环件辗扩工艺作为生产无缝环形零件的先进制造技术,在航空航天、火车、能源等高科技领域有着广泛的应用。然而传统的环件热辗扩工艺流程为冶炼钢锭—加热开坯—加热镦粗冲孔—热辗扩成形,该工艺流程冗长,加热次数多,浪费材料和能源。本文提出一种利用铸造环坯直接热辗扩成形制造环形零件工艺,与传统工艺相比,能够节约材料,降低能耗,提高生产率和经济效益,具有非常好的推广、应用前景。本文采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的方法对环形铸坯热辗扩成形工艺进行了系统的研究,主要研究内容和结果如下:对环形铸坯热辗扩工艺的辗扩成形条件、运动条件、工艺参数和关键问题进行了理论分析,确定了辗扩工艺参数的选择依据和极限范围,在热辗扩成形过程中需要通过合理调节工艺参数细化铸态组织晶粒,提高产品的机械性能。基于DEFORM模拟软件,建立了铸造环坯热辗扩成形过程的热力耦合模型和铸态42CrMo钢微观组织演变模型,对铸造环坯热辗扩工艺进行了有限元数值模拟,发现环件的等效应变和微观组织演变呈现环带状分布,内外层为大变形区,晶粒细化明显,变形程度较小的环件中层晶粒组织相对粗大。模拟分析了不同芯辊进给速度和初始辗扩温度对辗扩变形和微观组织演变的影响,结果表明,在满足辗扩成形条件和设备允许的范围内,芯辊进给采用变速运动,适当增大稳定辗扩阶段速度,可使变形更加均匀,晶粒细化效果好,提高了环件的辗扩质量和生产效率;随着初始辗扩温度的上升,环件变形更加均匀,径向辗扩力降低,但当温度超过1150℃后晶粒急剧长大。在D53K-4000数控径向-轴向辗环机进行铸造环坯热辗扩工艺试验,环件径向辗扩力和微观组织分布与模拟结果比较吻合,辗扩件的形状尺寸精度比较高,强度、韧性达到了锻件要求。本文的研究对铸造环坯热辗扩成形过程中工艺参数的优化、成形件质量预测与控制提供了理论依据,为大型环件短流程铸辗复合成形新工艺的开发奠定基础。