大型環(huán)件徑軸向軋制成形技術(shù)研究和應(yīng)用

文/華林，韓星會(huì)·武漢理工大學(xué)湖北省現(xiàn)代汽車(chē)零部件技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

大型環(huán)件徑軸向軋制成形技術(shù)研究和應(yīng)用

文/華林，韓星會(huì)·武漢理工大學(xué)湖北省現(xiàn)代汽車(chē)零部件技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

軋制原理與特點(diǎn)

大型環(huán)件徑軸向軋制的工作原理如圖1所示，軋制過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)輥在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下繞自身軸線(xiàn)作主動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，芯輥在液壓裝置作用下作徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和從動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，上下軸向錐輥在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下作主動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、在液壓裝置作用下作跟隨軋制運(yùn)動(dòng)，同時(shí)上軸向錐輥還在液壓裝置作用下作軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)向輥在液壓裝置作用下從環(huán)件的兩側(cè)以一定的壓力抱住環(huán)件，以保證軋制過(guò)程的穩(wěn)定性和成形環(huán)件的圓度。環(huán)件在各軋輥的作用下連續(xù)不斷地通過(guò)由驅(qū)動(dòng)輥與芯輥構(gòu)成的徑向孔型和由軸向錐輥構(gòu)成的軸向孔型，產(chǎn)生壁厚減小、高度減小、直徑擴(kuò)大、截面輪廓成形的連續(xù)局部塑性變形，當(dāng)環(huán)件的直徑和高度達(dá)到預(yù)定尺寸時(shí)，芯輥和上軸向錐輥停止進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)整圓后整個(gè)軋制過(guò)程結(jié)束。

圖1 大型環(huán)件徑軸向軋制原理示意圖

軋制成形有限元模擬

武漢理工大學(xué)對(duì)大型環(huán)件徑軸向軋制靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、幾何學(xué)和動(dòng)力學(xué)等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究。根據(jù)環(huán)件在徑向孔型和軸向孔型受力變形的特點(diǎn)，分別建立了環(huán)件徑向孔型和軸向孔型力學(xué)模型，通過(guò)幾何學(xué)、靜力學(xué)、塑性力學(xué)分析計(jì)算，建立了滿(mǎn)足環(huán)件咬入徑、軸向孔型并被塑性穿透的力學(xué)穩(wěn)定條件。通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)、幾何學(xué)分析計(jì)算，推導(dǎo)出環(huán)件高度和壁厚減小速度、外徑擴(kuò)大速度，以及旋轉(zhuǎn)速度的合理范圍，建立了環(huán)件運(yùn)動(dòng)學(xué)穩(wěn)定條件?；谄?jīng)_頭壓入有限高板條模型，結(jié)合滑移線(xiàn)理論和變形功理論，建立了徑向和軸向軋制力、軋制力矩以及電機(jī)功率等力能參數(shù)設(shè)計(jì)方法。

然而，大型環(huán)件徑軸向軋制涉及直線(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)軋制運(yùn)動(dòng)、導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)以及環(huán)件自身的轉(zhuǎn)動(dòng)和直徑擴(kuò)大運(yùn)動(dòng)，而且軋制過(guò)程是時(shí)變的，具有高度的幾何非線(xiàn)性、物理非線(xiàn)性和接觸非線(xiàn)性，這使得其物理力學(xué)機(jī)制變得極為復(fù)雜，單純采用理論解析和試驗(yàn)的方法很難解決大型環(huán)件徑軸向軋制所面臨的問(wèn)題，而采用有限元模擬可以實(shí)現(xiàn)大型環(huán)件徑軸向軋制過(guò)程全方位的虛擬仿真，獲得成形過(guò)程中全方位的過(guò)往信息，為大型環(huán)件徑軸向軋制成形工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)和過(guò)程控制提供指導(dǎo)和依據(jù)。

圖2 大型環(huán)件徑軸向軋制成形全過(guò)程有限元模擬模型

有限元模擬模型的建立

解決了算法確定、熱力耦合處理、材料建模、動(dòng)態(tài)邊界條件處理、網(wǎng)格優(yōu)化設(shè)計(jì)控制、導(dǎo)向輥?zhàn)赃m應(yīng)控制建模、錐輥運(yùn)動(dòng)軌跡確定等建模關(guān)鍵技術(shù)，建立了鐓粗→沖孔→落料→整平→軋制全過(guò)程有限元模擬模型，如圖2所示，為大型環(huán)件徑軸向軋制過(guò)程提供了先進(jìn)、可靠的仿真平臺(tái)。

