一、环形锻件简介
环件碾扩[10]（又称环件轧制，简称碾环）是一种连续局部近净成型工艺，通过碾环机对毛坯施加轧制力，实现毛坯壁厚减薄、直径扩大、截面轮廓成形，具有高效、节能、节材、产品精度高、组织性能好、生产成本低等显著优点。
随着我国风力发电、航空航天、核电、船舶等行业的迅速发展 ，3MW／5MW 风电塔筒连接法兰（轴与轴之间相互连接的环形零件）、火箭筒连接法兰、地面发射大回转支承装置、核岛蒸发器、核反应堆容器等大型装置急需直径6米以上的大型优质环件。但是，如今大型优质环件在应用成本及加工技术上还存在着很多限制与不足，成为制约风电、核电、航空航天等尖端技术发展的瓶颈因素。
二、我国锻件工艺现状及问题
我国从20世纪70年代开始研制大型数控辗环机，最早由济南铸造锻压机械研究所推出了 D53K-1800数控径轴向辗环机。用户单位是贵州安大锻造厂，达到了当时的国际先进水平。济南铸锻所从20世纪70年代至今，一直致力于数控径轴向辗环机和辗环工艺的自主研发，积累了丰富的设计制造经验，引领国内辗环机技术的发展。2008年研制的大型数控辗环机，径向轧制力4000kN， 轴向轧制力3150kN，可以轧制6300mm直径的环件，为目前国内最大规格。中国重型机械研究院有限公司设计制造的大型数控径轴向辗环机已成功轧制出我国航天事业急需的外径达5035mm的高性能精密铝合金环件和风电所需外径达4250mm的碳钢法兰。武汉理工大学以华林教授[2]为学科带头人的研究团队在大型环件径轴向轧制咬入条件、径轴向轧制锻透条件、径轴向轧制刚度条件等方面开展了深入研究，结合CAPP和CAD技术，开发出专门针对大型环件径轴向轧制的CAPP系统软件有力地促进了大型环件轧制理论和技术的应用主发展。西北工业大学杨合教授[11]所带领的精确塑性成形团队，开发了大型复杂环件热辗轧三维热力耦合宏微观变形精确成形过程三维有限元仿真模型，该模型考虑了辗环机的导向辊控制、径向轧制、轴向轧制三个关键系统，为大型环件辗环自动化提供了重要支撑。济南铸锻所及上述单位的研究成果基本代表了大型环件轧制的国内水平，但与国际领先水平相比，我国在主机优化技术、液压及电气控制技术、轧制软件、 自动化轧制水平等方面还存在差距，并且设备的加工能力有限。目前国产设备可轧制的最大环件直径为6300mm，超过 6300mm以上环件轧制的设备及工艺尚属空白。虽然配备了自动轧制控制系统和软件，但生产中基本上采用的是手动控制或半自动控制。辗环工艺、数值仿真等基础性研究虽然取得了一定成效，但与实际应用还有距离，难以形成对辗环机设计、制造的技术支撑。环件的质量稳定性差，加工余量比国外大1／3左右。
三、现行加工工艺及问题
超大型环件传统制造方法主要以铸造成形和焊接成形为主，铸造成形环件晶粒粗大，组织分布不均匀，而且存在缩松、气孔等空隙缺陷，产品力学性能差。焊接成形环件，焊缝区材料组织为铸态组织，且不均匀，产品性能和寿命非常有限。因此，传统的加工方法通常无法满足超大型环件承受重载、高冲击、超低温等恶劣工况所需的性能要求。
环件径轴向轧制[8]是生产直径1米以上大型无缝环件的一种先进塑性加工技术，可通过连续回转塑性变形在较短时间内即能获得几何精度高、组织性能优良的高性能环件。其成形原理如图1所示，驱动辊作主动旋转运动；芯辊作径向直线进给运动；上、下轴向锥辊作主动旋转运动和水平后退移动，同时上锥辊作向下的轴向进给运动；左、右导向辊始终保持紧贴环件外壁并随环件外径扩大平动运动，以保证轧制过程稳定和成形环件圆度。环件在上述轧辊的作用下，反复进入由驱动辊、芯辊构成的径向孔型以及上、下锥辊构成的轴向孔型，并产生连续局部塑性变形，经过多转轧制变形，环件壁厚和高度减小，直径增大，截面轮廓成形，最终获得符合几何形状尺寸的环件产品。相比传统制造技术，环件径轴向轧制具有成形几何精度高、材料浪费少、生产效率高、产品质量好等显著技术经济优点，已广泛应用于高性能大型无缝环件的加工制造。
我国引进该技术较晚，早期研发起点低且能力薄弱，导致实际生产缺乏理论指导，技术发展与应用缓慢。近年，随着国家重大机械装备制造业的发展，对高性能大型环件提出了迫切需求，但国内对超过6300mm以上超大型环件轧制工艺与装备研究几乎为空白，导致技术与产品长期被国外垄断，发展大型环件径-轴向轧制技术已刻不容缓。
