辊锻
-
零件轧制成形
——
辊锻
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科学；金属材料
—
塑性变形
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零件轧制成形是指用轧制方法成形机器零件的工艺与技术。
<
/p>
零件轧制与传统的冶金轧制都
属轧制范畴，但轧制的产品不同。冶
金轧制主要生产等截面的产品，例如用量很大的板材、
型材与管材；零件轧制主要生产变
截面的产品，例如汽车半轴、轴承钢球，即机器零件与
金属制品等。所以，零件轧制是冶
金轧制的发展、延伸与深度加工，故又称为特种轧制。
零件轧
制与传统的锻造都属零件塑性成形范畴，但成形方式不同。锻造为整体，断续成形；
零件
轧制为局部、连续成形。
零件轧制在国际上又称为回转成形，
因为工件是在回转中成
形零件的。回转可以是工件，也可以是工具，还可以是工具加工件
。由于工件在回转中成
形，所以成形是局部、连续的。
零件轧制与锻造成形零件比较有如下优点：
1
）工作载荷
小。由于是局部成形，工作载荷只有模锻的几十分之一，结果是设备
重量与投资都大幅度
下降，而模具寿命近
10
< br>倍增加。
2
）生产效率高。由于是连续成形，生产效率
一般提高
几倍到
10
多倍。
3
）产品质量好。成形产品尺寸精度高，具有显著的节材效果；成形零<
/p>
件的金属纤维流线好，产品性能好。
4
）工作环境好。没有锻造的冲击、噪声，进出料容
易实现自动化。
零件轧制与锻造比较的缺点是：通用性差，设备与模具是专用的，并且多
数模具的设计、制造及工艺调整都比较复杂，所以零件轧制适合生产批量大的零件，例如< p>
汽车、拖拉机、摩托车、自行车等上的零件。
不
同的回转成形工艺，其生产的产品形状各
异，但综合起来产品类型比较齐全。下面将各种
回转成形工艺的产品类型加以说明。
辊锻：
< br>生产轴向变截面件，可以是长杆类，也可以是板片类零件。典型产品有犁铧、锄头、钢叉、
十字镐及叶片等；为模锻制坯的有汽车曲轴和前轴，五金工具等。
横轧：生产圆柱直齿轮、
斜齿轮、锥齿轮、链轮及各种螺纹件等零件。
楔横轧：生产各种台阶轴零件。典型产品有
汽车及拖拉机变速箱中的各种轴、油泵齿轮轴、发动机凸轮轴等，为模锻制坯的发动机连
杆、五金工具等。
斜轧：生产各种回转体零件。典型产品有
轴承钢球及滚子、球磨钢球、
自行车钢球及丝杠等，为模锻制坯的球头吊环、柴油机摇臂
等。
辗环：生产各种环类零件。
典型
产品有火车车轮及轮箍、轴承内外环、喷气发动机上的环形件等。
摆辗：生产各种盘
类零件。典型产品有汽车拖拉机上的齿轮坯、铣刀片、盘形弹簧片
、扬声器导磁体、汽车
半轴等。
旋压
：生产各种筒形零件。典型产品有灯罩、压力锅体、气瓶、导弹壳体及封头
等。
径向锻造：生产各种实心与空心台阶轴零件。典型产品有缝纫机针、汽
车转向直接杆、
车床主轴等。
零件轧
制成形
——
辊锻
——
< br>概述
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辊锻变形原理如图
5.1-1
所示。坯料被辊锻模咬入后，高度方向受到压缩，少部分金属
宽
展，大部分金属沿长度方向流动。故辊锻工艺适用于减小坯料截面的锻造过程，如杆件
的
拔长、板坯的辗片以及沿杆件轴向分配金属体积的变形过程。辊锻工艺的分类与应用见
表
5.1-1
。
辊锻工艺特点：
1
）生产效率高。一
个辊锻周期通常只需十几秒甚至几秒，适合
大批量生产要求。
2
）省力。由于辊锻是连续局部成形过程，模具与坯料接触面积小，因
< br>此所需的变形力较小，与整体模锻相比，可减小设备吨位
70%
< br>～
90%
。
< br>3
）劳动环境好。
由于辊锻是静压变形过程，冲击、振动
、噪声小，符合环境保护要求。
辊锻变形原理
4
）易于与其他模锻设备组成机械化、自动化的生产线。
5
）受变形特点的限制，对于复
杂锻件，可能产生局部充填不良、尺寸精度较低的现象。<
/p>
辊锻工艺的分类与应用
零件轧制成形
——
