《钢质大型长轴件精密辊锻技术》为“材料先进成型与加工技术丛书”之一。精密辊锻技术是一种净形/近净形成形技术，可以成形出全部或部分达到产品*终形状和尺寸的锻件，在汽车前轴、铁路货车钩尾框等钢质大型长轴件生产中得到了广泛应用，取得了良好的效果。《钢质大型长轴件精密辊锻技术》分7章介绍了钢质大型长轴件精密辊锻技术。第1章绪论，第2章汽车前轴辊锻过程中的金属流动与数值模拟，第3章汽车前轴精密辊锻试验研究、工业应用与持续优化，第4章重卡前轴近精密辊锻技术研发与应用，第5章铁路货车钩尾框精密辊锻技术研发与应用，第6章大型长轴件精密辊锻用1250mm辊锻机的研发与应用，第7章核电汽轮机用超大叶片精密辊锻技术的初步研究。

第1章绪论
　　1.1概述
　　连续局部塑性成形是金属压力加工领域中一类重要的加工技术，在轧制领域的应用已相当成熟，如板材、型材和管材等轧制技术，其成形特点之一是生产不同形状等横截面的产品，如各种圆钢、方钢、扁钢、工字钢等，此类加工技术一般归类到冶金工业领域。
　　能够生产变截面产品的连续局部成形技术是在20世纪50年代才逐渐发展起来的，如辊锻、楔横轧、旋压和摆辗等，这些技术一般归类到机械制造领域。
　　辊锻是用一对安装在辊锻机上的相向旋转的扇形模具使坯料在模具型槽中产生塑性变形，从而获得所需锻件或锻坯的锻造工艺[1-3]。在工业应用中，辊锻既可作为模锻前的制坯工序为长轴类锻件提供锻造用毛坯（一般称为制坯辊锻或普通辊锻），也可在辊锻机上实现主要的锻件成形过程或直接辊制出锻件（一般称为成形辊锻或精密辊锻）。
　　1.2辊锻的基本原理
　　1.2.1辊锻工艺及其优点
　　辊锻是将轧制变形引入锻造生产中的一种成形工艺[4]，图1-1是其工艺过程示意图。可以看出，在辊锻变形过程中，坯料在高度方向经辊锻模压缩后，除一小部分金属横向流动外，大部分金属沿坯料的长度方向流动。因此，辊锻变形的实质是坯料在压力下产生的延伸变形，适用于减小坯料截面的锻造过程，如轴类件的拔长，板坯的碾片以及沿轴类件轴线分配金属体积[5，6]。
　　由于辊锻的变形特点，辊锻工艺无法完成在模锻锤上滚挤工序所具有的聚料的功能，这一点在设计辊锻工艺时应该充分考虑。
　　辊锻工艺的优点如下[7]：
　　1）提高锻件质量和降低废品率
　　在辊锻机上辊锻制坯，因有辊锻模的限制，故辊锻件形状较为准确，由于机器操作的节拍稳定，完成辊锻制坯的时间也相对固定，因此到达模锻设备的坯料温度和尺寸一致性好，这样不仅可以获得形状、尺寸和表面质量较好的毛坯，避免由制坯形状问题造成的锻件折叠、充不满等缺陷，而且辊锻件的内部质量也好，辊锻过程中的连续局部变形使得金属纤维的走向和锻件形状一致，金相组织均匀、致密、机械性能高，有利于得到机械性能良好的锻件。
　　2）提高生产效率
　　辊锻机制坯效率明显高于空气锤或模锻锤上制坯，可以彻底解决锤类设备制坯效率低的问题，可以提高生产节拍和生产效率。例如，采用460mm自动辊锻机制坯的效率可达8s/件，一般使用自动辊锻机的连杆生产线年生产能力可达100万件。
　　3）节约原材料
　　由于辊锻制坯精度高、尺寸稳定，可以在模锻工步采用小飞边锻造，减小下料重量，锻件材料利用率和空气锤制坯相比有较大提高，一般可节材10%以上。
　　4）节约能源
　　有如下三个原因：①材料利用率提高，下料重量变小，所需加热能量减少；②辊锻机组主电机功率远小于同能力空气锤电机功率；③由于效率高，实际每件工件的占用制坯设备时间即用电时间减少，设备空转时间减少，电力浪费少。
　　5）提高锻造模具寿命
　　辊锻制坯的坯料精化、锻造飞边小，因而对模具的磨损小，有利于锻造模具寿命的提高，一般来说锻造模具寿命可提高20%。
　　6）减少操作人员
　　从加热到自动辊锻到传送到主锻压力机理论上可以做到无人操作，一般安排一名工人巡视上料，可减少操作人员一到两名。
