本发明属于环轧成形技术领域，具体涉及一种超大直径铝合金整体环的轧制生产方法。
背景技术：
大型环件被广泛应用于各工业领域，如风电设备的轴承套圈及齿轮环坯、运载火箭的过渡环、压力容器及核反应堆的加强圈等。近年来，随着工业的发展，各行业对大型环件的需求量越来越大、性能要求也越来越高，因此研究大型环件的制造工艺显得尤为重要。
整体环轧制成形属于径向-轴向压缩、切向延伸的锻造过程，包括：直线进给运动、旋转轧制运动、导向运动以及环件自身的转动和直径扩大运动，这使得控制环件轧制成形过程极为复杂。采用该技术生产的特大型环锻件，不仅具有外形尺寸精度高、材料消耗少等特点，并且能有效改善材料内部组织结构及其均匀性，金属纤维沿圆周连续排列，与零件的受力和磨损相适应，内在质量优良、综合性能高。同时整体锻环为整体机加工件，因此大型整体环轧成形件加工后零件的尺寸精度高、质量一致性和稳定性好、可靠性高。
目前，国内多家单位成功轧制出直径5米级2219铝合金环件，并在航空航天领域得到了广泛地应用，但是直径5米以上的铝合金整体环件在国内还属空白。随着环件尺寸的进一步增大，特别是直径大于8m后，环件的刚性大大减弱，轧制过程中容易产生塑性失稳，使得环轧过程中环件的圆度及尺寸精度很难控制；同时由于大型环件的截面变化大，环轧过程中容易产生折叠、粘辊、表面起皮、多边形等缺陷，从而导致环件轧制过程终止或者产品报废，因此其轧制工艺过程更加复杂，对轧制工艺过程的控制也提出了更高的要求。
因此，精确调控超大直径整体环件的成形工艺过程，实现Φ8-10m环件产品“形状-性能”的协同控制，对提高国内超大直径环件的轧制技术水平有很大促进作用，成为我国在此技术领域内亟需解决的重要技术。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是实现Φ8-10m超大直径铝合金整体环轧制成形，控制环件的圆度和尺寸精度，保证环件轧制过程稳定持续进行，对超大直径铝合金整体环件的“形-性”协同控制，从而满足我国超大直径整体环件的使用要求。
为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：
一种超大直径铝合金整体环的轧制生产方法，包括如下步骤：
(1)环坯制备：通过自由锻造方法制备所需规格的环坯，进行车加工及超声波探伤检测，保证获得合格的环轧坯料；
锻造加工：自由锻方式获得外径为3500～4500mm、内径为3000～3500mm、高度为500～650mm的环坯；
车加工：对环坯上、下端面及内、外圆面进行车加工，去除表面黑皮及折叠伤，表面粗糙度达到Ra3.2以上，圆度控制在1mm以内；
超声波探伤：对坯料上端面进行100％超声波探伤，按GJB2057标准A级验收，排除超标缺陷；
(2)环坯加热：将环轧坯料在电炉中进行加热、保温；
(3)环轧成形：对环轧坯料进行二火次环轧成形；包括：
(3.1)转运：将加热后的环轧坯料转运到环轧机上，转运时间小于290s，坯料表面温降控制在40℃以内；
(3.2)第一火轧制：采用直径为400～600mm的芯辊对环轧坯料进行辗轧，辗轧至环轧坯料的外径为5000～6000mm、高度为450～600mm，轧制比为1.2～2.0，径轴向压下量之比为2.0～3.0；
轧制过程分咬入阶段、快速轧制阶段、稳定轧制阶段、减速轧制阶段及成形整圆阶段共5个阶段进行：
咬入阶段：环轧坯料咬入辊缝，开始建立轧制过程，该阶段只进行径向轧制，轴向轧辊无进给，轴向仅轧制由于径向轧制引起的宽展，咬入阶段轧制厚度值为整个轧制厚度变化量的5％；在此阶段的直径初增大率为1～3mm/s、直径终增大率为3～5mm/s、径向进给速率为0.02～0.06mm/s、轴向进给速率为0～0.02mm/s；
快速轧制阶段：轧辊径向进给速度加快，环轧坯料随之快速长大，轴向进给按与径向进给成比例的进给，快速轧制阶段轧制厚度值为整个轧制厚度变化量的15％；在此阶段的直径初增大率为3～5mm/s、直径终增大率为5～12mm/s、径向进给速率为0.06～0.3mm/s、轴向进给速率为0.02～0.15mm/s；
