摘要： 為提升異型薄壁法蘭產品的生產效率，實現快速、高效、精密生產，提出了基于金屬材料連鍛連軋工藝的隨形成形方法。分析了連鍛預成形過程和連軋精密成形過程，設計了出坯模具和環軋機軋輥型腔模具。將連鑄坯熱鍛下料改為外購方矩坯精確下料，坯料加熱后，采用出坯模具在連鍛過程中進行預成形，使用軋輥型腔模具在環軋機連軋時進行高精度成形。通過試制驗證，持續對軋輥型腔尺寸進行研究和優化，以確定適合的工藝參數和生產工藝，產品鍛件最終合格率達到98.82%，證明基于金屬材料連鍛連軋工藝的隨形成形方法可靠，可以為異型薄壁法蘭的精確成形和高效生產提供有效的技術支持。

　　關鍵詞： 異型薄壁法蘭;連鍛連軋;隨形成形;模具;高精度成形;工藝參數

　　論文《異型薄壁法蘭隨形成形技術》發表在《鍛壓技術》，版權歸《鍛壓技術》所有。本文來自網絡平臺，僅供參考。

　　隨著現代工業的快速發展，異型薄壁法蘭在航空、航天、石油、化工、核能等領域的應用越來越廣泛，這類法蘭具有結構復雜和精度要求高等特點[1-3]。傳統的自由鍛胎模鍛成形工藝具有材料利用率低、成形精度不高、工藝周期長以及不便于批量生產等缺點，難以滿足其低成本制造的要求。因此，如何利用先進的制造技術實現異型薄壁法蘭的精確成形，成為了當前研究的熱點問題之一，研究異型薄壁法蘭隨形成形技術具有重要的理論和實際意義。

　　隨形成形技術是一種先進的金屬成形工藝技術，通過連續變形實現金屬材料的致密化和精確成形[4-5]，在提高產品精度和降低生產成本方面具有顯著優勢，為異型薄壁法蘭的生產提供了一種全新的技術途徑。本文以異型薄壁法蘭為研究對象，對隨形成形技術在異型薄壁法蘭制造中的應用進行深入研究，首先，介紹了異型薄壁法蘭特點及其隨形成形技術，然后，進行了產品分析與方案設計和優化。本文旨在揭示異型薄壁法蘭隨形成形技術的原理和應用，為我國異型薄壁法蘭的高效、高質量制造提供理論指導和實踐參考，并為相關領域的發展做出貢獻。

　　1 異型薄壁法蘭特點

　　異型薄壁法蘭作為一種連接管道和設備的重要零部件，在工程應用中具有獨特的作用，主要特點如下。

　　(1) 形狀特殊：異型薄壁法蘭通常具有非常特殊的形狀，能夠滿足特定工程需求或連接要求。與標準法蘭相比，異型薄壁法蘭具有更加復雜的幾何形狀，可以適應復雜的管道結構和連接需求。

　　(2) 薄壁設計：與傳統法蘭相比，異型薄壁法蘭具有更薄的壁厚，這有助于減輕整體質量，并在一定程度上減小生產成本。此外，薄壁設計還有利于提高法蘭的彎曲柔韌性和適應性。

　　(3) 定制需求：異型薄壁法蘭通常是根據特定工程的需要進行定制，因此具有較強的定制性和個性化特點。生產廠家通常需要根據客戶的需求進行設計和制造，以滿足特定工程項目的要求。

　　總的來說，異型薄壁法蘭相較于傳統的法蘭具有更為特殊的形狀、薄壁設計和定制需求，能夠滿足特定工程項目的連接需求和技術要求。

　　2 異型薄壁法蘭隨形成形技術

　　2.1 異型薄壁法蘭隨形成形技術原理

　　異型薄壁法蘭隨形成形技術是一種金屬成形技術，其基本原理是利用連續鍛造變形、胎模鍛預成形及環軋成形來實現金屬材料的連續變形成形。

　　2.2 異型薄壁法蘭隨形成形技術特點

　　異型薄壁法蘭隨形成形技術能顯著地提升產品精度和成形效率，主要體現在以下方面。

　　(1) 高效性：該技術能夠實現對金屬材料的連續成形，能大大提高成形效率，節約成形時間、材料成本及精加工時間，能滿足大批量生產的需求。

　　(2) 高精度：通過高精度模具和工藝參數控制，異型薄壁法蘭隨形成形技術能夠實現對金屬材料的窄余量成形，實現對產品尺寸和形狀的精確控制，提高金屬材料的尺寸精度和一致性。