辊锻
——
辊锻变形的基
本原理
——
辊锻变形区及
其几何参数
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毛坯上与辊锻模接触部分产
生明显塑性变形的区域称为变形区（图
5.1-2
）。变形区中
主
要几何参数有：绝对变形量、相对变形量、变形系数等，用这些参数表示辊锻时的变形
程
度。绝对变形量为：绝对压下量
Δh
、绝对宽展量
Δb
、绝对延伸量
Δl<
/p>
。它们分别表示如下：
式中，
h
0
、
b
0
、
l
< br>0
为变形前毛坯的高度、宽度和长度；
h
1
、
b
1
、
l
1
为变形后锻件的高度、
宽度和长度。
绝对变形量与毛坯相应原始
尺寸的比值称为相对变形量，通常用百分数表示
如下
辊锻变形区
变形后锻件尺寸与毛坯相应原始尺寸的比值称为变形系数，分别表示如下：
咬入角：变形区所对应的锻辊圆心角
α
称为咬入角。
咬入弧：毛坯与锻辊
接触的弧
称为咬入弧。
咬入弧的弦长
：咬入弧所对应的弦长
A
1
B
1
称为咬入弧的弦长。
变形区长度：
咬入弧的水平投影
l
称
为变形区长度。根据图
5.1-2
中的几何关系可得：
式中，
R
为锻辊半径；
Δh
为绝对压下量。
当咬入角
α<20°
时，
很小，可忽略不计，则
咬入角
α
可用下式表示
与
RΔh
相比，其值
< br>
式中，
D
为锻辊直径。
当咬入角不大时，可近似地认为咬入弧与变形区长度相等，于是
α
（弧度）可由下式近似确定：
零件轧制成形
——
< br>辊锻
——
辊锻变形的基
本原理<
/p>
——
咬入条件
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辊锻时，辊锻模咬入毛坯有
两种形式：毛坯端部自然咬人和毛坯中部强制咬入。
（
1
）端
部自然咬入
1
）实现开始咬入的条件。图
5.1-3a
所示为自然咬入时的开始咬入阶段。当
毛坯靠紧模具时，受到模具径向力
P
和摩擦力
T
的作用。实
现咬入的条件是：摩擦力在水
平方向上的分力应大于径向力的分力，即：
Tcosα>Psinα
因为
T=μP
及
μ=tanβ
所以，
实现开始咬入的条件变为：
α<β
，即咬入
角必须小于摩擦角。
以上式中，
α<
/p>
为咬入角；
β
为咬入时的摩擦角，又称为
极限咬入角；
μ
为咬入时毛坯与模具间的摩擦因数。
毛坯咬入受力分析
2
）实现稳定咬入的条件。毛坯被模具咬入后，合力的作用点向
两锻辊中心连线方向移动，
如图
5.1-3b
< br>所示。由于此时
δ<α
，所以只要能满足端部自然咬入条
件，就能实现稳定咬
入。
当采用中间
咬入或强制送进时，有可能增大咬入角，但要受到辊锻过程打滑条件的限
制，即极限咬入
角
α
max
≤2β
。通常取
α
max
=
（
1.3
～
1.5
）
β
表
5.1-2<
/p>
给出了生产实践中
得到的各种不同情况下的极限咬入角。
（
2
）中间咬入
极限咬入角
辊锻模具通常为型腔截面变化的扇形模具，常由模具突出部位从毛坯中间咬入，如图
5.1-
4
所示。
中间咬入形式
由于中间咬入相当于机械式钳入，并不受摩擦条件的影响，其咬入角可以很大，可达
3
2°
～
37°
，咬入条件大为改善。但咬入后要继续进行辊锻，仍须受到摩擦条件的限制，以
防打滑
现象发生。
零件轧制成形
——
辊锻
——
辊锻变形的基
本原理
——
辊锻时金属的延伸
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毛坯在辊锻模的压缩作用下
，少量金属宽展，大部分金属沿长度方向流动，即延伸。
延伸
变形大小通常用延伸系数表示，即：
式中，
l
0
、
l
1
为变形前后毛坯的长度；
F
0
、
F
1
为变形前后毛坯的横截面积。
< br>当锻件进行多
道次辊锻时，每次变形后的横截面积与相应的延伸系数存在如下关系
：
F
0
=F
1
λ
1
F
1
=F
2
λ
2<
/p>
由上式可得
式中，
λ
z
为总延伸系数；
λ
p
< br>为各道次平均延伸系数；
n
