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高性能环类零件绿色智能轧制的研究进展

《机械工程学报》高被引综述推荐

引用

兰箭, 钱东升, 邓加东, 华林. 高性能环类零件绿色智能轧制的研究进展[J]. 机械工程学报, 2022, 58(20): 186-197.

LAN Jian, QIAN Dongsheng, DENG Jiadong, HUA Lin. Development of Green and Intelligent Rolling for High Performance Ring Parts[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2022, 58(20): 186-197.

高性能环类零件广泛应用于众多重要工业领域，其制造技术体现了国家机械制造能力和水平。环件轧制是一种连续局部塑性成形技术，也是高性能环类零件先进成形制造技术。基于作者在高性能环类件轧制成形领域的研究基础，对我国高性能环件轧制成形理论和应用现状和工艺发展进行系统介绍：分析高性能环件轧制成形特点；阐述环件轧制成形理论，包括轧环条件、力能计算方法和轧制过程模拟进展；介绍我国高性能环件轧制成形技术在机械、航空、航天等工业领域的应用成果；例举当前我国环轧制成形工艺装备的最新进展；结合国家重点研发计划的研发情况，介绍高性能环类零件智能轧制和绿色轧制的建设现状。我国已经成为世界高性能环类零件重要制造基地，作为基础和关键重要部件的高效制造方法，高性能环类零件绿色智能轧制将为我国制造业双碳目标提供有效的解决方案。

前言

背景和重要性

高性能环类零件广泛应用于机械、汽车、火车、船舶、飞机、能源和国防等重要工业领域。它们的制造技术水平在一定程度上反映了一个国家制造业的技术水平和竞争力。
典型的环类零件包括各类轴承内外圈、航空发动机机匣和航天运载工具舱段等。
轴承应用广泛，规格尺寸从90 mm到10,000 mm不等，重量从150 g到20,000 kg不等，材料从普通轴承钢GCr15到高温轴承钢M50等。
我国是世界第一大轴承生产国，但高性能轴承的开发能力还比较薄弱。

现状和挑战

航空发动机是大客机（如C919和CR929）的动力源，是飞机性能、可靠性和成本的决定性因素。
航空发动机中，各级叶片通过机匣与轴系高精度装配在一起，机匣是发动机的主结构和承力部件。制造难度大，涉及多种材料和复杂的加工流程。

绿色智能制造的需求

国家高端产业发展规划和“双碳”目标要求提升我国高性能环类零件自主开发和创新能力，迫切需要研究开发环类零件的绿色智能先进轧制技术。
环类零件轧制成形是一种连续局部塑性成形技术，具有省力、节能、节材、效率高、成本低、产品性能好的特点。

技术原理和发展

环类零件轧制成形技术利用轧辊的旋转驱动和直线进给作用，使环件毛坯连续咬入轧制孔型，产生壁厚减薄、直径增大、截面轮廓成形的连续局部塑性变形，直接获得复杂截面轮廓形状的环件产品。
技术发展经历了从小尺寸环件到大尺寸环件，从普通黑色金属环件到铝、钛、高温合金环件的过程，环件轧制性能不断提升。

环件轧制理论研究进展

NO.1

环件轧制过程的基础理论

基础理论概述：

环件轧制是一种复杂的塑性成形过程，涉及材料流动、变形行为和应力应变分布等多方面的内容。
基础理论研究的重点是建立环件轧制过程中材料的力学行为和变形机理模型。

变形行为：

在轧制过程中，环件材料在径向、轴向和环向三个方向上发生复杂的塑性变形。
变形行为受轧制力、摩擦条件和材料特性的影响，需要通过实验和理论分析进行研究。

NO.2

应力应变分布及其影响因素

应力应变分析：
- 环件轧制过程中应力应变分布的研究，是理解和优化轧制过程的关键。
- 通过有限元分析和实验测试，可以获得轧制过程中不同位置的应力应变分布规律。
影响因素：
- 轧制力：轧制力的大小和分布直接影响环件的变形和最终形状。
- 摩擦条件：摩擦条件的变化会改变材料流动行为和应力应变分布。
- 材料特性：不同材料的力学性能和变形特性对轧制过程的影响显著。

NO.3

环件轧制过程中的缺陷及其控制

常见缺陷：
- 轧制过程中常见的缺陷包括裂纹、折叠、偏差等，这些缺陷会影响环件的性能和使用寿命。
- 研究缺陷形成机理和控制方法，是提高环件质量的关键。
控制方法：
- 优化轧制参数：通过调整轧制力、速度和温度等工艺参数，减少缺陷的产生。
- 改善摩擦条件：使用润滑剂和优化轧制工具表面，提高材料的流动性和均匀性。
- 材料改性：通过材料的预处理和改性，提高其变形能力和抗缺陷性能。