　　(3) 低能耗：異型薄壁法蘭隨形成形技術在連續加工和成形過程中，省去胎模鍛預成形時坯料的冷卻、加熱過程，能源利用率高、能源消耗低。

　　(4) 適用性廣：該技術適用于各種金屬材料，包括鐵、鋼、鋁、鎂等，能夠實現對不同金屬材料的高效成形。

　　綜上所述，異型薄壁法蘭隨形成形技術具有較大的技術優點及潛力，能夠在提高產品精度、成形效率和降低能源消耗等方面發揮重要作用，具有廣闊的應用前景。

　　3 產品分析與方案設計

　　3.1 產品介紹

　　本文以圖1所示的異型薄壁法蘭產品為研究對象，生產材料為40CrV鋼，數量為5000件，產品的物理化學性能需滿足GB/T 3077-2015[6]的要求。

　　(圖1：異型薄壁法蘭產品結構尺寸圖 - 此處略去圖示)

　　3.2 產品分析

　　從圖1中可以看出，該異型薄壁法蘭產品由法蘭盤(大端部分)與支撐盤(小端部分)組成，法蘭盤外徑為Φ700mm、壁厚為96mm、高度為51mm，支撐盤外徑為Φ540mm、壁厚為16mm、高度為223mm，法蘭盤與支撐盤的壁厚相差很大，且支撐盤壁厚薄、高度大，為典型的異型薄壁法蘭產品。

　　3.3 產品成形方案分析

　　對于該異型薄壁法蘭產品，傳統加工方式為自由鍛胎模鍛成形方案，該方案通過采用自由鍛造的方式，將金屬坯料加熱后，在模具的作用下通過鍛壓、拉伸等方式成形[7]。該方案成形工藝簡單，適用于生產小批量、多規格的異型薄壁法蘭產品。但是，自由鍛造的方式存在著材料利用率低、成形精度低、制造工藝周期長以及不便于批量生產等缺點。

　　隨形成形方案是指將金屬坯料加熱后，在鍛壓設備的連續鍛壓下，首先通過胎模鍛預成形[8]，經預成形后的坯料在環軋機中連續環軋，進行精確成形[9]。該方案成形工藝復雜，具有軋件成形精度高、生產效率高、材料利用率高和性能均勻等顯著優點，適用于批量化生產。

　　綜上比較兩種異型薄壁法蘭產品成形方案，傳統自由鍛造成形工藝適用于小批量、多品種的生產，但制造周期長、效率低;隨形成形方案適用于大批量產品的生產，成形周期短、成形效率高。

　　本文以需批量化生產的異型薄壁法蘭產品為研究對象，經對比評估，采用隨形成形方案進行生產。

　　3.4 方案設計

　　根據上述成形方案分析，采用隨形成形方案為本次異型薄壁法蘭產品加工成形的最終方案。根據該方案，在連續鍛壓時，需采用胎模鍛預成形，在連續環軋時，需采用環軋機軋制成形。結合圖1的產品尺寸要求，運用逆向設計思維，應優先設計環軋后的軋件尺寸，然后設計環軋機軋輥模具尺寸、軋制前胎模鍛出坯尺寸以及胎模結構尺寸，再設計胎模鍛坯料鍛造前的下料尺寸，以此設計出整個工藝流程及軋件變形工藝。

　　3.4.1 法蘭軋件設計

　　根據圖1中產品的尺寸要求，參考JB/T 10478-2004[10]，設計的異型薄壁法蘭軋件結構尺寸如圖2所示。

　　(圖2：法蘭軋件結構尺寸圖 - 此處略去圖示)

