环件径-轴双向轧制工艺是通过径向和轴向轧辊进给,使得环件截面成形,直径扩大的无缝环件先进制造工艺。径-轴向环件轧制主要用于生产大型和超大型直径环件。与大型环件的传统生产工艺比,大型环件的径轴向轧制工艺具有生产效率高、生产成本低、环件产品质量精度高、节省材料和能量等特点,已经在航天航空、机械、冶金、火车、化工、能源等许多工业领域得到了广泛的应用。环件径-轴向轧制工艺已经出现近两百年,但由于其过程的复杂性,国内很多企业在环件轧制工艺设计时仍然大量采用试错方式,造成巨大的时间、人力和物力浪费。主要体现在:1)对于给定的环锻件,环件毛坯设计无据可依,需要反复试制来确定毛坯形状,开发周期长,效率低;2)环件轧制进给设计不当,轧制过程稳定性差,废品率高。尤其在异形截面环件轧制中,经常出现环件截面充型不足,环件直径过大,环件径向翘曲、折叠等缺陷。为解决环件径-轴向轧制工艺毛坯设计和进给设计问题,本文以一典型的锥形法兰环为研究对象,开展了如下工作:①讨论了基于电场法的材料预成形设计原理,首次将电场法应用于锥形法兰环毛坯定性设计,通过电场模拟中的等势线,定性获取了锥形法兰环毛坯截面形状。②将电场法获得的定性毛坯截面参数化,采用中心复合试验设计和有限元数值分析方法,获得了以截面填充率为目标,以毛坯截面尺寸为变量的响应面,确定了合理环件毛坯尺寸范围。③分析了锥形法兰环的截面填充规律、截面填充不满缺陷及原因,在响应面的基础上生成了环件毛坯截面填充缺陷分布图。分析了不同毛坯下轧制过程中轧制力和应变的变化情况,认为初始毛坯截面形状对轧制力和应变的变化规律没有明显的影响。④探讨了不同进给速度对环件截面填充、轧制力、环件变形均匀性和温度均匀性的影响,认为大的进给速度有利于环件截面充型、环件变形均匀性和温度均匀性的提高,但最大轧制力也会相应增加。⑤确定了该锥形法兰环的具体轧制工艺,包括毛坯尺寸和进给曲线,完成了环件轧制生产试制,从最终环件截面形状和微观组织验证了该轧制工艺设计的合理性和可行性。本文结合电场法和试验设计方法,对环件毛坯进行定性分析和定量计算,可以在较小的有限元计算成本前提下,较快地获得优化的毛坯尺寸,从而提高工艺开发的时间。该方法具有一定的普适性,可以推广到其他异形截面环件的毛坯设计中。