环件锻件外径大时，λ取大值；而环件锻件外径小时，λ取小值。直径5m以内的大型环锻件，轧制比可取2～5；直径5m以上的超大型环锻件，轧制比可取5～8。对于径向和轴向进给量比值，需要合理设计以保证环件径向和轴向轧制变形匹配，否则环件会产生凹陷、折叠等轧制缺陷。为抑制轧制过程中环件产生凹陷和折叠，径向和轴向进给量比值通常满足η=b/h。

4.典型环件毛坯设计举例

（1）径向轧环矩形截面环件毛坯设计 某轴承套圈环件锻件如图6-4-18所示，尺寸单位为毫米。该环件锻件为近矩形截面环件，其轧制用环件毛坯按矩形截面环件毛坯设计。选取当量轧比K=2，根据式（6-4-36）计算得

图6-4-18 近矩形截面环件锻件

（2）径向轧环内台阶环件毛坯设计 如图6-4-15所示，内台阶环件锻件尺寸为D=190mm，d_b=140mm，d_s=114mm，B_b=16mm，B_s=11.5mm。驱动辊工作面半径R₁=152mm，芯辊与大孔部分对应的工作面半径R₂=36mm。按照内台阶环件毛坯的设计方法得该环件锻件的轧制用毛坯尺寸为

1）环件毛坯的轴向尺寸

B_b=B_b0=16mm，B_s=B_s0=11.5mm

2）环件毛坯的大孔直径

3）初选毛坯小孔直径

d_s01=d_b0-（d_b-d_s）=77.8mm-（140-114）mm=51.8mm

4）初选毛坯外径

5）修正确定毛坯小孔直径

d_s0=d_s01+2ψΔH_b2=51.8mm+2×1×4.6mm=61.0mm（这里取修正系数ψ=1）

6）确定毛坯外径

（3）径—轴向轧环矩形截面环件毛坯设计

某外径超过9m的超大型矩形截面环件锻件如图6-4-19所示。该环件锻件为矩形截面环件，其轧制用环件毛坯按矩形截面环件毛坯设计。选取轧制比λ=8，径向和轴向进给量比值η=2.2，根据式（6-4-51）和式（6-4-52）计算得

图6-4-19 超大型矩形截面环件锻件