为辊锻道次。
延伸变形的影响因素：
1
）压下量。这是影响延伸变形的最重要因素，随着压下量增大，延伸系数明显增大（图
5
.1-5
）。
延伸系数与相对压下量及型槽表面粗糙度的关系
2
）锻辊直径。通常以
之值的变化来表征锻辊直径对
延伸系数的影响。随着
q
值增加，延伸系数减小（图
5.1-6
）。这是因为，当压下量相同时，随着锻辊直径增加，
将使变形区长度增加，使金属的纵向流动阻力增大，因而延伸变形减小。
q
值对延伸系数的影响
3
）模具及毛坯截面形状。模具及毛坯截面形状不同，其接触状态及摩擦情况
也不同，从
而影响延伸变形。如图
5.1-7
< br>所示，平型槽辊锻方形毛坯和圆形毛坯时，方形毛坯与型槽
接触面间摩擦阻力可阻
碍宽展，因而比辊锻圆形毛坯延伸变形更大。模具型槽形状的影响
同理。
毛坯形状对延伸的影响
4
）接触摩擦条件。实践表明，减小接触摩擦因数，可增大延伸
变形。因此，降低型槽表
面粗糙度数值及辊锻时使用润滑剂，将有利于延伸变形（图
5.1-5
）。
5
）变形温度。随
着变形温度升高，材料塑性变好，延伸系数将增大。
< br>
零件轧制成形
——
辊锻
——
辊锻变形的基
本原理
——
辊锻时金属的纵向流动及前滑
与后滑
< br>
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（
1
）前滑与后滑
辊锻时变形区内金属
流动方向如图
5.1-8
所示。在纵向有一个分流面，
其流动速度与锻辊线速度的水平分速度相等，此面称为中性面。它与两辊中心联线的夹角
γ
称为中性角。在中性面的前面区域称为前滑区，在该区内，金属流动速
度大于锻辊线速
度的水平分速度，即金属相对于锻辊向前流动
—
—
前滑。在中性面的后面区域称为后滑区，
在该区内，金属流动
速度小于锻辊线速度的水平分速度，即金属相对于锻辊向后流动
——
后滑。由于前滑，造成锻件长度大于模具相对应的弧长，所以应予以关注，必须进行计算。
< br>
辊锻变形区内金属流动方向
前滑值
S
通常用下式表示：
式中，
υ
j
为锻件在出口处的速度；
υ
m
为锻模圆周线速度；
L
j
为锻件长度；
L
m
为
模具相对
应的弧长。
（
2
）前滑值的计算
前滑值
与辊锻过程中的多种因素有关。目前尚无能包括所
有因素的准确计算公式。因此，用公式
计算出的前滑值，往往需经试验进行修正。下面介
绍简单变形时的前滑值计算公式（芬克
公式）：
由于
γ
2
/2
数值很小，可忽略不计，
则芬克公式可简化为：
式中，
R
为锻辊半径；
h
1
为毛坯出口端的高度；
γ
为中性角。
可按下式计算：
式中，
α
为咬入角；
β
为摩擦角
。
对于成形辊锻，由于模具型槽纵向及横向截面通常是变
化的，金属流动要受到模壁的约束，因此，准确计算其前滑值较困难，可根据经验选取，
然后在调整试验中加以修正。表
5.1-3
为一些辊锻件的实测前滑值。
辊锻件实测前滑值
（
3
）影响前滑的因素
1<
/p>
）相对压下量。相对压下量越大，延伸量也越大，其前后滑的金
属
也越多。因此，随着相对压下量的增加，金属的前滑值是增加的。图
5.1-9
表示在辊径
为
400mm
、温度
1000
℃时，前滑与相对压下量的关系。
前滑与相对压下量的关系
2
）锻辊直径。由芬克公式可见，随着锻辊直径增加，前滑值是增加的。但
D<400mm
时，前滑值增加较快，
D>400mm
以后，前滑值增加则较慢了，如图
5.1-10
所示。
前滑与辊径的关系
3
）毛坯宽度。当毛坯宽度较小时，增加宽度使宽展减小，延伸增加，故前滑增大。但当
< br>毛坯宽度增加到宽度和长度方向上的金属体积比值不再有变化时，前滑不再受它的影响。
< br>
4
）摩擦因数。由芬克公式可见，随着摩擦因数增大，
中性角增大，前滑值也增大。凡是
使摩擦因数增大的因素，如锻辊和毛坯的表面状态、润
滑、变形温度和速度等，均可使前
滑增加。
5
）模具及毛坯截面形状。凡是有利于延伸的模具及毛坯截面形状，均可使前滑
增
加。如方形毛坯采用椭圆型槽辊锻，比采用长方形型槽辊锻，更有利于延伸，所以前滑
更
大。
