基于鑄坯Q235B法蘭件熱輾擴過程溫度場模擬＊

韓素平，李永堂，巨 麗，曹爭爭，賈燕龍

（太原科技大學(xué) 金屬材料成形理論與技術(shù)山西省重點實驗室，山西 太原030024）

1 引言

環(huán)件熱輾擴[1]是借助輾環(huán)機使環(huán)件產(chǎn)生壁厚或高度減小、直徑擴大、截面輪廓成形的塑性加工工藝，是制造法蘭件、軸承件、齒輪件、火車車輪及輪箍、燃氣輪機環(huán)等各類無縫環(huán)件的先進技術(shù)，在機械、車輛、船舶、石油化工和航空航天等眾多工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)日益得到廣泛應(yīng)用。而節(jié)約能源、降低成本、提高質(zhì)量和生產(chǎn)率已成為環(huán)件生產(chǎn)和裝備制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

法蘭件的生產(chǎn)一般采用鑄造、鍛造等工藝制備。鑄造法蘭其毛坯形狀尺寸準(zhǔn)確，加工量小，成本低，但有鑄造缺陷，鑄件內(nèi)部組織流線型也較差；鍛造法蘭流線型好，組織比較致密，機械性能優(yōu)于鑄造法蘭。鍛造法蘭傳統(tǒng)的生產(chǎn)工序為：冶煉坯料→加熱→鐓粗→拔長→沖孔→熱輾擴成形→后處理。為降低成本和能耗，現(xiàn)采用一種新的生產(chǎn)工藝——鑄輾復(fù)合成形工藝[2，3]，其工藝流程為：冶煉鑄造→鑄坯環(huán)件→熱輾擴成形→后處理。新的生產(chǎn)工藝縮短了工藝流程，減少了坯料加熱次數(shù)，從而降低成本和能耗，提高生產(chǎn)率和經(jīng)濟效益，并有利于節(jié)能減排和清潔生產(chǎn)。

針對環(huán)件熱輾擴，溫度對其成形工藝設(shè)計和質(zhì)量控制起到關(guān)鍵性作用，國內(nèi)外學(xué)者們[4，5]對熱輾擴過程中溫度場也進行了大量的研究，但對于鑄輾復(fù)合成形過程中溫度場的研究卻極少。

本文采用ABAQUS 軟件建立了三維有限元模擬模型，采用Explicit 顯式算法對基于鑄坯Q235B法蘭件熱輾擴成形過程溫度場進行數(shù)值模擬，其成形原理如圖1 所示。輾擴過程中，驅(qū)動輥作主動旋轉(zhuǎn)運動，芯棍作徑向進給運動的同時進行從動旋轉(zhuǎn)運動，軸向端面輥作主動旋轉(zhuǎn)和向后跟隨運動，同時上端面輥作軸向向下運動，導(dǎo)向輥以一定的力抱住環(huán)件跟隨其長大運動，在此情況下，環(huán)件經(jīng)過反復(fù)旋轉(zhuǎn)輾擴使直徑和高度達到預(yù)定值后，各成形輥停止進給運動，輾擴過程結(jié)束。

圖1 法蘭件鑄坯熱輾擴成形原理

2 ABAQUS有限元模型的建立

2.1 鑄坯和模具尺寸的設(shè)定

對于法蘭件徑軸向熱輾擴成形，設(shè)計合理的毛坯尺寸，是為了保證輾擴過程順利地進行，并為優(yōu)化設(shè)計打下基礎(chǔ)。本文根據(jù)法蘭件實際尺寸和體積不變原理，設(shè)定法蘭件鑄坯與制品尺寸如表1 所示，輾擴比K=2.77。

模擬過程中模具的尺寸是依據(jù)環(huán)坯尺寸和工廠輾擴機所選定的，圖1 中驅(qū)動輥、芯輥、導(dǎo)向輥尺寸的半徑分別為450mm、140mm、70mm，導(dǎo)向輥與芯輥和驅(qū)動輥連心線夾角為60°，端面輥錐角為35°。

表1 法蘭件鑄坯與成品尺寸/mm

2.2 模擬條件的設(shè)定

法蘭件鑄坯的材料模型采用實驗室熱模擬的鑄態(tài)Q235B 鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線，熱物理性能參數(shù)：楊氏模量117819MPa，泊松比0.3，導(dǎo)熱系數(shù)30W/（m·k）。