　　7）减小模锻主机打击力
　　精化毛坯减小了模锻主机的打击力，对延长模锻主机的使用寿命有利。
　　8）改善劳动条件
　　辊锻是连续局部静压成形，冲击、震动、噪声小。辊锻机易于实现自动化操作，可大大减轻工人劳动强度。
　　1.2.2辊锻变形区主要参数
　　辊锻变形过程中，坯料在连续局部成形的每一瞬间，与模具接触的那部分金属产生塑性变形，坯料上与模具接触部分的前后局部区域内也有少量塑性变形产生。辊锻过程中坯料处于变形阶段的区域称为塑性变形区。
　　图1-2为平辊上轧制矩形坯料的情况，从坯料入模到坯料出模的垂直平面围成的区AA1B1B称为轧制变形区或几何变形区。
　　常用绝对变形、相对变形和变形系数来表示辊锻时的变形程度：
　　（1）绝对压下量Δh、展宽量Δb和延伸量Δl分别表示如下：
　　（1-1）
　　（2）相对压下量Δh/H、相对展宽量Δb/B和相对延伸量Δl/L，通常用百分数表示：
　　（1-2）
　　（1-3）
　　（1-4）
　　（3）压下系数η、展宽系数β和延伸系数λ分别表示如下：
　　（1-5）
　　（1-6）
　　（1-7）
　　1.2.3金属在变形区内的流动规律
　　轧制变形的分布有两种不同的理论，一种是均匀变形理论，另一种是不均匀变形理论。不均匀变形理论比较客观地反映了轧制时金属的变形规律。不均匀变形理论认为，沿轧件断面高度方向的变形、应力和金属流动都是不均匀的，如图1-3所示。其主要内容为[8]：
　　（1）沿轧件断面高度方向的变形、应力和流动速度分布都是不均匀的。
　　（2）在几何变形区内，在轧件与轧辊接触表面上，不仅有相对滑动，还有黏着，即轧件和轧辊间无相对滑动。
　　（3）变形不仅发生在几何变形区内，也产生在几何变形区外，其变形分布都是不均匀的。这样就将轧制变形区分成了变形过渡区、前滑区、后滑区和黏着区。
　　（4）在黏着区内有一个临界面，在这个面上金属的流动速度分布均匀，并且等于该处轧辊的水平速度。
　　图1-4为根据试验研究对轧制变形区变形情况的描述，其变形区分布和自由锻中金属简单镦粗相似。
　　1.2.4辊锻过程中的前滑
　　在辊锻过程中辊锻坯料在高度方向上受到压缩的金属，一部分纵向流动，使辊锻件形成延伸，另一部分金属横向流动，使辊锻件形成展宽。辊锻件的延伸是被压下金属向锻辊前后两个方向流动的结果。在辊锻过程中，辊锻件辊出辊锻模的速度大于辊锻模的线速度的现象称为前滑，而辊锻件毛坯进入辊锻模的速度小于辊锻模的线速度的现象称为后滑。简单变形下的前滑率可由以下公式计算：
　　（1-8）
　　式中，V1—金属辊出辊锻模的速度；
　　Vx—锻辊的水平线速度。
　　前滑可由简化的芬克前滑公式计算：
　　（1-9）
　　式中，d、R—辊锻工作直径和半径；
　　h—出口高度或辊锻件高度；
　　—临界角或中性角。
　　影响前滑的主要因素为锻辊工作直径、辊锻件高度、相对压下量、坯料宽度和摩擦系数等，由简化的芬克前滑计算公式计算可以看出，前滑随着锻辊工作直径和临界角的增大而增大，随着出口高度的增加而减小。
　　1.3辊锻技术的国内外研究与应用
　　1.3.1国外辊锻工艺的研究与应用
　　国外20世纪50年代开始热模锻压力机得到迅速发展，由于热模锻压力机上不适合原来模锻锤上容易实现的拔长、滚挤等制坯工步，因此在热模锻压力机上模锻轴类锻件时，必须配有制坯辅助设备，这促进了辊锻工艺和辊锻机的研究、开发、应用和推广。
　　美国雪佛兰（CHEVROLET）汽车公司1955年安装的模锻设备中，14台16000～60000kN热模锻压力机就配有10台规格不同的辊锻机。
　　德国某汽车厂的前轴锻造工艺，原用3台空气锤制坯供应坯料还很紧张，锻件质量低、金属消耗大、飞边损失达20%，后来采用1台自动辊锻机制坯就满足了生产要求，且锻件质量好，材料利用率提高。