零件轧制成形
——
辊锻
——
辊锻变形的基
本原
理
——
辊锻过程中的宽展
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（
1
）宽展的形式
辊锻过程中，根据模
具对变形金属横向流动约束作用的不同，宽展可分
为自由宽展、限制宽展和强迫宽展三种
形式，如图
5.1-11
所示。
各种宽展形式
1
）自由宽展。金属横向流动只受摩擦阻力的影响，没有模具型槽的限制。在平辊上
轧制
或在宽度较大的扁平型槽内辊锻时均为自由宽展。
2
）限制宽展。毛坯在凹形型槽内辊锻
时，型槽侧壁限制金属横向自由
流动，故称限制宽展。型槽形式不同，对宽展的限制作用
程度也不同，在闭式型槽内，宽
展很小。
3
）强迫宽展。毛坯在凸形型槽内辊锻时，金属
在凸形部分作用下，剧烈向横向流动，称为强迫宽展。显然强迫宽展量大于自由宽展量。
在辊锻变形中，限制宽展、强迫宽展或二者并存是主要的宽展形式
。
（
2
）影
响宽展的因
素
影响宽展的因素可分为
几何的和物理的两大类。几何因素主要有：压下量、锻辊直径、
变形区长度及变形区入口
和出口的高度、宽度等。物理因素主要有：摩擦因数、辊锻温度、
材料化学成分、锻辊线
速度和应变速率等。现就主要因素对宽展的影响分述如下：
1
）压
下量。压下量越大，金属向纵向及横向流动得越多，因而宽展也越大。这是最主要的
影响
因素，所以常常用宽展指数
来表征宽展的大小。
2
）锻辊直径。锻辊直径增大，变形
区长度增加
，纵向延伸的阻力随之增加，因而有利于金属横向流动，即宽展增大。
3
）毛
坯宽度。随着毛坯宽度增大，横向摩擦阻力也增大，因而宽展减小。当宽
厚比足够大时，
如宽板轧制，宽度几乎不再增加，此时可视为平面变形。
4
）摩擦因数。随着摩擦因数增
加，延伸减小，宽展
增大。因此，凡是影响摩擦的因素如模具材料及表面粗糙度、辊锻温
度、辊锻速度、润滑
状况等，都对宽展产生影响。
5
）辊锻道次。同一毛坯，辊锻
道次越
多，宽展越小。这是因为辊锻道次较多时，每次压下量较小，变形区的宽长比
B/l
较大，
有利于延伸，宽展就小。
（
3
）宽展的计
算
由于影响宽展的因素很多，目前尚无包含所有
影响因素的精确计算公式。通常先按简单变形条件，即在平辊上辊锻矩形毛坯来计算宽展
量。对于复杂型槽辊锻的宽展，可根据不同情况加以修正。
1
）简单变形条件下宽展的计
算。计算公式很多，各种公式由于考虑的因素和应
用情况不同，其计算结果和精确程度也
不尽相同。现选几种较实用的计算公式阐述如下。
①用量纲分析法确定的宽展计算公式
式中，
C
为
由毛坯原始宽度
b
0
和变形区长度
的比值决定的系数：
< br>☆（
ε
）为由相对压下量
ε
决定的函数：
☆（
ε
）
=0.138ε
2
-
0.328ε А.И.Целиков
公式
基本上正确地反映了各种因素对宽展的影响，可在实际计算中应用。
③
S.
Ekelund
公式。
变形后的宽度
b
1<
/p>
可按下式计算：
该公式较精确地反映了各种因素对宽展的影响，实用的压下量范围较大，计算结果比较精
确。
④
В.П.Вaхтино
в
公式
该
公式是根据金属位移体积与其所消耗功成正比的关系从理论上推导出的，在
时，计算结果
较正确。
⑤
公式
式中，
c
为
考虑到变形温度的影响系数，其值为
c=0.35
～
0.45
。
该公式是
E. Sibe
在研
究接触表面摩擦力的基础上，确定宽展量与相对压下量及变形区长度成正比的关系式。由
于没有考虑毛坯宽度的影响，因此当毛坯宽度小于或等于其厚度时不能采用。
⑥
С.И.Губ
киH
公式
该公式是以
实验为基础而得出的，考虑了影响宽展的主要因素，可在实际中应用。
⑦
Z.
Wusatowski
公式
式中，
β
为宽展
系数，
β=b
1
/b
0
；
η
为压下系数，
< br>η=h
1
/h
0
；
δ
为毛坯原始宽度与高度之比，
δ=b
0
/h
0
< br>；
ε
d
为毛坯原始高度与锻模公
称直径之比，
ε
d
=h
0
/D
。
< br>当采用大压下量辊锻时（
Δh/h
0
=0.
