“┣”型截面環(huán)件軋制金屬流動規(guī)律

文/耿劍，李鵬，段輝·陜西宏遠(yuǎn)航空鍛造有限責(zé)任公司

“┣”型截面環(huán)件軋制金屬流動規(guī)律

文/耿劍，李鵬，段輝·陜西宏遠(yuǎn)航空鍛造有限責(zé)任公司

在傳統(tǒng)環(huán)件生產(chǎn)方法中，軋制成形生產(chǎn)占有很大比例，屬于一種成熟環(huán)件生產(chǎn)方法。

作為目前軋制工藝熱點的復(fù)雜截面環(huán)件軋制，雖然本質(zhì)上仍然是環(huán)件軋制，但是此類環(huán)件軋制又存在不同于傳統(tǒng)矩形截面環(huán)件軋制的特殊性，即軋制過程中存在金屬向型腔充填的過程，這一過程又可以理解為具備了模鍛成形的特征。但是，這種充填型腔的過程是在軋制過程中伴隨金屬直徑增大、逐漸完成的，這一過程如圖1所示。

圖1“┣”型截面環(huán)件軋制過程金屬充填示意圖

從圖1中可見，環(huán)件在軋制過程中逐漸充填型腔。所以復(fù)雜截面環(huán)件軋制可以定義為，其是一類帶有模鍛特征的特殊的環(huán)件軋制成形方法。這一方法能夠有效地提高環(huán)形件的質(zhì)量，并降低成本。

本文首先使用彈塑性有限元方法模擬徑軸雙向“┣”型截面環(huán)件在RAW 500-400/3000-700環(huán)軋機上軋制的成形過程，然后模擬相同規(guī)格的矩形件的軋制。通過對比兩類環(huán)件直徑增長過程，從而探索環(huán)形件軋制過程中金屬流動的基本規(guī)律，掌握環(huán)軋過程中金屬體積分配特征。

試驗基本數(shù)據(jù)及軋輥尺寸

“┣”型截面環(huán)件試驗件截面特征如圖2所示。

根據(jù)環(huán)軋過程，設(shè)計的“┣”型截面芯輥基本幾何尺寸如圖3所示。

圖3中，左端“┣”型截面芯輥大端直徑為φ180mm，型腔深為40mm，型腔寬度為80mm。環(huán)件軋制基本參數(shù)見表1。

圖2“┣”型截面環(huán)件圖

圖3 “┣”型截面芯輥尺寸

表1“┣”型截面環(huán)件基本數(shù)據(jù)（單位：mm）

有限元模型

本模型直接使用ABAQUS6的前處理模塊直接進(jìn)行建模。由于軋制時間較短，約為30s，忽略軋制過程中溫度的影響。為了減少運算量將各個軋輥按離散剛體處理。

環(huán)坯使用彈塑性材料模型模擬，其基本材料參數(shù)為：密度ρ=7.8g/cm3，彈性模量E=210GPa，泊松比ε=0.3，屈服應(yīng)力為σb=1220MPa。按上述參數(shù)對該環(huán)件軋制過程建模并網(wǎng)格劃分，得到基本有限元模型如圖4所示。

圖4“┣”型截面有限元網(wǎng)格

環(huán)軋運動學(xué)分析及參數(shù)

環(huán)件軋制過程總體來看分為三個階段，即環(huán)件咬入建立軋制過程階段、穩(wěn)定軋制階段和軋制結(jié)束環(huán)件滾圓階段。

在環(huán)軋過程的各個基本參數(shù)一定的條件下，本試驗將采用以下參數(shù)對環(huán)軋過程進(jìn)行控制。軋制時間為28s，其中咬入過程持續(xù)3s，穩(wěn)定軋制23s，滾圓2s。主輥轉(zhuǎn)速恒定為1.8r/s。芯輥咬入階段進(jìn)給為4mm/s。

