超薄型风电法兰双辗成型工艺的制作方法

本发明属于风电法兰成型技术领域，具体涉及一种超薄型风电法兰双辗成型工艺。

背景技术：

目前2MW低速风力发电机组逐步进入市场，因其制作成本低而受业主推崇，市场占有率逐年提高。该风机塔架中应用的塔架连接法兰为超薄型，最薄的法兰厚度只有55mm，由于低速风机的叶片较长，同等风速下塔架承受的弯曲、剪切等抗力成倍增加，这对法兰的综合力学性能提出更高要求。

超薄型法兰由于厚度薄，辗环轧制变形抗力相对小，刚性差，导致成形困难，非常容易出现翘曲、椭圆等轧制缺陷，毛坯合格率低。而且受上下锥辊之间的最小距离限制，超薄型法兰的毛坯高度要做到135mm才能满足辗环机的轧制要求，这使得原材料消耗过大，造成极大浪费。辗环成型原理参见说明书附图图1。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了超薄型风电法兰双辗成型工艺。采用两个超薄型法兰合为一体轧制的双辗工艺，轧制成型后采用火焰切割的方式将毛坯从高度方向上切分为两件，达到了一次辗环双件成型的目的，有效的提高了生产效率，同时降低了材料消耗、提高了超薄型法兰的毛坯合格率。

本发明是通过下述的技术方案来实现的：

一种超薄型风电法兰双辗成型工艺，将两个法兰毛坯设计在一个锻件中，一次辗环，同时成型两件毛坯，轧制成型后的毛坯采用火焰切割的方式从高度方向上切分为两件。

所述的超薄型风电法兰双辗成型工艺，步骤为 ，

（1）选材：法兰材质为S355NL （《EN10025-3 正火/正火轧制可焊接细晶粒结构钢》)或Q345E标准《GB/T1591 低合金高强度结构钢》；

（2）轧制工艺：

原材料经下料、加热、镦粗、冲孔、扩孔等工序，得到圆环状锻坯，锻坯内孔直径为∮500~∮800mm。

（3）切割：轧制完成后，毛坯空冷至室温，将毛坯吊至切割工装上，用氧乙炔火焰喷枪对正毛坯高度方向中心线，点燃火焰，调整气体压力，喷枪位置固定，毛坯在工装带动下转动一周，毛坯被从高度方向上切分为两件。

（4）热处理：切割后的毛坯经过正火+高温回火处理。

步骤（2）轧制工艺具体为：开坯后，采用径-轴向辗环机对环件的径向和轴向同时进行轧制，首先将工件套在芯辊上，主辊驱动，芯辊向主辊方向做径向直线进给运动，工件在主辊和芯辊形成的模腔中壁厚不断减小，同时在上下锥辊的压制下，高度不断降低，环件在摩擦力带动下转动，转动过程中，抱辊起到导向作用，保证环件稳定转动；锻坯材料不断通过模腔，实现连续不断的局部塑形变形，从而使环件直径不断扩大直至达到预定值，主辊和上下锥辊的运动停止，轧制过程结束。

步骤（2）轧制工艺参数为：

始辗温度：1230℃；终辗温度：850℃；

芯辊直径：∮320mm，主辊直径：∮1000mm；

芯辊每转进给量：0.7mm/s；

主辊线速度：1.3m/s。

步骤（3）切割参数：氧气压力：0.6-1.0Mpa；燃气压力：0.05-0.09Mpa；切割速度150-250mm/min。

步骤（4）热处理参数：

正火：炉温低于650℃装炉，以≤150℃/h的速度升温，至930℃保温3.5小时出炉，出炉后转入风场，吹风冷却至300℃以下，再装炉回火；

回火：以≤150℃/h的速度升温，至600℃保温4小时后出炉空冷。

毛坯高度中间部分留有火焰切割余量10mm，割缝与法兰成品之间留有加工余量13mm。

本发明的有益效果在于：采用两个超薄型法兰合为一体轧制的双辗工艺解决了辗环问题，轧制成型后采用火焰切割的方式将毛坯从高度方向上切分为两件，达到了一次辗环双件成型的目的。

本发明的超薄型法兰双辗成型工艺是一种先进、合理的生产工艺，应用于超薄型法兰的生产，既能够保证产品的内在质量，又能够降低材料消耗约15%左右，可大幅度降低生产成本，经济效益非常可观。辗环时锻坯刚度大，轧制过程稳定，毛坯成型良好，能够有效地避免椭圆、翘曲等不良毛坯缺陷，提高了毛坯合格率。