軋制過(guò)程變形規(guī)律

利用可靠的有限元模擬模型，系統(tǒng)研究鐓粗→沖孔→落料→整平→軋制全過(guò)程中環(huán)件應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、晶粒尺寸、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)、靜態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)的分布和演化規(guī)律，并揭示了各種工藝參數(shù)對(duì)大型環(huán)件徑軸向軋制全過(guò)程宏觀(guān)變形、組織演化的影響規(guī)律。全過(guò)程模擬中坯料的溫度分布如圖3所示，坯料的晶粒尺寸分布如圖4所示。

圖3 全過(guò)程模擬中坯料的溫度分布

圖4 全過(guò)程模擬中坯料的晶粒尺寸分布

徑軸向軋制工藝

大型環(huán)件徑軸向軋制工藝規(guī)程如圖5所示，大致可分為以下5個(gè)階段：

⑴預(yù)軋制階段，以較低的進(jìn)給速度對(duì)毛坯進(jìn)行預(yù)整形，消除毛坯的不圓度和壁厚差，使毛坯順利咬入孔型。

⑵加速軋制階段，毛坯咬入孔型后，逐漸增加進(jìn)給速度，使環(huán)件較快被塑性鍛透而產(chǎn)生整體軋制變形。

⑶穩(wěn)定軋制階段，進(jìn)給量達(dá)到設(shè)計(jì)值后，保持一定的進(jìn)給速度進(jìn)行軋制，使環(huán)件產(chǎn)生穩(wěn)定的變形。

圖5 大型環(huán)件徑軸向軋制工藝規(guī)程

⑷降速軋制階段，環(huán)件經(jīng)過(guò)穩(wěn)定軋制階段軋制變形后，幾何和運(yùn)動(dòng)參數(shù)變化較大，剛性下降，為了防止環(huán)件幾何運(yùn)動(dòng)變化太劇烈而引起振動(dòng)和剛性失穩(wěn)，逐漸降低進(jìn)給速度，控制軋制穩(wěn)定性。

⑸整形定徑軋制階段，當(dāng)環(huán)件尺寸接近預(yù)設(shè)尺寸時(shí)，逐漸降低進(jìn)給速度到一個(gè)較小值進(jìn)行軋制，防止環(huán)件直徑慣性軋制超差，并對(duì)環(huán)件進(jìn)行整形，減小環(huán)件的橢圓度、壁厚差和端面不平整度。

大型環(huán)件徑軸向軋制工藝規(guī)程設(shè)計(jì)，除了需要合理分配軋制過(guò)程5個(gè)階段的進(jìn)給量和進(jìn)給速度外，還應(yīng)匹配設(shè)計(jì)徑向和軸向軋制進(jìn)給量的比例。典型的徑軸向軋制進(jìn)給曲線(xiàn)如圖6所示，軋制過(guò)程中徑向和軸向進(jìn)給分配通常有3個(gè)階段。

⑴軋制初期毛坯端面不平整，較大的軸向進(jìn)給量容易引起錐輥接觸跳動(dòng)，因此分配相對(duì)較少的軸向進(jìn)給量來(lái)逐漸消除毛坯端面不平整度。

⑵環(huán)件咬入孔型產(chǎn)生整體軋制變形后，保持一定比例的徑向和軸向進(jìn)給速度進(jìn)行聯(lián)合軋制，使環(huán)件穩(wěn)定變形。

圖6 大型環(huán)件徑軸向軋制進(jìn)給曲線(xiàn)

⑶環(huán)件通過(guò)連續(xù)變形累積產(chǎn)生了壁厚差、高度差和橢圓度，軋制末期先停止軸向進(jìn)給，通過(guò)緩慢徑向進(jìn)給來(lái)逐漸消除環(huán)件的壁厚差、高度差和橢圓度，對(duì)環(huán)件進(jìn)行整形。

在上述理論和工藝研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合目前各種型號(hào)軋制設(shè)備參數(shù)，建立了大型環(huán)件徑軸向軋制鍛件設(shè)計(jì)、毛坯設(shè)計(jì)、設(shè)備選擇、軋輥設(shè)計(jì)、成形參數(shù)和力能參數(shù)設(shè)計(jì)完整工藝設(shè)計(jì)體系。然后基于VisualBasic軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了環(huán)件軋制工藝設(shè)計(jì)與控制規(guī)劃CAPP系統(tǒng)軟件。該軟件有效地將大型環(huán)件徑軸向軋制理論與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合，對(duì)于指導(dǎo)大型環(huán)件徑軸向軋制生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確度具有顯著意義。

徑軸向軋環(huán)機(jī)

目前，張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司、武漢理工大學(xué)和濟(jì)南東力數(shù)控機(jī)械有限公司聯(lián)合研發(fā)成功了φ9m環(huán)件徑軸向軋環(huán)機(jī)，如圖7所示，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)如下：

圖7 φ9m環(huán)件徑軸向軋環(huán)機(jī)