5
～
0.9
），其宽展系数
β
按下式计算：
（
5.1-20
）
该式是在大量
实验基础上得出的。公式作者认为影响
宽展的重要因素是毛坯的断面尺寸和锻模公称直径。
2
）复杂变形条件下宽展的计算
①修
正计算法。通常辊锻型槽均为非矩形的，形状较复杂，
可先简化为面积及轴长比相等的矩
形计算其宽展指数，然后乘上一个修正系数，即
式中，
为在型槽内辊锻的宽展指数；
为在平辊上辊
锻矩形毛坯的宽展指数；
K
b
为修正系
数，它取决于型槽的形式、型槽的轴长比以及金属在型槽宽度方向的充满程度。
常用型槽
宽展修正系数的经验公式见表
5.1-4
。当型槽充程度
1>δ>0.7
及轴长比
α
< br>0
、
α
1
为
1.5
～
4
的范围内，这些经验公式能取得较准确的结果。
②经验法。
由于实际情况的复
杂性，按一般公式计算会出现较大的误差。故在实际应用中，常根据不
同型槽由经验确定
宽展指数
Δb/Δh
，见表
5.1-5
。
宽展修正系数
不同型槽的宽展指数
零件轧制成形
——
辊锻
——
辊锻变形的基
本原理
——
辊锻力及辊锻力矩
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辊锻时，变形金属作用在锻
模上的力有两个：沿半径方向的径向力和切线方向的摩擦力。
它们的合力即称为辊锻力，
如图
5.1-12
所示。由于它的方向与铅垂线夹角很小，所以
可
认为辊锻力方向是垂直的。辊锻力和辊锻力矩是设计和选用辊锻机的重要依据，必须进
行
计算。
辊锻力与力矩
（
1
）辊锻力的计算
辊锻力等于变
形区金属与模具接触面上的平均单位压力乘以变形区的
水平投影面积，即：
P=pF
（
5.1-22
）
辊锻时，变形各瞬间往往单位压力和变形区面积
是变化的。计算辊锻力时，要选择压下量最大且接触面也最大的变形区，即最大辊锻力所< p>
处的变形区。
1
）变形区水平投影面积的确定。
简单变形条件下，变形区的水平投影面积
为：
复杂变形条件下，也可按上式进行近似计算，此时，应取型槽
半径的平均值和压下量的平
均值代替上式中的
R
和
Δh
。不同毛坯在各种型槽中辊锻（图
5.1-13
）的平均压下量可按
表
5.1-6
公式进行计算。
2
）平均单位压力的确定。由于辊锻时金属与模具接触面上的单
位压力分布是不均匀的，
精确计算很困难。下面介绍几种较实用的计算公式。
①
A.И.Цeл
иков
公式
在各种型槽中辊锻不同毛坯
各种型槽的平均压下量
式中，
K
为平面变形状态下材料的变形抗力，
K=1.155ζ
s
；
h
r
为变形区中性面处毛坯高度。
为了简化计算，将式（
5.1-24
）绘成图
5.1-14
所示的
曲线。根据相对压下量
ε
< br>和
δ
值，即可从曲线上查得
n<
/p>
ζ
值。
n
σ
与摩擦、尺寸等因素的关系曲线
A.И.Целиков
公式可用于热轧，
也可用于冷轧薄件，在轧制中应用较多。
②
S.
Ekelun
d
公式
式中，
m
为
外摩擦影响系数：
η
为黏性系数；
为平均应变速率（
s
< br>-1
）：
S. Ekelund
还给出了计算
K
（
MPa
）和
η
（
N·
s/mm
2
）的经验公式：
K=
（
140-0.1t
）
（
1.4
＋
C
＋
Mn
＋
0.3Cr
）（
5.1-27
）
η=0.
1
（
14-0.01t
）（
5.1-28
）
式中，
t
为辊锻
温度，℃；
< br>C
、
Mn
、
Cr
为以
%
表示的元素碳、锰、铬
的质量分数。
该公式是用于热轧时
计
算平均单位压力的半经验公式。
③斋藤公式
式中，
l
和
h
可用平均高度法来确定，
m=1.15
～
1.08
。该式适用于型钢轧制。
④
В.К.С
миpнов
公式
p=1.08n
μ
ζ′
< br>s
（
5.1-31
）
式中，
n
μ
为与变形区尺寸有关的系数；
ζ′
s
为金
属的流动极限。
系数
n
μ
与变形区尺寸有关，即
。若辊锻时不产生飞
边，则可根据变形区长度
l<
/p>
、辊锻前后毛坯的高度
h
0
、
h
1
计算出
1-15
中查得
n
μ
值。
值，然后从图
5.