NO.4

新型轧制工艺与技术

新型工艺：
- 开发和应用新型轧制工艺，如多辊轧制、复合轧制等，以提高生产效率和产品质量。
- 结合先进制造技术，如智能控制和在线监测，实现轧制过程的智能化和自动化。
技术创新：
- 引入智能制造技术，通过大数据分析和人工智能，优化轧制工艺参数和过程控制。
- 开发新型材料和涂层技术，提高轧制工具的耐磨性和使用寿命。

高性能环件轧制典型应用

NO.1

航空航天领域

发动机机匣：
- 机匣是航空发动机的关键结构部件之一，要求高强度、耐高温、抗疲劳性能好。
- 采用轧制成形技术制造发动机机匣，可以有效提高材料利用率和成形质量。
火箭舱段：
- 火箭舱段是航天器的重要组成部分，具有大尺寸、薄壁、高精度的特点。
- 通过轧制技术，可以制造高精度、大尺寸的火箭舱段，满足航天器的使用要求。

NO.2

能源设备

风电设备：
- 风电设备中使用的大型轴承和齿轮环件，对材料强度和耐疲劳性能要求高。
- 采用轧制成形技术，可以生产出高质量的风电设备环件，提高其使用寿命和可靠性。
核电设备：
- 核电设备中的关键环件，如压力容器法兰和密封环，要求高强度、耐腐蚀。
- 通过轧制成形技术，可以生产出满足核电设备要求的高性能环件。

NO.3

汽车制造

车轮：
- 轧制成形技术在汽车车轮制造中得到广泛应用，车轮要求轻量化、高强度和高安全性。
- 采用轧制技术，可以有效控制车轮的厚度分布和力学性能，提高车辆的燃油经济性和安全性。
传动部件：
- 汽车传动系统中的齿轮和轴承环件，要求高精度和高耐久性。
- 通过轧制成形技术，可以制造出高精度的传动部件，提升汽车传动系统的性能和寿命。

NO.4

机械制造

大型机械设备：
- 大型机械设备中的关键环件，如回转支承和齿圈，要求高强度和高耐磨性。
- 采用轧制成形技术，可以生产出高质量的大型机械环件，提高设备的使用寿命和可靠性。
精密机械：
- 精密机械中的环件，如高精度轴承和精密齿轮，要求高精度和高表面质量。
- 通过轧制成形技术，可以制造出高精度的精密环件，满足精密机械的使用要求。

环件轧制新工艺研究进展

NO.1

短流程铸辗复合成形

问题与挑战：传统工艺的缺陷
- 长工艺流程及高能耗问题
- 冲孔制坯设备投入巨大
创新技术介绍：环形零件短流程铸辗复合成形
- 砂型铸造或离心铸造直接获得环形铸坯
- 仅需一次加热即可进行轧制成形
技术优势：显著的节能节材效果
- 工艺流程短
- 制造周期短
- 能源消耗和材料浪费显著减少

NO.2

异形截面环件径轴向约束轧制成形

挑战与目标：异形环件近净轧制成形难题
- 异形截面环件的制造困难
- 实现近净轧制的需求和挑战
创新方法介绍：轴向和周向约束轧制成形
- 在径向孔型处增加轴向轧辊约束金属轴向流动
- 多个导向辊约束环件外径长大速度，约束金属周向流动
技术应用与成效：实现异形截面环件近净轧制成形
- 协调环件外径长大速度与截面充填速度
- 实现外台阶等异形截面环件的轧制成形

NO.3

厚壁深槽环件复合轧制成形

传统锻造存在的问题：针对厚壁深槽环类零件
- 双边法兰、高压阀体、双联齿轮等具有厚径比大、表面深凹槽几何特征的环类零件
- 传统锻造工艺中的挑战：锻造力大、材料损耗多、生产效率低
创新方法介绍：环件复合轧制成形
- 提出环件复合轧制成形新方法，适用于深槽与直径的同步成形问题
- 结合环件轧制和表面横轧复合成形技术
- 实现厚壁深槽环件的节能、节材、高效和精确成形制造
技术原理与应用示例：三辊旋转轧制的具体实现
- 使用四个轧辊，其中三个固定，一个主轧辊主动旋转并进给
- 通过三辊旋转轧制实现连续局部塑性变形，直接获得完整的表面深槽
- 适用于加工中心带小孔或不带孔的深槽回转体零件