按照一般軸向復(fù)雜截面環(huán)件的軋制特點，錐輥的軸向運動相對比較小，僅提供平整端面的作用，本模擬試驗以0.05mm/s軋制速度，使得錐輥進(jìn)給量約為1.5mm。

環(huán)軋模擬結(jié)果分析

經(jīng)過計算機計算，該截面軋制將φ420mm×φ200mm×180mm環(huán) 坯 軋 制 成 為φ570mm×φ455mm×180mm（腹鰭尺寸80mm×30mm）。計算結(jié)果如圖5所示。

圖5“┣”型截面環(huán)件軋制結(jié)果

圖5所示芯輥型腔填滿，環(huán)件尺寸達(dá)到軋制要求。

關(guān)于“┣”型截面環(huán)件軋制詳細(xì)過程為：初始0～3s是咬入階段，3～26s穩(wěn)定軋制階段，26～36s為滾圓階段，各階段分布明顯。軋制過程中內(nèi)臺階隨軋制過程向內(nèi)生長，應(yīng)變分布與實際結(jié)果相符合。整體變化與圖1所示相同。軋制過程中環(huán)件中部變化較小，應(yīng)變集中在環(huán)件與軋輥接觸部位。

應(yīng)變分析

圖6為“┣”型截面環(huán)件軋制結(jié)束時的應(yīng)變分布截面圖。

圖6環(huán)件軋制結(jié)束時應(yīng)變分布圖

圖6中所示上面部分為環(huán)件的俯視視圖，下面部分是環(huán)件的截面視圖。從中可見，該截面環(huán)件軋制成形后，應(yīng)變分布不均勻，中間腹鰭部位的應(yīng)變較小，范圍在0.45～1.2之間，平均應(yīng)變?yōu)?.813。環(huán)件上下端面部位應(yīng)變相對較大，在1.5～12之間，平均應(yīng)變超過10。所以在“┣”型截面環(huán)件軋制過程中，應(yīng)變接觸部位主要集中在環(huán)件與軋輥接觸的部位。一區(qū)域是“┣”型截面環(huán)件軋制成形的主要區(qū)域。

對該環(huán)形鍛件的應(yīng)變進(jìn)行分析，能夠了解不同部位在軋制過程中的變形情況，明晰環(huán)軋過程中金屬流動過程。鑒于本環(huán)件的對稱性，將按圖7所示進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖7中1、2、3點為環(huán)坯內(nèi)壁點，4、5、6點為中截面點，7、8、9點為外壁點。根據(jù)軋制不同時間點，取上述各個點處應(yīng)變值能夠有效反應(yīng)環(huán)件軋制過程中金屬變形情況。圖8為9個點位應(yīng)變變化圖。

圖7取樣點示意圖

圖8應(yīng)變隨時間變化圖

圖8所示，1～9各個點位的應(yīng)變分布都呈增大趨勢，在變形后期由于受到“凹坑”的影響導(dǎo)致9點的應(yīng)變變化較小。

其中變化比較明顯的是處于環(huán)坯內(nèi)外兩側(cè)頂端點1和點7，其中點1的變化最大，是“┣”型截面環(huán)件軋制過程中內(nèi)外側(cè)上部與軋輥接觸部分，是環(huán)件變形較大的部分，也是環(huán)件金屬流動較劇烈的地方。點2處的應(yīng)變比點7略小，點2處于環(huán)件軋制過程中型腔突起處，該處為環(huán)件的分型面，金屬在該處進(jìn)行分流，所以點2處應(yīng)變較大。

4、5、6三點處于環(huán)坯的中性面，由于環(huán)件軋制過程中，需要填充型腔，所以環(huán)件在這三點處的應(yīng)變較小，其中處于環(huán)坯頂部的點4處變化較大，點5和點6的變化較小。點8和點9處于環(huán)件外側(cè)，該處位置是環(huán)件的凹坑缺陷處，所以應(yīng)變受到金屬流動的影響，變化較小，但是點8處比點9處略大。點3是環(huán)件型腔的中心點，也是凸臺點，雖然其數(shù)值是增大的，但是其應(yīng)變變化卻很小。

