辊锻
零件轧制成形——辊锻
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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。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
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
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：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——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
此所需的变形力较小，与整体模锻相比，可减小设备吨位70%～90%。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。
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。它们分别表示如下：
式中，h0、b0、l0为变形前毛坯的高度、宽度和长度；h1、b1、l1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A1B1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，与RΔh相比，其值
很小，可忽略不计，则
咬入角α可用下式表示
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——辊锻——辊锻变形的基本原理——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αmax≤2β。通常取αmax=（1.3～1.5）β 表5.1-2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，l0、l1为变形前后毛坯的长度；F0、F1为变形前后毛坯的横截面积。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： F0=F1λ1 F1=F2λ
由上式可得
2
式中，λz为总延伸系数；λp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。
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
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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。
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，υj为锻件在出口处的速度；υm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γ2/2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；h1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）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。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b0和变形区长度的比值决定的系数：
☆（ε）为由相对压下量ε决定的函数：☆（ε）=0.138ε2-0.328ε 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。③S. Ekelund公式。变形后的宽度b1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。④В.П.Вaхтинов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。⑤E.Sibe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。⑥С.И.ГубкиH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。⑦Z. Wusatowski公式式中，β为宽展
系数，β=b1/b0；η为压下系数，η=h1/h0；δ为毛坯原始宽度与高度之比，δ=b0/h0；ε
d为毛坯原始高度与锻模公称直径之比，εd=h0/D。当采用大压下量辊锻时（Δh/h0=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α0、α1
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。①A.И.Цeликов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=1.155ζs；
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和δ值，即可从曲线上查得nζ值。
nσ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。②S. 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-1）：
S. Ekelund还给出了计算K（MPa）和η（N·s/mm2）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，℃；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。④В.К.Смиpнов公式 p=1.08nμζ′s（5.1-31）式中，nμ为与变形区尺寸有关的系数；ζ′s为金
属的流动极限。系数nμ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、辊锻前后毛坯的高度h0、h1计算出值，然后从图5. 1-15中查得nμ值。
ZE>的关系曲线
若辊锻后产生飞边，则可取nμ=2.5～3.0。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。⑤И.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：