　　苏联某汽轮机叶片厂对200余种叶片采用了辊锻制坯工艺，使材料消耗降低16%，1年即可节约合金钢585t。
　　自动辊锻机和热模锻压力机及步进式机械手组合成的先进锻造生产线在世界各地被广泛采用。在制坯辊锻的孔型设计方面美国国民机械公司、德国EUMUCO公司等都总结出了自己的设计方法[9]。图1-5是德国某公司的自动辊锻机的结构图，该型号辊锻机在世界上取得了广泛的应用。
　　在辊锻CAD技术的研究上，德国汉诺威大学的Deoge于1991年开发出Semgment软件至今仍在被应用，后来又有辊锻模具三维CAD专用软件开发成功并获得良好的应用效果[10]。图1-6是用自动辊锻机生产连杆的实际工步图。
　　1.3.2国内辊锻工艺的研究与应用
　　我国从20世纪60年代开始研究辊锻技术，原吉林工业大学辊锻工艺研究所（现吉林大学辊锻工艺研究所）的专家学者做了大量的工作，取得了很有价值的研究和

目录
总序
前言
第1章 绪论 1
1.1 概述 1
1.2 辊锻的基本原理 1
1.2.1 辊锻工艺及其优点 1
1.2.2 辊锻变形区主要参数 3
1.2.3 金属在变形区内的流动规律 4
1.2.4 辊锻过程中的前滑 5
1.3 辊锻技术的国内外研究与应用 6
1.3.1 国外辊锻工艺的研究与应用 6
1.3.2 国内辊锻工艺的研究与应用 6
1.4 辊锻机的种类及特点 8
1.4.1 辊锻机的工作原理 8
1.4.2 辊锻机的分类 9
1.4.3 辊锻装备技术的引进吸收与国产化 10
1.4.4 辊锻装备技术的研究手段 13
1.5 辊锻力能参数的确定 14
1.5.1 辊锻力与辊锻力矩 14
1.5.2 辊锻力的计算方法 14
1.5.3 辊锻力矩的计算方法 17
1.6 辊锻模相关行业标准 17
1.6.1 回转成形模在用标准情况 17
1.6.2 《锻模 辊锻模 结构型式和尺寸》 17
1.6.3 《辊锻模 技术条件》 22
1.7 辊锻工艺应用实例：CR350A连杆制坯辊锻模设计 25
参考文献 29
第2章 汽车前轴辊锻过程中的金属流动与数值模拟 32
2.1 引言 32
2.2 国内外汽车前轴锻件生产技术状况 33
2.2.1 汽车前轴锻件的工艺特点 33
2.2.2 国外前轴锻件生产技术的发展 34
2.2.3 国内前轴锻件的几种典型生产工艺 36
2.3 具有纵向突变截面形状钢质大型长轴件的精密辊锻成形特点 38
2.3.1 长轴类精密辊锻件的形状特点和辊锻变形过程 38
2.3.2 纵向突变截面辊锻的基本方程 40
2.3.3 纵向突变截面锻件辊锻变形分析 41
2.3.4 前轴精密辊锻模锻工艺理论依据 43
2.4 精密辊锻过程中前壁和后壁成形与不均匀变形分析 45
2.4.1 纵向突变截面锻件前壁成形的种类 45
2.4.2 长轴类件精密辊锻的前壁部位 46
2.4.3 前轴精密辊锻成形过程前壁成形分析 46
2.4.4 纵向突变截面锻件后壁成形的种类 48
2.4.5 前轴精密辊锻件的后壁部位 48
2.4.6 前轴精密辊锻成形过程后壁成形分析 49
2.4.7 不均匀变形下辊锻件各部分之间的金属转移 51
2.4.8 不均匀变形对精密辊锻过程的稳定性的影响 53
2.5 汽车前轴精密辊锻孔型选择与工艺设计分析 54
2.5.1 前轴精密辊锻的关键技术与难点 54
2.5.2 前轴精密辊锻件的设计方法和过程 56
2.5.3 精密辊锻孔型系统的选择和延伸率的确定 58
2.5.4 典型锻件的特点与技术要求 61
2.5.5 热收缩率的选择和热锻件图的确定 61
2.5.6 毛坯直径与各道次延伸率的选择 63
2.5.7 精密辊锻件图设计 63
2.5.8 第3、2、1道辊锻件图设计 64