　　3.4.2 環軋機設計

　　產品軋件的最終成形是通過環軋機軋制成形，因此，環軋機的設計是否合理，直接關系到產品軋件尺寸是否能滿足產品加工需求。根據圖2所示的法蘭軋件尺寸圖，設計的環軋機結構如圖3所示，軋件在環軋機中，經軋輥、芯軸和滾輪的共同作用，在軋輥模具型腔中軋制成形。考慮到環軋機在實際生產軋制過程中，會存在一定程度的抖動波動，在設計軋輥尺寸時，應根據產品軋件的形狀尺寸，適當增加一定余量來設計軋輥模具尺寸。結合圖2法蘭軋件尺寸要求，初步設計的軋輥模具尺寸見圖4、芯軸尺寸見圖5、滾輪尺寸見圖6。

　　(圖3：環軋機結構圖 - 此處略去圖示)

　　(圖4：軋輥模具結構尺寸圖 - 此處略去圖示)

　　(圖5：芯軸結構尺寸圖 - 此處略去圖示)

　　(圖6：滾輪結構尺寸圖 - 此處略去圖示)

　　3.4.3 胎模鍛出坯尺寸設計

　　根據圖2所示的軋件尺寸圖，同時參考法蘭環件軋制變形規律和毛坯設計方法[11]等，按如下原則設計胎模鍛出坯尺寸。

　　(1) 根據體積不變原理，環軋前鍛件和環軋后軋件的體積應相等(除考慮火耗因素影響外，在坯料尺寸設計上應給予適當補償)。

　　(2) 進環軋機前的胎模鍛出坯形狀、結構，與最終產品鍛件的形狀、結構應相似，以易于環軋機軋制成形。

　　(3) 鍛件在環軋時，會增加軋件的外徑、內徑和支撐盤高度，因此，胎模鍛出坯時的鍛件尺寸應小于產品最終軋件尺寸(法蘭盤高度除外)。

　　(4) 設計坯料的尺寸時需結合材料特性，設計能滿足材料性能指標要求的最小變形量。對于合金結構鋼，軋制比取2.5~3.5較為合適，且每火次變形量不應低于20%。

　　根據以上原則，設計的胎模鍛出坯尺寸如圖7所示。

　　(圖7：胎模鍛出坯結構尺寸圖 - 此處略去圖示)

　　3.4.4 胎模模具設計

　　鍛件通過胎模模具出坯后，形成如圖7所示的胎模出坯尺寸圖，因此，胎模模具設計應主要考慮以下方面。

　　(1) 胎模出坯時的形狀尺寸。胎模模具形狀和尺寸應根據胎模出坯時冷鍛件的尺寸，同時考慮熱脹冷縮和材料損耗進行逆向設計。

　　(2) 與鍛件接觸的一些圓角應圓滑過渡(防止鍛件出現折疊缺陷)。

　　(3) 由于需要進行沖孔操作，應綜合考慮工人的操作強度，合理設計沖頭尺寸。

　　結合以上要求，胎模鍛模具結構尺寸如圖8所示，沖頭結構尺寸如圖9所示。

　　(圖8：胎模模具結構尺寸圖 - 此處略去圖示)

　　(圖9：沖頭結構尺寸圖 - 此處略去圖示)

　　3.4.5 下料設計

　　通常情況下，該產品所用原材料均由鋼錠加熱后，通過在液壓機上自由鍛鐓粗、拔長，去除頭、尾，再熱分段下料的方式組織生產，考慮到法蘭盤產品數量較多，若仍采用此方式組織生產，會出現諸多弊端：

　　(1) 鋼錠加熱后經液壓機鐓粗、拔長，然后去除頭、尾，再熱分段下料，既增加了加工成本，又延長了生產周期及生產流程;

　　(2) 鋼錠需加熱鍛造后再進行下料，增加了火次、火耗，提高了原材料及能源成本;

　　(3) 熱分段下料不夠精確，導致部分料多、部分料少，影響產品鍛軋件的尺寸及合格率。

　　綜上，鋼錠方式明顯不適用于批量生產，改用連鑄坯組織生產，能有效避免上述諸多鋼錠下料的不足之處，同時也便于批量化生產，主要原因為：

　　(1) 連鑄坯無需去除頭、尾，也無需加熱，便可直接下料，既降低了加工成本，又縮短了生產周期及生產流程;