稳定轧制阶段：控制芯辊与锥辊的进给速度，使其与环轧坯料的直径增长速度相匹配，使轧制过程快速、稳定进行，稳定轧制阶段轧制厚度值为整个轧制厚度变化量的60％；在此阶段的直径初增大率为5～12mm/s、直径终增大率为5～12mm/s、径向进给速率为0.15～0.4mm/s、轴向进给速率为0.04～0.2mm/s；
减速轧制阶段：径向和轴向进给速度减小，环轧坯料长大速率随之降低，减速轧制阶段轧制厚度值为整个轧制厚度变化量的10％；在此阶段的直径初增大率为5～12mm/s、直径终增大率为1～5mm/s、径向进给速率为0.05～0.4mm/s、轴向进给速率为0.02～0.15mm/s；
成形整圆阶段：仅进行径向轧制，轴向仅轧制由于径向轧制引起的宽展，在仅有径向轧制的过程中进行整圆，同时消除因回弹引起的尺寸误差，成形整圆阶段轧制厚度值为整个轧制厚度变化量的10％；在此阶段的直径初增大率为1～3mm/s、直径终增大率为1～3mm/s、径向进给速率为0.02～0.05mm/s、轴向进给速率为0～0.02mm/s；
(3.3)进行回炉保温2～4h，保温温度为420～460℃；
(3.4)第二火轧制：换直径为700～900mm的芯辊对环轧坯料进行辗轧，辗轧至外径为8000～10000mm、高度为400～550mm，轧制比为1.2～1.8，径轴向压下量之比为2.0～3.0；
轧制过程同步骤(3.2)相同，分咬入阶段、快速轧制阶段、稳定轧制阶段、减速轧制阶段及成形整圆阶段共5个阶段进行：
咬入阶段：环轧坯料咬入辊缝，开始建立轧制过程，该阶段只进行径向轧制，轴向轧辊无进给，轴向仅轧制由于径向轧制引起的宽展，咬入阶段轧制厚度值为整个轧制厚度变化量的5％；在此阶段的直径初增大率为1～3mm/s、直径终增大率为3～8mm/s、径向进给速率为0.02～0.08mm/s、轴向进给速率为0～0.02mm/s；
快速轧制阶段：轧辊径向进给速度加快，环轧坯料随之快速长大，轴向进给按与径向进给成比例的进给，快速轧制阶段轧制厚度值为整个轧制厚度变化量的15％；在此阶段的直径初增大率为3～8mm/s、直径终增大率为8～15mm/s、径向进给速率为0.08～0.35mm/s、轴向进给速率为0.04～0.15mm/s；
稳定轧制阶段：控制芯辊与锥辊的进给速度，使其与环轧坯料的直径增长速度相匹配，使轧制过程快速、稳定进行，稳定轧制阶段轧制厚度值为整个轧制厚度变化量的60％；在此阶段的直径初增大率为8～15mm/s、直径终增大率为8～15mm/s、径向进给速率为0.15～0.5mm/s、轴向进给速率为0.08～0.3mm/s；
减速轧制阶段：径向和轴向进给速度减小，环轧坯料长大速率随之降低，减速轧制阶段轧制厚度值为整个轧制厚度变化量的10％；在此阶段的直径初增大率为8～15mm/s、直径终增大率为1～5mm/s、径向进给速率为0.05～0.5mm/s、轴向进给速率为0.02～0.2mm/s；
成形整圆阶段：仅进行径向轧制，轴向仅轧制由于径向轧制引起的宽展，在仅有径向轧制的过程中进行整圆，同时消除因回弹引起的尺寸误差，成形整圆阶段轧制厚度值为整个轧制厚度变化量的10％；在此阶段的直径初增大率为1～3mm/s、直径终增大率为1～3mm/s、径向进给速率为0.02～0.05mm/s、轴向进给速率为0～0.02mm/s；
(3.5)环件轧制结束后在封闭环境中进行冷却，冷却过程中控制各个部位冷却速率一致；
(4)尺寸检测：对环轧成形的环件进行尺寸检测，获得满足质量要求的环件。
进一步的，如上所述的一种超大直径铝合金整体环的轧制生产方法，步骤(2)中，将环轧坯料放入电炉中，采用随炉升温方式，加热温度为420～460℃，保温时间为12～12.5h。
进一步的，如上所述的一种超大直径铝合金整体环的轧制生产方法，步骤(3)中，轧制过程对主轧辊、芯辊、上锥辊、下锥辊、环坯的4个边角部位进行润滑，控制各个部位润滑均匀一致，控制环坯的表面温度在360～460℃。
进一步的，如上所述的一种超大直径铝合金整体环的轧制生产方法，步骤(4)中，对车加工后的环形件进行尺寸检测的质量要求是环形件圆度≤5‰。