圖8 徑軸向軋制成形的φ9m環(huán)件

⑴驅(qū)動(dòng)輥電機(jī)采用直流電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)軋制線(xiàn)速度調(diào)節(jié)，以滿(mǎn)足不同尺寸環(huán)件軋制需求。

⑵采用芯輥下抽技術(shù)，芯輥上支撐位置設(shè)有液壓馬達(dá)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可實(shí)施監(jiān)控芯輥偏移量，并進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，以控制徑向孔型孔隙平行度，從而降低環(huán)件錐度。

⑶采用滾動(dòng)導(dǎo)軌技術(shù)，導(dǎo)軌少、無(wú)磨損，機(jī)架運(yùn)動(dòng)更平穩(wěn)。

⑷機(jī)構(gòu)位移尺寸（包括環(huán)件尺寸）檢測(cè)采用缸內(nèi)傳感器及絕對(duì)式編碼器，數(shù)據(jù)采集格式采用SSI數(shù)字信號(hào)，穩(wěn)定可靠。

⑸控制系統(tǒng)采用分布式CCLINK總線(xiàn)控制系統(tǒng)，操縱臺(tái)、油泵柜、液壓站均設(shè)有PLC模塊或PLC設(shè)備站，主輥/錐輥直流調(diào)速柜同樣采用CCLINK總線(xiàn)控制，并且具有單獨(dú)的PLC系統(tǒng)，主輥/錐輥直流調(diào)速柜和操縱臺(tái)及PLC柜之間只有一根3芯屏蔽數(shù)據(jù)線(xiàn)連接無(wú)其他連線(xiàn)，進(jìn)一步減少信號(hào)干擾。

⑹液壓系統(tǒng)采用并聯(lián)比例控制和插裝閥，各機(jī)構(gòu)動(dòng)作速度快，節(jié)省軋環(huán)輔助時(shí)間。

⑺濃油潤(rùn)滑采用了遞進(jìn)式集中油脂潤(rùn)滑系統(tǒng)，設(shè)有潤(rùn)滑故障報(bào)警功能保證潤(rùn)滑油的正常供給，使設(shè)備的正常運(yùn)行更有保證。

⑻芯輥冷卻采用活動(dòng)式冷卻裝置，可根據(jù)環(huán)件高度自動(dòng)冷卻芯輥受熱部位，從而可以提高芯輥使用壽命。

應(yīng)用成果

基于上述研究成果，武漢理工大學(xué)和張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)了多材質(zhì)、多規(guī)格和多形狀大型環(huán)件徑軸向軋制工藝，并制定了大型環(huán)件生產(chǎn)工藝計(jì)劃M(mǎn)PP，實(shí)現(xiàn)了最大直徑9m環(huán)件（圖8）、最大高度1.5m環(huán)件、最大壁厚500mm環(huán)件等典型矩形截面大型環(huán)件徑軸向軋制成形，以及外臺(tái)階、內(nèi)臺(tái)階、錐形等各種異形截面大型環(huán)件徑軸向軋制成形。

結(jié)束語(yǔ)

大型環(huán)件徑軸向軋制技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其發(fā)展趨勢(shì)有以下3個(gè)方向：

⑴大型環(huán)件徑軸向軋制設(shè)備。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)水平的不斷提高，各種大型、超大型環(huán)件的需求量越來(lái)越大，徑軸向軋制設(shè)備大型化發(fā)展是未來(lái)的一個(gè)趨勢(shì)。

⑵大型環(huán)件徑軸向軋制控制技術(shù)。根據(jù)大型環(huán)件徑軸向軋制理論，應(yīng)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)，研究開(kāi)發(fā)大型環(huán)件徑軸向軋制過(guò)程智能控制系統(tǒng)，可以在線(xiàn)檢測(cè)軋制毛坯幾何精度、重量誤差、材料性能等變化，優(yōu)化軋制工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)大型環(huán)件徑軸向軋制過(guò)程智能控制，提高大型環(huán)件產(chǎn)品質(zhì)量。

⑶大型異形截面環(huán)件徑軸向軋制技術(shù)。直接軋制成形大型異形截面環(huán)件是大型環(huán)件徑軸向軋制技術(shù)最具吸引力的發(fā)展方向。通過(guò)對(duì)大型異形截面環(huán)件徑軸向軋制變形規(guī)律、成形理論和工藝方法的研究，對(duì)軋制毛坯進(jìn)行優(yōu)化和軋制孔型合理設(shè)計(jì)，許多大型異形截面環(huán)件將逐步實(shí)現(xiàn)直接軋制生產(chǎn)。

華林，教授，博士生導(dǎo)師，武漢理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院院長(zhǎng)，主要從事材料成形及控制工程領(lǐng)域教學(xué)與科研工作，作為第一完成人獲得2011國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、2005國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、1998GM中國(guó)科技成就二等獎(jiǎng)。