2.6 前轴辊锻模具与锻件啮合运动的几何分析与型槽确定 65
2.6.1 模具型槽*面与锻件轮廓的共轭关系 65
2.6.2 共轭*线方程的建立 66
2.6.3 锻件轮廓*线为直线时的型槽轮廓*线 67
2.6.4 锻件轮廓*线为圆时的型槽轮廓*线 68
2.6.5 锻件轮廓*线为参数方程给出的任意*线时型槽轮廓的确定 69
2.6.6 锻件轮廓*线由三次样条拟合时的型槽轮廓 69
2.6.7 精密辊锻模具型槽的确定 70
2.7 前轴精密辊锻成形过程模拟条件 73
2.7.1 辊锻成形过程模拟技术的特点 73
2.7.2 精密辊锻模具的几何模型 75
2.8 精密辊锻变形过程模拟结果及讨论 77
2.8.1 辊锻变形过程金属流动规律分析 77
2.8.2 精密辊锻中的飞边形成与特点 80
2.8.3 精密辊锻过程中各道次力矩 82
2.8.4 第1道典型截面的应力、应变的分析 82
2.8.5 第2道增加约束前后的应力、应变的比较研究 86
2.8.6 第2道弹簧座部位不均匀变形引起的纵向弯* 88
2.9 各道次辊锻力的分析和轴向分力的评估 90
2.9.1 辊锻力的模拟结果与分析 90
2.9.2 前轴精密辊锻的轴向力分析 92
参考文献 94
第3章 汽车前轴精密辊锻技术试验研究、工业应用与持续优化 96
3.1 引言 96
3.2 前轴辊锻成形试验条件和试验过程 97
3.2.1 试验用主要设备 97
3.2.2 加强型辊锻机的结构原理与技术特点 98
3.2.3 加强型1000mm自动辊锻机主要技术参数 99
3.2.4 辊锻机部分的主要配置 100
3.2.5 辊锻机械手的结构特点 102
3.2.6 辊锻机电气和液压部分的特点 104
3.2.7 试验用辊锻模具 104
3.2.8 试验过程 105
3.3 物理模拟试验与工艺试验过程中出现的问题与对策 106
3.3.1 物理模拟试验的目的 106
3.3.2 铅的物理性质及铅料的制作方法 107
3.3.3 用铅件代替热钢件进行模具调试的特点 108
3.3.4 前轴弹簧座部位的精密辊锻试验与调试 110
3.3.5 前轴工字梁部位的精密辊锻问题与对策 112
3.3.6 前轴精密辊锻过程的稳定性问题 113
3.3.7 前轴精密辊锻件长度控制 115
3.4 前轴精密辊锻试验件的尺寸和性能 115
3.4.1 尺寸检测 115
3.4.2 疲劳寿命试验结果 117
3.5 前轴精密辊锻技术的工业应用及效果 118
3.5.1 工艺流程的确定与设备选型 118
3.5.2 生产线的使用效果 120
3.5.3 经济效益分析 121
3.6 减少辊锻道次的技术可行性与工程实践 123
3.6.1 技术可行性 123
3.6.2 前轴3道次精密辊锻的工艺和模具设计 125
3.6.3 153前轴3道次精密辊锻过程中的问题与解决方法 128
3.7 在专用液压机上实现切边校正工艺复合化的实践 130
3.7.1 切边校正复合模结构与功能 130
3.7.2 切边热校正复合工艺专用设备 132
3.8 16 MN摩擦压力机前轴切边校正复合模架设计与应用 134
3.8.1 切边校正复合模架设计方案 134
3.8.2 切边校正复合模具介绍 135
3.8.3 切边校正工艺过程介绍 136
3.8.4 模具安装 136
3.8.5 主要技术特点及功能 137
3.8.6 现场应用情况介绍 137
参考文献 138
第4章 重卡前轴近精密辊锻技术研发与应用 139
4.1 引言 139
4.2 近精密辊锻技术的工艺方法与模具设计 140
4.2.1 近精密辊锻的工艺的提出 140
4.2.2 近精密辊锻的工艺特点与思路 141
4.2.3 近精密辊锻工艺设计方法 142
4.2.4 辊锻件图及特征孔型的设计 144