NO.4

非回转体环件轧制成形

现有技术的问题：大余量近矩形截面环件轧制与机加工
- 以多岛屿凸台薄壁高温合金机匣为代表的非回转体环件
- 我国目前采用大余量近矩形截面环件轧制成形技术
- 需要进行大量的机加工去除余量，材料利用率低，机加工周期长
提出的新方法：非回转体环件轧制成形
- 提出非回转体环件轧制成形新原理
- 在工件外加装套模，使工件在套模内先轧制成形，套模内径逐步形成各种形状凸台
- 在不增大工件外径的条件下，逐步成形各种形状凸台
技术应用示例：成形出的非回转体试件
- 展示通过新方法成形出的非回转体试件的实际效果
- 描述成形过程中的具体实施和成品展示

NO.5

驱动辊芯辊双驱动轧制成形

驱动辊芯辊双驱动轧制工艺原理
- 描述驱动辊芯辊双驱动轧制工艺的基本原理
- 在图 11 中展示了给芯辊施加负主动力矩（T2<0），使环件被咬入变形区域
- 形成有利于搓轧区剪切变形的外部边界条件，确保环件持续被咬入和长大
工艺效果对比分析：双驱动轧制的优势
- 对比随动和双驱动轧制试样沿径向的硬度分布
- 双驱动轧制试样硬度分布更均匀，硬度提高最多达到10%
- 反映出双驱动轧制不仅增大了应变量，还使应变分布更加均匀

环类零件智能轧制

NO.1

智能化轧制系统

系统组成：
- 智能化轧制系统由传感器网络、数据采集与处理系统、智能控制系统和人机交互界面等部分组成。
- 通过实时监测轧制过程中的温度、应力、变形等关键参数，实现轧制过程的智能化控制和优化。
功能与特点：
- 智能化轧制系统能够自动调整轧制工艺参数，确保产品质量的稳定性和一致性。
- 系统具有自学习和自适应能力，能够根据历史数据和实时信息进行动态调整。

NO.2

大数据与人工智能技术的应用

大数据技术：
- 通过大数据技术，对轧制过程中的各类数据进行采集、存储、分析和挖掘，找出影响产品质量的关键因素。
- 大数据分析能够帮助优化工艺参数、预测设备故障、提高生产效率和降低成本。
人工智能技术：
- 人工智能技术，如机器学习和深度学习，能够处理复杂的工艺数据，建立轧制过程的智能模型。
- 通过人工智能算法，系统可以实时预测和控制轧制过程中的各种变量，提升产品的精度和一致性。

NO.3

智能轧制工艺的优化

工艺优化方法：
- 基于数据驱动的工艺优化，通过分析历史生产数据，找出最佳工艺参数组合，提高产品质量和生产效率。
- 模拟仿真技术的应用，可以在虚拟环境中测试和优化轧制工艺，减少实际生产中的试错成本。
优化案例：
- 在高性能环类零件的生产中，通过智能轧制工艺的优化，显著提升了产品的综合性能和生产效率。

NO.4

智能轧制装备

装备特点：
- 智能轧制装备集成了先进的传感器、控制器和执行器，能够实现高精度、高效率的轧制加工。
- 装备具备自诊断和自维护功能，能够及时发现和处理设备故障，确保生产的连续性和稳定性。
应用实例：
- 智能轧制装备在航空航天、汽车制造和能源设备等领域得到了广泛应用，提升了环类零件的制造水平。

环类零件绿色轧制

NO.1

绿色轧制概述

定义与背景：
- 绿色轧制技术旨在减少制造过程中的能源消耗和环境污染，实现经济效益与生态效益的双赢。
- 该技术响应了国家“双碳”战略目标，推动制造业向低碳、环保、可持续方向发展。
基本原则：
- 在保障产品质量和性能的前提下，优化工艺流程，降低能源和资源的消耗。
- 推广使用环保材料和润滑剂，减少有害物质的排放。

NO.2

绿色材料与润滑技术

环保材料：
- 选择低碳、可回收的环保材料作为环类零件的制造材料，减少制造过程中的碳足迹。
- 通过材料改性和优化，提高材料的使用寿命和性能，减少材料浪费。
绿色润滑技术：
- 使用生物基润滑剂和水基润滑剂代替传统的石油基润滑剂，降低对环境的污染。
- 通过优化润滑剂的配方和使用方法，提高润滑效果，减少摩擦和磨损。