ZE>
的关系曲线
< br>若辊锻后产生飞边，则可取
n
μ
=2.5
～
3.0
。
< br>
金属流动极限
ζ′
s
可根据辊锻变形温度和应变
速率
从图
5.1-16
、图
5.1-17
< br>中查出。应变速率
按下式确定：
式中，
ν
为
模具表面圆周速度；
n
为锻辊转速，
r
/min
；
R
为辊锻模具半径。
此公式计算
平均单位压力较简单且较接近实
际，可用于制坯辊锻和成形辊锻。
⑤
И.Я.Tаpноский
公
式。对于截面形状较简单的锻件
，可忽略辊锻时的宽展，其平均单位压力可按下式计算：
钢的
σ
s
对于截面形状复杂并带飞边的锻件，其平均单位压力可按下式
计算：
式中的应力状态系数
K
ζ
按下式计算：
式中，
α
为
咬入角。
⑥利用经验数值确定辊锻的平均单位压力
a
< br>）成形辊锻碳钢件（其成分的质量分数
C<0.3
5%<
/p>
，
Si<0.3%
，
Mn<0.7%
）的平均单位压力按其锻件复杂程度和辊锻温度不同，按表
5.1-7
确定。
成形辊锻的平均单位压力
b
）成形辊锻合金钢锻件，其平均单位压力按表
5.1-7
选取后，再按下式修正：
p′=pφ
（
5.1-35
）
修正系数☆根据材料不同，按表
5.1-8
选取
。
修正系数☆
当采用润滑剂时会比表中
所列实验数据低一些。例如用石墨润滑剂比无润滑时的平均单位
压力低
< br>30%
～
35%
。
c
）制坯辊锻的平均单位压力，根据其相对压下量和辊锻温度按表
5.1-9
选取。
制坯辊锻的平均单位压力
（
2
）辊锻力矩计算
如
图
5.1-12
所示，设辊锻力的作用点到锻辊中心连线的距离
为
a
，
则上下两锻辊的总力矩
M
为：
M=2Pa<
/p>
（
5.1-36
）式中，
P
为辊锻力；
a
为力臂，
a=φl
；
l
为变
形区长度；
ψ
为力臂系数，一般可按下列数值选取：成形辊锻时
，
ψ=0.25
～
0.30
；
制坯辊锻时，
ψ=0.40
～
0.60
。
< br>零件轧制成形
——
辊锻
——
辊锻工艺与模
具设计
——
< br>辊锻模结构与材料
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材料
科学；金属材料
—
塑性变形
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（
1
）辊锻模结构与固定方式
双支承辊
锻机多用扇形结构模具（如图
5.1-18
），而悬臂
式辊锻机多用圆环形模具（如图
5.1-19
）
。扇形模具的固定方式有两种。一是其两侧面
制成
15°
～
30°
斜度（图
5
.1-18a
），用楔形压块和螺栓固定在锻辊上（如图
5.1
-20
）。
这种模块结构简单，固定可靠，但装卸和调整模具不
太方便，同时由于压块占有一定空间，
使锻辊可用宽度减少了。二是其两侧面制成凸凹环
形槽（图
5.1-18b
），用压环固定在锻
< br>辊上（如图
5.1-21
）。这种模块装卸和调整模具方
便，占用锻辊宽度小，应用较多。
扇形辊锻模
圆环形辊锻模
圆环形模具的固定方式也有两种。一是用键和压盖进行圆周及轴线方向固定（如图
5
.1-2
2
）。这种固定方式结构简单，常用于小规格的辊锻机
上。二是用锥套固定模具并作上
下
模
相对角度调整，如图
5.1-23
所示。锻辊
< br>3
和锥套
5
以
< br>1
∶
20
的锥度相配合，锥套<
/p>
5
在轴向开有剖口，装入锻辊时由平键
1
导向并作圆周定位。当拧紧螺钉
4
时，
锥套
5
连同
模具
6
向左移动，依靠锥套涨开、在锥套外表面与模具内表面间产生的摩擦力，将模具固<
/p>
紧。这种固定方式操作简便，但辊锻机结构与加工稍复杂。国产的悬臂式辊锻机大多数采<
/p>
用了这种结构。
（
2
）辊锻模尺寸的确定
根据实践经验，模具不同部位的壁厚可按下列各式确定（图
5.1-<
/p>
24
）。
模具的壁厚
模具侧面壁厚
S
1