4.2.5 第1道辊锻件图及2道次辊锻模的设计 145
4.3 前轴2道次近精密辊锻工艺的模拟 147
4.3.1 前轴2道次近精密辊锻三维造型 147
4.3.2 第1道数值模拟结果与分析 147
4.3.3 第2道数值模拟结果与分析 147
4.4 重卡前轴近精密辊锻工艺试验 151
4.4.1 近精密辊锻工艺的试验条件及过程 151
4.4.2 出现的问题及解决方法 152
4.4.3 弯*终锻中出现的问题及解决措施 155
4.5 近精密辊锻技术经济性分析 156
4.5.1 三种工艺方案的对比分析 156
4.5.2 近精密辊锻的节材效果 157
4.5.3 加热能耗与锻件质量对比分析 159
4.5.4 锤击次数、生产效率、机组人数和锻模寿命的对比 160
4.5.5 近精密辊锻工艺与精密辊锻工艺的对比 162
4.6 近精密辊锻工艺在大吨位螺旋压力机上的应用 163
4.6.1 工艺的流程、特点 163
4.6.2 工艺应用概况 163
4.7 热模锻压力机上采用近精密辊锻工艺生产前轴 165
4.7.1 工艺流程和生产线设备 165
4.7.2 加热设备和辊锻机 166
4.7.3 热模锻、切边、校正压力机 166
4.7.4 现场试验 166
4.8 快换模架及辅助装置设计与应用 167
4.8.1 快换模架及辅助装置基本结构 167
4.8.2 快换模具设计 168
4.8.3 快换模架设计 169
4.8.4 换模平台 169
4.8.5 自动夹紧机构 170
4.8.6 生产应用 171
参考文献 171
第5章 铁路货车钩尾框精密辊锻技术研发与应用 173
5.1 引言 173
5.2 研究开发背景 174
5.2.1 钩尾框材料工艺的发展 174
5.2.2 锻造钩尾框通用工艺技术方案 176
5.2.3 初期锻造钩尾框的生产工艺流程 177
5.3 钩尾框精密辊锻技术方案的确定 178
5.3.1 钩尾框锻件的特点 178
5.3.2 精密辊锻模锻复合成形技术方案的提出 178
5.3.3 基本原理和工艺难点 180
5.4 精密辊锻模具和模锻模具设计 181
5.4.1 各工序的温度变化和线膨胀系数 181
5.4.2 辊锻模具设计 182
5.4.3 模锻模具设计 188
5.5 17型钩尾框精密辊锻过程数值模拟与结果分析 189
5.5.1 第1道辊锻 189
5.5.2 第2道辊锻 190
5.5.3 第3道辊锻 193
5.5.4 第4道辊锻 196
5.6 钩尾框模锻过程数值模拟 202
5.6.1 预锻模拟结果 202
5.6.2 终锻模拟结果 202
5.6.3 弯*模拟结果 204
5.7 工艺试验与工艺调试 205
5.7.1 试验准备 205
5.7.2 试验过程 206
5.7.3 试验结果与分析 207
5.7.4 第4道辊锻件弯*分析与解决办法 211
5.8 生产应用情况 212
5.8.1 生产设备组成 212
5.8.2 工艺过程的合理性 213
5.8.3 工艺使用情况 215
5.8.4 产品质量 216
5.8.5 经济效益分析 218
5.9 带镦头工序的16型钩尾框精密辊锻试验研究 218
5.9.1 工艺方案的确定 218
5.9.2 工艺试制过程 220
5.9.3 试验结果与分析 223
参考文献 225
第6章 大型长轴件精密辊锻用1250mm辊锻机的研发与应用 227
6.1 引言 227
6.2 1250mm辊锻机主要结构与技术参数 227
6.3 1250mm辊锻机机架静力有限元分析 229
6.3.1 有限元方法用于设备力学分析技术现状 229
6.3.2 1250mm辊锻机机架强度、刚度分析计算条件 230
6.3.3 1250mm辊锻机