　　(2) 因無需加熱便可直接下料，減少了火次、火耗，節約了原材料及能源成本;

　　(3) 因無需熱分段而是采用鋸床直接下料，下料尺寸精確、一致性較好，不會對鍛軋件的尺寸及合格率產生影響。

　　因此，根據圖7所示胎模鍛出坯結構尺寸圖，計算胎模鍛坯料的質量，同時，考慮到連鑄坯下料后需重新加熱鍛造，會形成一定程度的火耗，所以，下料質量應等于胎模鍛坯料質量加火耗質量。經綜合測算，單件產品鍛軋件下料質量約為88kg，反向測算可得，選用180mm×180mm連鑄坯、下料長度為343mm，即可滿足單件產品下料質量需求。

　　3.4.6 工藝流程設計

　　根據上述設計方案，結合鍛件常規生產工藝，設計的異型薄壁法蘭產品隨形成形工藝流程如圖10所示。

　　(圖10：異型薄壁法蘭產品隨形成形工藝流程圖 - 此處略去圖示)

　　(1) 原材料檢驗：根據遵義精星航天電器有限責任公司相關質量管理辦法外協外購管理辦法規定，對外購40CrV鋼原材料進行入廠復驗，化學成分應滿足GB/T 3077-2015[6]要求。

　　(2) 坯料下料：原材料入廠檢驗合格后，根據單件產品下料設計需求，對外購的180mm×180mm連鑄坯采用鋼片鋸下料，單件下料長度為343mm。

　　(3) 加熱：根據JB/T 6052-2005[12]，結合生產經驗，將40CrV合金結構鋼的加熱溫度設定為(1180±20)℃，設定胎模鍛出坯溫度≥780℃，出坯完成后重新入爐加熱至初軋溫度(1180±20)℃，終軋溫度設定為(780±20)℃。

　　(4) 胎模鍛出坯：坯料經加熱、保溫后，在800t液壓機上進行上下平砧自由鍛以增加變形量，然后采用圖8所示胎模鍛模具進行出坯，并采用圖9所示沖頭沖孔，得到圖7所示胎模鍛出坯結構。

　　(5) 加熱：將胎模鍛坯料重新入爐加熱至(1180±20)℃。

　　(6) 環軋機軋制：胎模鍛坯料經加熱、保溫后，采用圖3所示的環軋機進行軋制，軋件結構尺寸應滿足圖2要求。同時，為提升軋件的晶粒度及力學性能，應確保終軋溫度控制在(780±20)℃。

　　(7) 性能熱處理：按GB/T 3077-2015[6]要求，對40CrV鋼軋件進行性能熱處理。

　　(8) 劃線取樣：按GB/T 3077-2015[6]要求，對40CrV鋼軋件劃線截取理化性能所需試樣。

　　(9) 性能檢測：按GB/T 3077-2015[6]要求，對40CrV鋼軋件試樣進行力學性能(拉伸、沖擊、硬度等)測試。

　　(10) 精加工：性能測試合格后，軋件按圖1所示產品結構尺寸要求進行精加工。

　　(11) 目視檢查：軋件精加工后進行目視檢查，確保表面無裂紋、折疊、凹坑等影響產品使用的表面缺陷。

　　(12) 超聲波檢測：目視檢查合格后，根據GB/T 3077-2015[6]要求對產品進行超聲波檢測。

　　(13) 尺寸檢測：超聲波檢測合格后，產品按圖1要求進行最終尺寸檢測。

　　(14) 標識：尺寸檢測合格后，按用戶要求對產品進行逐件標識。

　　(15) 包裝、入庫：標識后，產品包裝、入庫。

　　(16) 授權發貨：已入庫產品，根據用戶授權要求，分批發貨。

　　3.4.7 變形工藝設計

　　法蘭變形工藝[13-14]是反映法蘭鍛件在連鍛環軋過程中各工序鍛件變形尺寸的總工藝。經上述分析，通過下料—胎模鍛出坯(鐓粗+沖孔+平整)—環軋機軋制成形(擴孔+拔長+整形)的工藝路線，實現了法蘭鍛件連鍛環軋成形，最終變形工藝如表1所示，其中，下料工序變形簡圖中343/361表示產品鍛件的坯料長度/試樣鍛件(產品+試樣)的坯料長度。