：
S
1
=
（
1.1
～
1.5
）
h
max
模具前端壁厚
S
2
：
S
2
=h
2
模具后端壁厚
S
3
：
S
3
=
（
1.0
～
1.5
）
h
3
模具厚度
H<
/p>
：
H=
（
2
～
3
）
h
max
模具宽度
B<
/p>
：
B=b
max
＋
2S
1
模
具外
圆弧长
L
：
L=l
max
＋
S
< br>2
＋
S
3
式中，
h
max
< br>为型槽单边最大深度；
h
2
为型
槽前端深度；
h
3
为
< br>型槽后端深度；
b
max
为型槽
最大宽度；
l
max
为型槽外圆最大弧
长。
（
3
）
辊锻模材料及选
用
辊锻时，金属沿型
槽表面尤其是长度方向流动剧烈，易造成型槽表面磨损，同时辊锻模
又在反复受热和冷却
的条件下工作，模具内部在交变应力的作用下，易形成热疲劳裂纹。
因此，要求辊锻模材
料在常温和高温下均具有较高的强度、硬度，同时应具有较好的耐热
疲劳性能。目前辊锻
模常用的材料及应用情况见表
5.1-10
。
< br>
常用辊锻模材料
零件轧制成形
——
辊锻
——
辊锻工艺与模
具设计
——
制坯辊锻工艺
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塑性变形
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制坯辊锻工艺的任务是为后
续模锻提供合理的毛坯。其设计程序一般为：根据锻件图设计
辊锻毛坯图，确定辊锻道次
，选择型槽系，计算各道毛坯与型槽截面尺寸，计算型槽的纵
向尺寸及变形力等。
（
1
）辊锻毛坯设
计
设计辊锻毛坯的基础是锻件截面图和计算毛坯图。
通常可将截面图按长度上面积不同分成若干特征段，如图
5.1-25<
/p>
的连杆可分成大头、杆
部、小头及过渡区段。辊锻毛坯与之相对应
区段的形状设计应遵循如下原则。
1
）截面变
化急剧的区段可用等截面代替，如图
5.1-25
的大
、小头部，这样可简化型槽形状，便于
加工。
辊锻毛坯设计
2
）过渡区段应平滑过渡，以免产生折叠。过渡区段的斜角
β
一般取
45°
～
60°
，或其长
度
l′
s
按下式计算：
式中，
F
、
F′<
/p>
为过渡区段两个特征截面的面积（图
5.1-25b
）。
3
）两端部区段长度应比
锻件相应区段长度略短些，这样既便于模锻时放料，又可避免因毛坯过长引起端部折叠。
中间部分长度应与锻件相同。
4
）为了便于辊锻及后续模锻的送料，辊锻毛坯上应留有夹钳料头。夹钳料头有两种形式：
一是利用毛坯不变形的端部作为辊锻时的夹持部位（图
5.1-26a
< br>、
c
、
d
）。为了夹持牢固，
端部长度不得小于其边长或直径的
1/2
。二是在辊锻的最后阶段辊出（图
5.1-26
中的虚
线表示为夹钳料头）。
辊锻毛坯的几种典型形式
（
2
）辊锻道次确定
根据锻件截面图中的最大截面积计算出原始毛坯的直径或边长，并按
标准钢材取值。原始毛坯长度
L
0
按下式计算：
式中，
V
0
为辊锻毛坯体积；
F<
/p>
0
为原始毛坯横截面积；
K
↓
s
为烧损系数。
辊锻道次
N
可按
下式
确定：
式中，
λ
z
为总延伸系数，
λ
z
=F
0
/F
min
；
F
min
为辊锻毛坯中最小横截面积；
λ
p
为平均延伸系
数，通常取为
1.4
～
1.6
。
（
3
）辊锻型槽系选择
1<
/p>
）辊锻型槽系。制坯辊锻常用的型槽系
有椭圆
-
方、椭圆
-
圆、菱形
-
方、六角
-
方及矩形（
箱形）等（图
5.1-27
），它们的变形特
< br>点见表
5.1-11
。
制坯辊锻常用型槽系
制坯辊锻常用型槽系变形特点
2
）坯料在型槽中辊锻的稳定性。坯料在型槽中辊锻时要求不转动，
即稳定性要好，否则
辊锻过程无法正常进行。影响稳定性的因素有：型槽与坯料的截面形
状、轴长比，以及辊
锻模的制造安装精度等。型槽与坯料的截面形状配合关系不同，其稳
定性也不同。如表
5.