该工艺不仅能够应用于超薄型风电法兰的生产，还可以推广应用到其它各种低合金钢环形锻件中，是在环形锻件轧制行业中非常有应用价值的先进生产工艺。

附图说明：

图1所示为现有技术辗环成型示意图；

图2所示为本发明工艺制备的两个法兰合一的毛坯结构示意图；

图3所示为实施例3中检测试块取样位置示意图；

图4所示为实施例3中维氏硬度测定压痕排列示意图；

图5所示为实施例3中热影响区显微组织变化；

图6所示为实施例3中金相组织纵向×100显微图；

图7所示为实施例3中金相组织横向×100显微图；

图8所示为实施例4中典型超薄法兰示意图（单位：mm）。

其中，1-主辊，2-工件，3-芯辊，4-抱辊，5-上下锥辊，6-毛坯，7-法兰成品a,8-法兰成品b,9-割缝，10-工件余量，R为热影响区检测试块，取在割缝处。L为纵向力学性能检测试块，试样的中心距离锻件毛坯表面25mm；TR为横向力学性能检测试块；Z为轴向拉伸试块。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明，以便本领域的技术人员更了解本发明，但并不因此限制本发明。

实施例1

超薄型法兰现有成型工艺为单件辗环成型。

由于超薄型法兰净重≤1吨，因此单件辗环成型所需原材料的重量也较轻，一般≤2吨。原材料（一般为连铸圆钢或钢锭）经下料、加热、镦粗、冲孔、扩孔等工序，得到圆环状锻坯，锻坯内孔直径一般为∮350~∮600mm。

开坯后，采用径-轴向辗环机对环件的径向和轴向同时进行轧制。首先将工件2套在芯辊3上，主辊1驱动，芯辊3向主辊1方向做径向直线进给运动，工件2在主辊1和芯辊3形成的模腔中壁厚不断减小，同时在上下锥辊5的压制下，高度不断降低，环件在摩擦力带动下转动，转动过程中，抱辊4起到导向作用，保证环件2稳定转动。锻坯材料不断通过模腔，实现连续不断的局部塑形变形，从而使环件直径不断扩大直至达到预定值，主辊1和上下锥辊5的运动停止，轧制过程结束。

主要轧制参数：

始辗温度：1230℃；终辗温度：850℃

芯辊直径：∮320mm，主辊直径：∮1000mm

芯辊每转进给量：0.5mm/s

主辊线速度：0.8m/s

最大轧制力：≈46吨（以说明书附图图8典型超薄型法兰为例）。

现有工艺制备出的超薄型法兰由于厚度薄，辗环轧制变形抗力相对小，刚性差，导致成形困难，轧制效率低，而且非常容易出现翘曲、椭圆等轧制缺陷，毛坯合格率低（毛坯翘曲10mm-20mm;椭圆15mm-30mm）。而且受上下锥辊之间的最小距离限制，超薄型法兰的毛坯高度要做到135mm才能满足辗环机的轧制要求，这使得原材料消耗过大，造成极大浪费。

实施例2

一种超薄型风电法兰双辗成型工艺，将两个法兰毛坯设计在一个锻件中，一次辗环，同时成型两件毛坯，轧制成型后的毛坯采用火焰切割的方式从高度方向上切分为两件。

步骤为 ，

（1）选材：法兰材质为S355NL （《EN10025-3 正火/正火轧制可焊接细晶粒结构钢》)或Q345E标准《GB/T1591 低合金高强度结构钢》；

（2）轧制工艺：

超薄型法兰采用双辗成型的工艺生产，所需原材料的重量一般≥3.5吨。

原材料经下料、加热、镦粗、冲孔、扩孔等工序，得到圆环状锻坯，锻坯内孔直径为∮500~∮800mm。

开坯后，采用径-轴向辗环机对环件的径向和轴向同时进行轧制。首先将工件2套在芯辊3上，主辊1驱动，芯辊3向主辊1方向做径向直线进给运动，工件2在主辊1和芯辊3形成的模腔中壁厚不断减小，同时在上下锥辊5的压制下，高度不断降低，环件在摩擦力带动下转动，转动过程中，抱辊4起到导向作用，保证环件2稳定转动。锻坯材料不断通过模腔，实现连续不断的局部塑形变形，从而使环件直径不断扩大直至达到预定值，主辊1和上下锥辊5的运动停止，轧制过程结束。

轧制工艺参数为：

始辗温度：1230℃；终辗温度：850℃；

芯辊3直径：∮320mm，主辊1直径：∮1000mm；

芯辊3每转进给量：0.7mm/s；

主辊1线速度：1.3m/s。

最大轧制力：≈85吨（以图8典型超薄型法兰为例）

采用双辗工艺较单件成型毛坯重量增加，轧制高度增大，轧制变形抗力随之增大近一倍，轧制过程相对稳定，轧制后的毛坯6表面平整，无明显翘曲，椭圆度控制在5mm以内。

（3）切割：轧制完成后，毛坯6空冷至室温，将毛坯6吊至切割工装上，用氧乙炔火焰喷枪对正毛坯6高度方向中心线，点燃火焰，调整气体压力，喷枪位置固定，毛坯在工装带动下转动一周，毛坯6被从高度方向上切分为两件：法兰成品a7和法兰成品b 8。氧气压力：0.6-1.0Mpa；燃气压力：0.05-0.09Mpa；切割速度150-250mm/min。