本发明技术方案采用环轧成形技术，通过控制超大规格铝合金环件的轧制变形温度、直径增大速率、径轴向进给速率、径轴向压下量、轧制比、芯辊直径、环轧火次等，实现了超大直径铝合金整体环轧制过程的稳定持续进行，有效控制了环件尺寸精度、椭圆度及径轴向变形量，提高了产品质量一致性和产品合格率，满足了产品的技术指标要求。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明技术方案进行详细说明。
本发明一种超大直径铝合金整体环的轧制生产方法，包括如下步骤：
(1)环坯制备：通过自由锻造方法制备所需规格的环坯，进行车加工及超声波探伤检测，保证获得合格的环轧坯料；
锻造加工：自由锻方式获得外径为3500～4500mm、内径为3000～3500mm、高度为500～650mm的环坯；
车加工：对环坯上、下端面及内、外圆面进行车加工，去除表面黑皮及折叠伤，表面粗糙度达到Ra3.2以上，圆度控制在1mm以内；
超声波探伤：对坯料上端面进行100％超声波探伤，按GJB2057标准A级验收，排除超标缺陷；
(2)环坯加热：将环轧坯料在电炉中进行加热、保温；优选的技术方案是将环轧坯料放入电炉中，采用随炉升温方式，加热温度为420～460℃，保温时间为12～12.5h。
(3)环轧成形：对环轧坯料进行二火次环轧成形；包括：
(3.1)转运：将加热后的环轧坯料转运到环轧机上，转运时间小于290s，坯料表面温降控制在40℃以内；
(3.2)第一火轧制：采用直径为400～600mm的芯辊对环轧坯料进行辗轧，辗轧至环轧坯料的外径为5000～6000mm、高度为450～600mm，轧制比为1.2～2.0，径轴向压下量之比为2.0～3.0；
轧制过程分咬入阶段、快速轧制阶段、稳定轧制阶段、减速轧制阶段及成形整圆阶段共5个阶段进行：
咬入阶段：环轧坯料咬入辊缝，开始建立轧制过程，该阶段只进行径向轧制，轴向轧辊无进给，轴向仅轧制由于径向轧制引起的宽展，咬入阶段轧制厚度值为整个轧制厚度变化量的5％；在此阶段的直径初增大率为1～3mm/s、直径终增大率为3～5mm/s、径向进给速率为0.02～0.06mm/s、轴向进给速率为0～0.02mm/s；
快速轧制阶段：轧辊径向进给速度加快，环轧坯料随之快速长大，轴向进给按与径向进给成比例的进给，快速轧制阶段轧制厚度值为整个轧制厚度变化量的15％；在此阶段的直径初增大率为3～5mm/s、直径终增大率为5～12mm/s、径向进给速率为0.06～0.3mm/s、轴向进给速率为0.02～0.15mm/s；
稳定轧制阶段：控制芯辊与锥辊的进给速度，使其与环轧坯料的直径增长速度相匹配，使轧制过程快速、稳定进行，稳定轧制阶段轧制厚度值为整个轧制厚度变化量的60％；在此阶段的直径初增大率为5～12mm/s、直径终增大率为5～12mm/s、径向进给速率为0.15～0.4mm/s、轴向进给速率为0.04～0.2mm/s；
减速轧制阶段：径向和轴向进给速度减小，环轧坯料长大速率随之降低，减速轧制阶段轧制厚度值为整个轧制厚度变化量的10％；在此阶段的直径初增大率为5～12mm/s、直径终增大率为1～5mm/s、径向进给速率为0.05～0.4mm/s、轴向进给速率为0.02～0.15mm/s；
成形整圆阶段：仅进行径向轧制，轴向仅轧制由于径向轧制引起的宽展，在仅有径向轧制的过程中进行整圆，同时消除因回弹引起的尺寸误差，成形整圆阶段轧制厚度值为整个轧制厚度变化量的10％；在此阶段的直径初增大率为1～3mm/s、直径终增大率为1～3mm/s、径向进给速率为0.02～0.05mm/s、轴向进给速率为0～0.02mm/s；
(3.3)进行回炉保温2～4h，保温温度为420～460℃；
(3.4)第二火轧制：换直径为700～900mm的芯辊对环轧坯料进行辗轧，辗轧至外径为8000～10000mm、高度为400～550mm，轧制比为1.2～1.8，径轴向压下量之比为2.0～3.0；
轧制过程同步骤(3.2)相同，分咬入阶段、快速轧制阶段、稳定轧制阶段、减速轧制阶段及成形整圆阶段共5个阶段进行：
咬入阶段：环轧坯料咬入辊缝，开始建立轧制过程，该阶段只进行径向轧制，轴向轧辊无进给，轴向仅轧制由于径向轧制引起的宽展，咬入阶段轧制厚度值为整个轧制厚度变化量的5％；在此阶段的直径初增大率为1～3mm/s、直径终增大率为3～8mm/s、径向进给速率为0.02～0.08mm/s、轴向进给速率为0～0.02mm/s；
