一、研究的背景与问题

优特钢、钛钽铌钨钼铜铝等特种合金棒线材广泛应用于航空航天、航母舰船、轨道交通等领域军民两用装备特种结构及关键部件，是保障国家工业化和国防现代化的重要基础材料。我国特种合金棒线材60%依靠进口，剩下40%依靠进口精密轧机方能满足性能指标要求。对我国传统配备了常规粗轧、中轧、精轧机组的轧线而言，只能满足前端坯料粗轧，有极少精密轧机也是较落后的两辊轧制，难以满足特种合金棒线材轧制精度要求（1/6-1/8DIN10060/1013）。特种合金棒线材的精密轧制已成为关键瓶颈技术。

相比二辊轧制，三辊轧机具有高扭矩、高抗力、窄温区等特点，在轧制精度、产品表面质量等方面具有突出优势。1954年，德国KOCKS公司推出用于轧制棒线材的三辊轧制技术，其轧制精度可达0.02mm，迅速得到了业界认可。自2001年大冶特钢引进第一套三辊减定径机组起，国内钢铁企业已累计引进37套精密轧机。该装备一直被国外垄断，采购周期长和维护费高；更为严重的是，该进口装备在关键部件上设置安装了“轧制控制系统响应的应答器”，一旦因国际关系紧张，已有进口装备将面临瘫痪。因此，迫切需要特种合金棒线材全三辊连续减定径数控轧制机组国产化替代。但其国产化面临诸多挑战：1）研发设计难：轧制机组包含部件多、涉及学科门类多、精度影响因数多、研发参考资料少；2）加工制造难：轧制机组结构复杂、零部件形状特异、尺寸精度要求高、装配工序长与装配控制点多；3）过程监测控制难：多级联动结构衔接匹配难、空间受限且监测位点多、轧制工艺变化多与控制程序复杂。

受攀钢、宝特长材、东北特钢等钢铁企业委托，自2009年以来，我单位进行减定径机零部件及机组研发制造。在2009年至2012年期间，研发了360管线/370/370++可调轧机、导卫、传动联轴器等可调轧机核心部件，并成功应用于宝特长材、南钢、黑龙江建龙钢铁等单位，替代了进口设备的关键轧制部件。在研发零部件过程中，除了熟悉零部件的加工工艺外，还对轧机结构进行了研究，提高了轧制装备的认识。上述开展的前期工作，为特种合金及优特钢棒线材三辊减定径数控轧制机组研制及应用奠定了丰富的理论与实践基础。

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图1 二辊轧机与三辊精密轧机对比及其瓶颈难题

二、解决问题的思路与技术方案

本项目在国家及省部级科研项目的支持下,采用“能源信息+智能制造”的策略，从“机组结构设计”、“关键零部件增强”、“轧制过程实时检测”、“闭环调节控制应用”四个方面开展高精密数控可调轧制的技术攻关，完成了国内首套高端金属特种合金棒线材全三辊连续减定径数控轧制机组研制，在宝特长材、中信特钢、俄罗斯NTMK等30余家企业实现了成套装备的大规模应用。

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图2 本项目技术路线图

主要技术方案：

（1）三辊减定径机关键技术及研制：壳体的设计和加工精度优化、高精度调整偏心套组件设计、材料选择与制造工艺开发、长轴组件材料和热处理工艺研究、张力棒（拉杆）的材料分析与热处理工艺以及轧机装配工艺的精细化和标准化。这些研究内容涉及到轧机核心零部件的研制和性能提升，确保了轧机设备运行的高精度和稳定性。

（2）滚动导卫的关键技术及研制：传动部件的参数设计、布局、动载荷校核，核心部件材料与制造工艺的选择，包括导卫壳体、传动零件、行星小齿轮与中心齿轮组件的材料和工艺优化。研究内容还包括连杆机构和驱动调节机构的材料选择与制造工艺优化，以及三辊滚动导卫的装配、调试工艺。完成了冷却与润滑系统的设计与优化，提高了导卫的使用寿命、稳定性和整体性能。

（3）一进三出独立传动技术及研制：三个轧辊的同步性通过电气控制系统实现同步，同时具有快速与轧机驱动轴脱开与连接，脱开的方式通过液压控制带动伸缩联轴器上下移动实现。研究内容涉及动力分配、减速机壳体漏油问题、螺旋弧形伞齿轮的加工制造、主动轴防腐蚀、润滑回油系统设计、润滑油路分析以及膜片联轴器的设计制造和装配。特别关注了膜片组件的材料选择、铰制螺栓的设计与加工工艺、装配工艺、快速分离与脱开结构设计以及限矩式安全模块的研制，以确保传动系统的稳定性、安全性和高效性。