由環(huán)件的內(nèi)部特征點應(yīng)變隨時間變化規(guī)律可見，在“┣”型截面環(huán)件軋制過程，金屬需要充填型腔，這大大影響環(huán)件的軋制，同時金屬軋制過程，也是金屬向型腔充填的過程。

“┣”字型截面環(huán)件軋制缺陷

由圖9可知，“┣”字型截面軋制過程中出現(xiàn)的軋制缺陷比較明顯。其中包括外壁中部出現(xiàn)“凹坑”，以及鍛件上下端面出現(xiàn)“魚尾”，這一特點與環(huán)件軋制過程相符合。魚尾、凹坑缺陷如圖9所示。

圖9環(huán)件軋制基本軋制缺陷示意圖

對比試驗分析

由于“┣”型截面環(huán)件，軋制過程中出現(xiàn)的凹坑和魚尾兩類鍛造缺陷。從整體環(huán)件變化的角度分析，是由于環(huán)件軋制區(qū)域集中在環(huán)件上下兩部分。如圖10所示的a、c兩區(qū)域。b區(qū)域，即中部型腔區(qū)域，在軋制變形中是受軋制區(qū)域的影響，直徑增大。而在軋制過程中，主軋制區(qū)與型腔區(qū)之間相互影響，使得“┣”型截面環(huán)件的軋制過程變得比較復(fù)雜，其中充填型腔是在軋制過程中逐步實現(xiàn)的，所產(chǎn)生的凹坑缺陷與軋制過程緊密相關(guān)。

圖10軋制區(qū)域示意圖

魚尾缺陷是環(huán)件軋制過程中，環(huán)件在軸向受壓，同時在軸向上處于連續(xù)運動狀態(tài)下所引起的缺陷。為了明確上述觀點，將設(shè)計以下對比試驗。

同規(guī)格矩形件軋制，各個工件沿用復(fù)雜截面件軋制工件，尺寸不變。將芯輥換成無型腔的芯輥，進(jìn)行軋制。以芯輥直徑┣”型截面環(huán)件最大最小直徑為基準(zhǔn)，所以該芯輥尺寸分別為φ180mm和φ100mm。

按照上述方法對三種規(guī)格的芯輥軋制過程分別進(jìn)行計算。經(jīng)過計算該復(fù)雜截面環(huán)件軋制過程完成。其結(jié)果是，將φ420mm×200mm×180mm環(huán)坯軋制成為“┣”型截面環(huán)件φ570mm×φ455mm×180mm（腹鰭尺寸80mm×30mm）；以及矩形1件φ630mm×φ511mm×171mm，和矩形2件φ649mm×φ532mm×172mm，計算結(jié)果如圖11所示。

圖11所示為環(huán)件軋制結(jié)束時，環(huán)件的等效塑性應(yīng)變的徑向剖面視圖和軸向視圖。

從環(huán)件應(yīng)變來看，“┣”型截面環(huán)件大部分變形區(qū)域集中在軋輥接觸部位，而環(huán)件中間部分受到型腔的影響，變形小，與兩側(cè)軋制區(qū)域相比差別較大。對于矩形截面環(huán)件變形集中在內(nèi)外兩側(cè)，中間部位變形較小。這說明對于“┣”型截面環(huán)件的軋制而言，型腔的存在對該環(huán)件軋制影響是很大的，與普通環(huán)件軋制存在著明顯的不同。

圖11環(huán)件軋制結(jié)果對比圖

對比試驗中環(huán)件直徑變化及其特點

我們將對能夠反應(yīng)三件環(huán)件的特征點進(jìn)行取樣，并按照不同軋制的時間點對其直徑進(jìn)行測量，通過對比環(huán)件軋制過程中直徑方面的變化，分析金屬流動規(guī)律。