快速轧制阶段：轧辊径向进给速度加快，环轧坯料随之快速长大，轴向进给按与径向进给成比例的进给，快速轧制阶段轧制厚度值为整个轧制厚度变化量的15％；在此阶段的直径初增大率为3～8mm/s、直径终增大率为8～15mm/s、径向进给速率为0.08～0.35mm/s、轴向进给速率为0.04～0.15mm/s；
稳定轧制阶段：控制芯辊与锥辊的进给速度，使其与环轧坯料的直径增长速度相匹配，使轧制过程快速、稳定进行，稳定轧制阶段轧制厚度值为整个轧制厚度变化量的60％；在此阶段的直径初增大率为8～15mm/s、直径终增大率为8～15mm/s、径向进给速率为0.15～0.5mm/s、轴向进给速率为0.08～0.3mm/s；
减速轧制阶段：径向和轴向进给速度减小，环轧坯料长大速率随之降低，减速轧制阶段轧制厚度值为整个轧制厚度变化量的10％；在此阶段的直径初增大率为8～15mm/s、直径终增大率为1～5mm/s、径向进给速率为0.05～0.5mm/s、轴向进给速率为0.02～0.2mm/s；
成形整圆阶段：仅进行径向轧制，轴向仅轧制由于径向轧制引起的宽展，在仅有径向轧制的过程中进行整圆，同时消除因回弹引起的尺寸误差，成形整圆阶段轧制厚度值为整个轧制厚度变化量的10％；在此阶段的直径初增大率为1～3mm/s、直径终增大率为1～3mm/s、径向进给速率为0.02～0.05mm/s、轴向进给速率为0～0.02mm/s；
(3.5)环件轧制结束后在封闭环境中进行冷却，冷却过程中控制各个部位冷却速率一致；
优选的技术方案是在步骤(3)中，轧制过程对主轧辊、芯辊、上锥辊、下锥辊、环坯的4个边角部位进行润滑，控制各个部位润滑均匀一致，控制环坯的表面温度在360～460℃。
(4)尺寸检测：对环轧成形的环件进行尺寸检测，获得满足质量要求的环件。具体的对车加工后的环形件进行尺寸检测的质量要求是环形件圆度≤5‰。
整体轧制过程中要求环件具备一定的整体刚度和圆度，才能保证轧制过程顺利进行。大直径薄壁铝合金圆环的整体刚度很弱，并且随着环件瞬时直径的增大而进一步减小，轧制过程中后段容易产生塑性失稳而丧失整体圆度，导致轧制过程无法继续，或椭圆度超差产生废品。特别是环件的直径越大、质量越重，其轧制过程的稳定性越难控制，对环件轧制工艺的控制要求就越高，因此在保证产品性能的基础上控制环轧过程的稳定性是超大直径铝合金整体环轧制生产的一项关键技术。环成形工艺参数对环锻件轧制过程的顺利进行和最终成形质量有着非常重要的影响，因此必须对环轧成形的各个阶段的工艺参数进行合理的分配和精确的控制。本发明提供的一种超大直径铝合金整体环的轧制生产方法，解决了超大直径铝合金环件轧制过程中的圆度和尺寸的精确控制、轧制缺陷的控制及产品性能的控制，实现了超大直径铝合金整体环的“形-性”的协同控制，满足整体环件使用性能的要求。
下面通过实施例具体说明本发明提供的一种超大直径铝合金整体环的轧制生产方法。
实施例1
用自由锻造方式制备外径为3965mm、内径为3224mm、高度为575mm的环轧坯料，车加工后经探伤检验合格后，放置于电炉中随炉加热，加热温度为445℃、保温时间12h。
将加热后的环轧坯料转移至环轧机采用Φ500mm芯辊进行第一火环轧，辗环至外径5130mm、高度510mm，然后对其进行回炉保温，保温温度446℃、保温时间2.1h；换Φ800芯辊进行第二火环轧，轧制工艺参数如下表所示，辗环至外径8760mm、内径8379mm、高度470mm，轧制工艺参数如下表所示。
经尺寸测量，环件圆度为19mm，小于5‰，符合技术指标要求。
实施例2
将外径为4100mm、内径为3300mm、高度为550mm的环轧坯料进行表面清理和探伤检验后，放置于电炉中随炉加热，加热温度为440℃、保温时间12.2h。
将加热后的环轧坯料转移至环轧机采用Φ500mm芯辊进行第一火环轧，辗环至外径5800mm、高度500mm，然后对其进行回炉保温，保温温度446℃、保温时间2.1h；换Φ800芯辊进行第二火环轧，轧制工艺如下表所示，辗环至外径9205mm、内径8812mm、高度460mm，轧制工艺参数如下表所示。
经尺寸测量，环件圆度为35mm，小于5‰，符合技术指标要求。