　　表1 法蘭鍛件的變形工藝過程

　　加熱火次 始鍛溫度/℃ 終鍛溫度/℃ 鍛造比 工序說明 變形簡圖 工具 設備

　　343/361

　　1 1180±20 ≥800 1.2 胎模鍛出坯 (示意圖略) 上下平砧，沖頭，芯棒 800t鍛壓機

　　2 1180±20 ≥800 2.0 環軋成形 (示意圖略) 環軋機

　　4 首次試制及工藝優化

　　4.1 試制生產

　　根據前述設計方案，對異型薄壁法蘭產品進行試制生產。在首次試生產過程中，發現部分鍛件的法蘭盤高度尺寸超差、支撐盤高度尺寸超差、法蘭鍛件頸部出現折疊及裂紋、法蘭盤端面有缺陷、法蘭盤外徑超差等質量問題。部分鍛件連鍛環軋后無肉眼可見缺陷，但經精加工后，在鍛件頸部也出現了折疊及裂紋(缺陷統計見表2，典型缺陷見圖11)。鍛件經機加工及熱處理后，其理化試驗結果均滿足用戶技術要求。本次共試制生產200件，產品合格率為74.50%。

　　4.2 問題分析

　　對上述鍛軋件的質量缺陷進行深入分析，法蘭鍛軋件存在多種質量問題的原因是多方面的，主要概括為以下幾方面。

　　(1) 胎模鍛坯料的質量分配不合理。這會導致上腔質量不足或下腔質量不足，如果上腔質量不足，則導致大端高度不夠，如果下腔質量不足，則導致小端高度不夠。兩端通過軋制成形后，因質量不足，均會造成產品鍛件高度超差。

　　(2) 軋輥模具型腔斜度偏小。軋輥模具型腔斜度偏小(產品鍛件頸部對應的型腔斜度為2°)，導致金屬不易上下流動，從而引發頸部缺陷。

　　(3) 軋輥模具型腔深度不足，造成法蘭盤外徑尺寸偏小。

　　(4) 操作工對新環軋機操作不熟練。由于新環軋機非全自動生產，操作工還未形成熟練操作，導致部分產品不合格。

　　表2 首次試制產品的缺陷統計結果

　　缺陷類型 數量 占比/%

　　大端高度不夠 6 3.0

　　小端高度不夠 2 1.0

　　鍛件頸部折疊、有裂紋 7 3.5

　　大端面缺陷 8 4.0

　　大端外徑偏小 9 4.5

　　機加工后出現頸部折疊、裂紋 19 9.5

　　(圖11：法蘭鍛件缺陷 - 此處略去圖示)

　　4.3 工藝優化

　　根據上述分析結果，針對問題對相關模具進行優化改進。

　　(1) 坯料質量分配不合理、軋輥模具型腔斜度偏小的問題：保持胎模大端高度不變，通過降低胎模總高度來降低胎模型腔小端高度，使質量分配更加均勻。同時，為使胎模型腔大端金屬更易向小端流動，將胎模上型腔各增加1°斜度，優化后的胎模鍛出坯尺寸詳見圖12。

　　(2) 軋輥模具型腔斜度偏小、深度不足的問題：增加軋輥模具型腔斜度(由2°增加至3.5°)，同時增加型腔深度(型腔直徑由Φ595mm減小至Φ584mm，型腔深度增加5.5mm)，軋輥模具優化后的尺寸如圖13所示。

　　(圖12：優化后的胎模鍛出坯結構尺寸圖 - 此處略去圖示)

　　(圖13：優化后的軋輥模具結構尺寸圖 - 此處略去圖示)

　　5 二次試制及工藝再優化

　　5.1 二次試制

　　完成上述改進后，再次對產品進行試制生產，結果顯示，前期出現的鍛件的各類型缺陷已基本解決，但部分鍛件在精加工后，仍然在產品的法蘭盤頸部出現折疊缺陷。本次共試制生產1000件，產品總合格率約為90.30%(表3)。