1-11
所示，
椭圆、菱形和六角形坯料进入方形型槽稳定性好，而椭圆
-
圆、
菱形
-
菱形型槽
系的稳定性则较差。坯
料长轴与短轴之比对稳定性影响很大。轴长比越大，变形程度就越
大，但稳定性越差，因
此，欲增大变形量，往往要受到稳定性条件即极限轴长比的限制。
常用型槽系的极限轴长
比见表
5.1-12
。
常用型槽系许用的坯料极限轴长比
3
）辊锻型槽系的选择。可供制坯辊锻选用的型槽系方案见图<
/p>
5.1-28
。
制坯辊锻型槽系方案
选择辊锻型槽系时，应考虑以下几项原则。
< br>①原始毛坯截面形状对型槽系选择关系很大。
圆坯因价格便宜最常用，只有批量很
大时才能考虑采用方形或矩形毛坯。
②最后一道型槽
形状必须满足辊锻毛坯图的要求。
③多型槽制
坯辊锻，辊锻完一道移向下一型槽时，往往
坯料需要翻转
90°
或
45°
，所以坯料不允许产生飞边。
（
4
）各道
型槽横截面尺寸的确定
制坯辊锻大多数采用椭圆
-
方或椭圆
-
圆型槽系，故
在此只介绍这两种型槽系尺寸的确定方
法。
1
）经验法。确定型槽系尺寸的步骤为：
①根据原始毛坯形状和总延伸率，按表
5.1
-13
确定辊锻道次及各道次的延伸率、轴长比、充满系数。
辊锻道次及各道次延伸率分配表
<
/p>
②根据原始毛坯的横截面面积
F
0
和各道延伸率
λ
i
计
算出各道辊锻后坯料的横截面面积
F
i
：
③对于椭圆型槽（图
5.1-29
），其截面尺寸可按下列公式计算：
椭圆型槽
式中，
F
、
a
分别为椭圆坯料的横截面积、轴长比，
δ
为椭圆型槽的充满系数，可由表
5.1
-13
查得。
④对于圆形型槽（图
5.1-30
），在过渡圆角部位有一段与圆周相切的直线，
其
斜度为
20°
～
40°
。型槽圆角半径一般取
r=0.05D
。
圆形型槽
⑤对于方形型槽（图
5.1-31<
/p>
），一般取
r
1
=0.15c
，
r
2
< br>=0.10c
。
方形型槽
2
）图解法一。对于不同型槽系、不同道次，应用不同的图表。
①圆
-
椭圆型槽系的单道次
辊锻。已知
：锻辊中心距
D
0
、原始毛坯横截面积
F
0
和辊锻后坯料截面积
F
1
及型槽充满系
数
δ=0.8
。
图解法：
a
）求出延伸系数
λ=F
0
/F
1
。
b
）求出
D
0
/d
0
（
d
0
为原始毛坯直
径
）。
c
）根据
λ
和
D
0
/d
0
，查图
5.1-32
，即可求得椭
圆毛坯的轴长比
α
1
及压缩系数
d
0
/h
1
，进而求出
h
1
。其他
尺寸计算方法同上。
）
②圆
-<
/p>
椭圆
-
圆型槽系的两道次辊锻。已知：锻
辊中心距
D
0
、原始毛坯直径
d
0
和辊锻后直
径
d
1
，椭圆型槽充满系数
< br>δ=0.8
，圆形型槽充满系数
δ=1.0
。
图解法：
a
）计算出
D
0
/
d
1
和
d
0
/d
1
。
b
）查图
5.1-33
的
上部，可求出椭圆毛坯的轴长比
α
1
，
在图表下部，根据
D
0
/d
1
和
α
1
，即可确定
h
1
/d
1
，其他尺寸计算方法同上。
c
）圆形毛坯在椭圆型槽中辊锻
时的延伸系数
λ
1
可由图
5.1-32
确定，椭圆毛坯在圆形型槽中辊锻时的延伸系数
λ
2
，可
用下式求出：
③圆
-
椭圆
-
方型槽系的两道次辊锻。已知：锻辊中心距
D
< br>0
、原始毛坯直径
d
0
和辊锻后边
长
c
1
，椭圆和方形型槽充满系数
δ=0.9
。<
/p>
图解法：
a
）计算出
D
0
/h
k2
和
d
0
/h
k2
（
h
k2
为
方形型槽的理论高度及宽度）。
b
）查图
5.1-34
的上部，可
求出椭圆毛坯的轴长比
α
1
，
在图
5.1-34
下部，根据
< br>D
0
/h
k2
< br>和
α
1
，即可确定
h
1
/h
k2
，其他尺寸计算方法同上。
c
）
< br>圆形毛坯在椭圆型槽中辊锻时的延伸系数
λ
1
可由图
5.1-32
确定，椭圆毛坯在方形型槽中
辊锻时的延伸系数
λ
2
，可用下式求出：