NO.3

能源管理与回收利用

能源效率提升：
- 采用高效能设备和智能控制系统，提高能源利用效率，减少能源消耗。
- 实施能量监测与管理系统，实时监控和优化能源使用情况。
废热回收利用：
- 通过余热回收系统，将轧制过程中的废热回收再利用，用于工艺加热或其他生产环节。
- 推广使用热电转换技术，将废热转化为电能，提高能源利用率。

NO.4

废弃物处理与资源循环

废弃物减量化：
- 优化生产工艺，减少废料和副产品的产生，提升材料利用率。
- 实施精益生产管理，降低生产过程中不必要的浪费。
资源循环利用：
- 推动废弃物的资源化处理，将生产过程中的废料和副产品进行回收再利用。
- 建立循环经济体系，实现资源的闭环管理，减少对原生资源的依赖。

结论

NO.1

研究总结

总体评价：
- 本文系统地总结了环类零件绿色智能轧制技术的研究进展，涵盖了理论研究、工艺开发、应用案例和未来展望。
- 绿色智能轧制技术在提升产品质量、提高生产效率、降低能源消耗和减少环境污染方面取得了显著成效。
关键技术：
- 多辊轧制、复合轧制、温热轧制、智能化轧制和绿色轧制等新工艺的研究和应用，为高性能环类零件的制造提供了可靠的技术保障。
- 大数据和人工智能技术的引入，使得轧制过程的智能化控制和优化成为可能，推动了智能制造的发展。

NO.2

应用前景

行业应用：
- 环类零件绿色智能轧制技术在航空航天、能源设备、汽车制造和机械制造等领域具有广泛的应用前景。
- 通过示范项目的推广和应用，绿色智能轧制技术的优势得到了充分验证和体现。
未来发展：
- 随着制造技术的不断进步，绿色智能轧制技术将进一步向高端化、智能化和绿色化方向发展。
- 未来的研究将更加注重工艺优化、设备升级、智能控制和环保材料的应用，推动制造业的可持续发展。

主创团队

INTRODUCE

兰箭

武汉理工大学

兰箭，武汉理工大学教授，博导，科技部国家科技专家库专家，国家自然科学基金同行评议专家，主要从事铝合金、高温合金等特种材料的结构-材料-性能一体化精密成形制造工作，成果已用于各类运载工具关键结构和部件的批量生产。主持或参加了国家自然科学基金面上和重点、国防基础科研计划、科技部973、863和国家重点研发计划项目等40多项科研项目。在国内外杂志发表论文50余篇。

INTRODUCE

钱东升

武汉理工大学

钱东升，武汉理工大学教授、博导，兼任中国机械工程学会塑性工程分会理事及特种轧制学委会副主任、湖北省机械工程学会塑性工程分会和热处理分会副理事长、《轴承》期刊编委。主要从事环类构件高性能成形制造研究，主持国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金及企业委托技术研发项目10余项。出版专著2部，发表论文90余篇、SCI收录论文60余篇，授权国际和国家发明专利40余项、计算机软件著作权4项，获得国家科技进步二等奖1项、省部级科技奖励6项。

INTRODUCE

邓加东

武汉理工大学

邓加东，武汉理工大学副教授，硕导，国家自然科学基金通讯评审专家、中国汽车工程学会会员，研究方向:汽车与运载装备关键构件精密成形技术；特种制造与智能制造技术；新能源电池材料制备技术。主持了国家自然科学基金青年基金项目1项、国家重点研发计划项目子任务2项，作为主要研发人员参与其他国家级、省部级及企业项目10余项。

INTRODUCE

华林

武汉理工大学

华林，武汉理工大学教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。西安交通大学机械工程专业博士研究生毕业，获工学博士学位。现任现代汽车零部件技术湖北省重点实验室主任。兼任中国汽车工程学会常务理事，中国机械工程学会塑性工程分会副理事长、材料成形与模具技术国家重点实验室学术委员、《中国机械工程》和《塑性工程学报》编委。长期从事机械与汽车工程教学科研工作，主持筹备建设了车身工程本科专业方向，主持了车辆工程卓越工程师专业建设。入选人事部新世纪百千万人才工程，并获得了国务院政府特殊津贴。主持和承担了国家973计划、863计划、科技支撑计划、国家自然科学基金、111学科创新引智计划等研究课题。获得了国家科技进步二等奖、教育部高校青年教师奖、GM中国科技成就二等奖等。

作者：兰箭

责任编辑：杜蔚杰

责任校对：张强

审核：张强

JME学院简介

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