　　表3 優化后產品的缺陷統計結果

　　缺陷類型 數量 占比/%

　　軋件缺陷 17 1.7

　　機加后缺陷 80 8.0

　　5.2 工藝再優化

　　針對二次試制中出現的部分鍛件精加工后頸部出現缺陷的質量問題，對圖13所示的軋輥模具再次優化，將法蘭盤頸部對應模具R30mm改為R35mm，增加環軋時金屬向下的流動性。經此優化，環軋后法蘭盤的厚度普遍增加3~5mm，經精加工后的法蘭盤頸部折疊缺陷基本消失，本次共試制生產4000件，最終合格率為98.82%(表4)。

　　表4 再優化后產品缺陷統計結果

　　缺陷類型 數量 占比/%

　　軋件缺陷 8 0.20

　　機加后缺陷 39 0.98

　　從圖14可以看出，法蘭鍛件合格率由初次生產的74.50%，到第2次生產的90.30%，再到第3次生產的98.82%，產品合格率逐漸提升。但產品在第3次生產時，仍有1.18%的不合格率，主要原因為：(1) 操作工對環軋機操作不熟練;(2) 操作工在進行坯料下料時，部分坯料下料長度不足，導致部分產品不合格。后續，隨著操作工對環軋機操作的逐漸熟練，以及引進自動下料設備，產品合格率將繼續提升，逐漸實現“零缺陷”的目標。

　　(圖14：法蘭鍛件合格率 - 此處略去圖示)

　　6 總結與展望

　　隨形成形技術是生產異型薄壁法蘭產品的一種先進金屬成形加工技術，其應用前景非常廣闊，尤其是在航空航天、汽車、石油和天然氣等領域。這種技術結合了鍛造和軋制工藝的優點，可以在較短時間內以較低的成本批量生產出形狀復雜、壁薄、精度高的異形薄壁法蘭產品。

　　隨形成形技術在異型薄壁法蘭產品生產中的優勢主要包括以下方面。

　　(1) 高效率：隨形成形技術能夠實現連續生產，提高生產效率、降低生產成本。相較于傳統的加工方法，該技術具有更高的生產效率，有利于企業實現規模經濟。

　　(2) 高質量：該技術在加工過程中能夠實現對材料的精確控制，使得異型薄壁法蘭的尺寸精度、形狀精度以及表面質量得到顯著提高。這對于確保產品質量、提高產品使用壽命和可靠性具有重要意義。

　　(3) 節能減排：隨形成形技術具有較高的能量利用率，能夠在生產過程中降低能源消耗、減少污染物排放。這有助于企業實現綠色生產。

　　(4) 多樣化生產：隨形成形技術具有較高的工藝適應性，能夠滿足不同類型、不同規格的異型薄壁法蘭生產需求。這為企業拓展市場提供了有力支持。

　　(5) 降低生產風險：隨形成形技術具有較高的自動化程度，能夠減少生產過程中的人為因素影響，降低生產風險。

　　未來研究方向和可能的改進空間主要有以下方面。

　　(1) 優化工藝參數：通過對工藝參數的優化，進一步提高產品的尺寸精度、形狀精度和表面質量，降低廢品率、提高生產效率。

　　(2) 開發新型模具：研究新型模具設計，提高模具的使用壽命和可靠性，降低生產成本。

　　(3) 智能化控制：引入人工智能技術，實現對生產過程的智能化監控和調度，提高生產自動化水平。

　　(4) 材料研究：探索新型材料，提高異型薄壁法蘭的力學性能、耐腐蝕性能等，以滿足不斷變化的市場需求。

　　(5) 安全生產：加強安全生產管理，提高生產過程中的安全性，確保員工生命財產安全。

　　總之，隨形成形技術在異型薄壁法蘭生產中具有廣泛的應用前景。未來研究應著重于優化工藝參數、開發新型模具、實現智能化控制、材料研究和安全生產等方面，以進一步提升產品質量、降低生產成本、提高生產效率，滿足不斷增長的市場需求和技術挑戰，為我國制造業發展貢獻更大力量。

　　參考文獻：

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