（4）机组结构件的拓扑分析及结构设计优化：通过薄弱环节加固与强化系列关键技术，确保了K形架体、基座、关节座等关键结构件保持其强度、刚度、稳定性和安全性，并降低了设备重量，安全系数提高了8-10倍。

（5）装配关键技术及装备研制：具体研究了旋转液压工作台的旋转平台组件、旋转臂组件和底盘组件的构成和功能，以及液压机械手在机架辊环拆卸与更换过程中的操作流程。超高压油站的研发，涉及行走小车、机械手和液压系统的设计，以及500MPa液压增压器的突破性研发，以满足轧辊装拆的超高压力需求。研究还解决了液压系统密封和高压力部件的技术难题，实现了辊环的高效更换，提高了生产效率和安全性。

（6）L-Test光学测试关键技术及研制：研制了光测架和高倍工业相机捕捉孔型图像的硬件设备，开发了圆心与基准位置偏差的计算拟合系统，实现了轧辊与导卫的精确调控。配合辊系盒装配高精度调整，实现轧辊孔型的高精度调整。

（7）轧制过程实时监测关键技术及研制：研发了三辊轧制机组的在线检测反馈调整系统，研制了轧制机组受力状态的无源传感系统，实现了轧机位置、锁紧状态和安装垂直度的实时监测与控制；

（8）智能控制与轧制工艺配置关键技术及研制：开发了轧制孔型连续变径数学模型、轧机位移与振动模态无源自供电智能监-控闭环反馈一体化融合YIMICON数控轧制大数据系统，厘清了数十道次减定径连续变载压下轧件连续变形与轧制堆拉失衡之间的数据关系，建立了数十万高端金属特种合金棒线材轧制数据库，设计了孔型参数数据库和工艺过程参数计算程序，优化了轧制程序表；研发了孔型光学检测软件及算法，开发了基于实时监测反馈的轧辊微调技术，提高了优特钢棒材轧制成品的截面形状精度。

主要技术指标：

三、主要创新性成果

1.研制了全三辊连轧高刚度与高减振减定径机-滚动导卫、微米级高精度偏心可调辊系和“一进三出”三轴高同步传动系统，确保了每道次三轧辊间的高对称同步无差速与轧制力均匀，实现了轧件周径向均匀变形、精确压下量和无扭轧制，提升了特种合金棒线材轧件成品的尺寸精度（1/6～1/8DIN）和表面质量（Ra<6.3），解决了高精度轧制中心线重合难题（±0.01mm）。

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图3 导卫系统及“一进三出”精密齿轮传动系统

2.发明了500MPa超高压液压装配设备关键技术，突破了国产液压系统长期低于300MPa的技术瓶颈，为系列吨级非标异形传动联接部件快捷高效装拆提供了“大力士机械手”，解决了难变形特种合金窄温区变形高效轧制条件下的减定径机紧凑结构设计需适应轧辊高精密快捷装配和轧辊大扭矩输出的关键技术难题。

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图4?轧制机组异形零部件的高精密加工和自研装配设备

3.开发了轧制孔型连续变径数学模型、轧机位移、辊缝设定与振动模态无源自供电智能监-控闭环反馈一体化融合YIMICON数控轧制大数据系统，厘清了数十道次减定径连续变载压下轧件连续变形与轧制堆拉失衡之间的数据关系，解决了高直线度特种合金棒线材的轧制中心轧辊“同心对准”与多架减定径机轧制过程“同轴对齐”关键技术难题。

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图5?轧辊“同心对准”及减定径机“同轴对齐”的高效监测及轧制状态解耦技术

本项目装备与德国KOCKS公司进口装备技术指标对比

四、应用情况与效果

本项目成套装备获评重大技术装备“国内首台套”认证，获授权发明专利20余项，实用新型专利80项，形成中国中小商业企业协会团体标准1项、企业标准2项，直接经济效益近43.6亿元，在宝特长材、中信特钢、俄罗斯NTMK等30余家企业实现了成套装备的大规模应用，轧制产品已超203万吨，市场经济价值高达1234亿元。以东北大学王国栋院士为专家组长的科技成果评价：“项目核心技术自主可控，填补国内空白，总体技术处于国际先进水平”，对推动我国优特钢、钛钨钼等特种合金国家战略新材料发展具有重要意义。

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图6?全三辊连续减定径数控轧制机组在国内多家大型企业的大规模应用

信息来源：西南交通大学