對于“┣”型截面環(huán)件將按圖7所示位置取特征點，并測量其直徑變化。對于矩形截面環(huán)件，考慮到其所具有的輪換對稱性，將按圖12所示位置取特征點，并測量該位置直徑變化。對于矩形件所使用的不同的軋輥尺寸將用1和2加以區(qū)別，即φ180mm芯輥軋環(huán)件的取樣點將用a1、b1、c1，與φ100mm芯輥軋環(huán)件a2、b2、c2相區(qū)分。

圖12兩組矩形環(huán)件取點位置

環(huán)件直徑變化分析及規(guī)律

測量環(huán)件直徑在軋制過程中的變化，并繪制軋制時間與直徑變化圖，具體如圖13（a）、（b）所示。

（a）“┣”型截面環(huán)件

圖13各取樣點直徑變化圖

圖中可見，環(huán)件直徑在軋制過程中均增大，圖中所示兩組矩形截面環(huán)件直徑增加相似，較“┣”型截面環(huán)件直徑變化大。軋制初期矩形環(huán)件和“┣”型截面環(huán)件直徑方面都增加，而“┣”型截面環(huán)件直徑增加略小；環(huán)件軋制后期（18～28s），隨著“┣”型截面環(huán)件型腔充填的深入，導(dǎo)致直徑變化急劇減小。

由于圖中曲線較多，容易混淆。所以將把各個直徑變化曲線按照取點的位置不同進(jìn)行分類，橫向?qū)Ρ拳h(huán)件的直徑變化。通過對圖片對比分析，可以發(fā)現(xiàn)下述幾個規(guī)律：

⑴矩形環(huán)件直徑變化較大，而“┣”型截面環(huán)件直徑變化較小。

⑵在軋制前期和中期，直徑變化都呈上升趨勢，矩形環(huán)件增加比“┣”型截面環(huán)件增加明顯。

⑶軋制后期矩形截面環(huán)件直徑增加明顯，而“┣”型截面環(huán)件，出現(xiàn)明顯的軋制平臺，直徑變化突性降低。

同時，對比三個環(huán)件的軋制，使用相同軋制工藝參數(shù)，雖然芯輥直徑大小不同，但是軋制矩形件中所獲得的直徑變化數(shù)據(jù)基本相同，而“┣”型截面環(huán)件軋制過程中直徑變化卻相對較小，且隨著軋制過程的深入，會出現(xiàn)直徑變化突性降低點。這反映出，“┣”型截面環(huán)件軋制與普通矩形件的軋制存在著很大差別，不僅存在“┣”型截面環(huán)件軋制所特有直徑變化規(guī)律。

通過上述分析可見，凹坑軋制缺陷的產(chǎn)生與這一過程緊密相關(guān)。出現(xiàn)這種情況的主要原因是“┣”型截面環(huán)件，金屬需要充填型腔，而充填型腔是在軋制過程中逐步完成的。充填軋制過程中對型腔的充填，對環(huán)件直徑的增長起到了阻礙作用，導(dǎo)致直徑增加相對較小，隨著軋制過程的深入，環(huán)件中部對軋制過程的影響就越來大。

綜上所述，在“┣”型截面環(huán)件軋制過程，金屬需要充填型腔，這大大影響環(huán)件的軋制，同時金屬軋制過程，也是金屬向型腔充填的過程。

結(jié)束語

本環(huán)件模擬計算結(jié)果能夠較好地模擬環(huán)件軋制過程，真實地反應(yīng)“┣”型截面環(huán)件軋制過程中腹鰭的生長過程。同時，通過分析該環(huán)件軋制過程中應(yīng)變分布和直徑變化規(guī)律以及分析對比環(huán)件直徑變化，發(fā)現(xiàn)該類型環(huán)件軋制過程的基本規(guī)律。

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耿劍，技術(shù)中心任主管工程師，研究方向為高溫合金及難變形結(jié)構(gòu)材料加工方法。