（4）热处理：切割后的法兰成品a7和法兰成品b8经过正火+高温回火处理。

热处理参数：

正火：炉温低于650℃装炉，以≤150℃/h的速度升温，至930℃保温3.5小时出炉，出炉后转入风场，吹风冷却至300℃以下，再装炉回火；

回火：以≤150℃/h的速度升温，至600℃保温4小时后出炉空冷。

毛坯6高度中间部分留有火焰切割余量10mm，割缝9与法兰成品之间留有加工余量13mm。

请见说明书附图图2。

实施例3

法兰毛坯6切分后，经高温回火处理，距离切割面较远的区域火焰切割的热影响被完全消除，仅有距离法兰表面位置受切割热的影响比较严重，热影响区的性能与本体性能差别较大，如有热影响区残留在法兰成品本体上，将对法兰的力学性能造成极其严重的影响。为了求证热影响区的实际深度是多少，制定的加工余量是否能够完全去除热影响区，同时验证切割对本体的机械性能是否有影响，通过以下取样试验方案进行评定。

对于环形锻件来讲，由于原材料内部的偏析主要集中在中心部位，而且热处理过程中，中心部位的冷却条件也相对较差，因此环锻件的内孔部位是性能最差的部位,如果中心部位取样验证合格，则其他部分的性能均能满足要求，

因此在靠近毛坯6内孔的部位取样。取样位置如说明书附图图3所示。

图3中R为热影响区检测试块，取在割缝处。L为纵向力学性能检测试块，试样的中心距离锻件毛坯表面25mm；TR为横向力学性能检测试块；Z为轴向拉伸试块，L、TR、Z三个方向的试样数量及采用的试验方法列入表1。

表1 试验项目、试样数量、试验方法

。

其中，热影响区测定试样沿着毛坯6轴向（法兰高度方向）磨抛，用4%的硝酒精溶液对磨抛面进行侵蚀，然后在显微镜下观察磨抛面的显微组织，通过从切割面向厚度方向延伸区域内的显微组织变化，结合相应区域显微硬度梯度，从而确定热影响区的范围。

工艺评定结果

1、热影响区范围测定结果

1）维氏硬度测定结果

压痕排列示意图请见说明书附图图2所示。

热影响区显微硬度检测结果请见表2

表2

。

显微硬度检测结果显示，热影响区的深度≤5.16mm。

2）显微组织测定结果请见说明书附图图5所示

显微组织变化显示的热影响区深度约为5~6mm。本发明制定的机械加工余量为13mm，完全可以将热影响区去除干净。

2、机械性能检测结果

拉伸性能试验结果请见表3，冲击试验检测结果请见表4

表3

。

由表3检测结果可见，纵向试样、横向试样的拉伸性能均满足技术标准要求。

表4

。

由表4检测结果可见，纵向、横向冲击试样的检测结果均远远高于技术标准要求。

3、金相组织、晶粒度检测

显微组织检测图请见说明书附图图6、图7所示。

技术标准要求本体组织为铁素体+珠光体组织，晶粒度不低于6级。图6、图7中纵向、横向试样是在100倍显微镜下观察的显微组织图片，组织均为均匀细小的铁素体+珠光体组织，均匀一致，无粗晶、混晶现象，无明显带状组织，纵向晶粒度评定为9.6级，横向晶粒度评定为9.3级，远高于技术标准要求。

机械性能及金相组织检验结果表明，热影响区以外的本体组织正常、晶粒细小，法兰强韧性匹配优良，综合力学性能优异，双辗切割没有对法兰本体性能造成任何不良影响。

实施例4

材料消耗核算

以说明书附图图8所示典型超薄法兰为例，对单件辗环与双辗工艺的原材料消耗做比对，比对结果列入表5。

表5 原材料消耗对比表

。

由表中下料重量可见，单件辗环的需要原材料1925Kg,双辗工艺成型，双件下料3255Kg,平均每件需用原材料1628Kg，比单件辗环材料用量降低297Kg，约占总下料重量的15% 。

综上所诉，本发明的超薄型法兰双辗成型工艺是一种先进、合理的生产工艺，应用于超薄型法兰的生产，既能够保证产品的内在质量，又能够降低材料消耗约15%左右，可大幅度降低生产成本，经济效益非常可观。辗环时锻坯刚度大，轧制过程稳定，毛坯6成型良好，毛坯6椭圆、翘曲等不良缺陷控制在5mm以内，有效提高了毛坯6合格率。

该工艺不仅能够应用于超薄型风电法兰的生产，还可以推广应用到其它各种低合金钢环形锻件中，是在环形锻件轧制行业中非常有应用价值的先进生产工艺。