法蘭件鑄坯的初始輾擴溫度1150℃，各成形輥初始溫度為250℃，環(huán)境溫度20℃；熱傳導(dǎo)系數(shù)11N/（s·mm·℃），熱交換系數(shù)為0.02N/（s·mm·℃），熱輻射系數(shù)0.7N/（s·mm·℃）；驅(qū)動輥旋轉(zhuǎn)角速度3.06rad/s，芯輥進給速度2mm/s，上端面輥進給速度1.17mm/s；摩擦系數(shù)0.7；網(wǎng)格劃分采用熱力耦合八節(jié)點六面體單元（C3D8RT），并用ALE 自適應(yīng)劃分網(wǎng)格，可避免變形過程中網(wǎng)格出現(xiàn)畸變。同時采用縮減積分和沙漏控制，可有效降低計算時間和避免出現(xiàn)零能單元。

3 模擬結(jié)果及分析

結(jié)合蔣濤、歐新哲對環(huán)件輾擴過程中的溫度傳導(dǎo)和溫度場分布的研究，本文對鑄坯Q235B 法蘭件熱輾擴成形過程中溫度場的模擬結(jié)果進行了以下研究分析。

圖2 是法蘭件鑄坯熱輾擴過程中的溫度場分布云圖。從圖a～h 中可以看出，輾擴過程一旦開始進行，環(huán)件溫度就開始下降，這是由于環(huán)件與成形輥接觸區(qū)域發(fā)生熱傳遞，與周圍環(huán)境之間發(fā)生熱對流和熱輻射。在輾擴初期，環(huán)件徑向內(nèi)、外表面與驅(qū)動輥、芯輥的接觸區(qū)域，以及環(huán)件軸向上、下表面與上、下端面輥的接觸區(qū)域，發(fā)生了熱傳遞，導(dǎo)致這些接觸區(qū)域的溫度明顯下降，隨著輾擴過程的進行，接觸區(qū)域不斷發(fā)生轉(zhuǎn)移，致使環(huán)件的整體溫度顯著降低。然而，由于環(huán)件發(fā)生塑性變形而產(chǎn)生熱量，使得環(huán)件中間區(qū)域溫度有上升的趨勢。輾擴結(jié)束后，環(huán)件整體的溫度分布不均勻，但規(guī)律是：環(huán)件中間區(qū)域的溫度最高，邊緣區(qū)域的溫度最低，環(huán)件中間區(qū)域到上、下和內(nèi)、外表面區(qū)域的溫度都呈現(xiàn)由高到低的漸變分布。圖b～f 中部分區(qū)域溫度降低較其他區(qū)域明顯，是由于成形輥初始溫度與環(huán)件溫度差值太大所造成的，隨著輾擴過程的進行，成形輥的溫度慢慢升高，又加上環(huán)件自身的熱傳導(dǎo)，部分區(qū)域溫度與其他區(qū)域溫度的差異越來越小，最終達成一致。

圖2 法蘭件鑄坯輾擴過程中溫度場分布云圖

為更進一步研究輾擴過程中溫度場的變化規(guī)律，在環(huán)件截面上分別取6 個跟蹤點，跟蹤點所在的位置如圖3，各跟蹤點溫度場變化歷史曲線如圖4。從圖4 中可以看出，雖然各個跟蹤點處的溫度變化情況有所不同，但大致是呈波浪式下降的趨勢（除E 點處）。輾擴初期，由于環(huán)件與成形輥間發(fā)生熱傳遞，環(huán)件溫度損失多，曲線急劇下降；隨后，曲線仍呈稍微下降趨勢，是由于與周圍環(huán)境發(fā)生熱對流和熱輻射的作用；曲線有上升趨勢段，是由于塑性變形產(chǎn)生熱和摩擦生熱的緣故。對于環(huán)件中間區(qū)域的E 點處，溫度在輾擴過程中呈現(xiàn)上升趨勢，是因為該處與成形輥無直接接觸，與周圍環(huán)境也難產(chǎn)生熱對流和熱輻射，自身的熱傳導(dǎo)較少，而發(fā)生塑性變形又產(chǎn)生熱。從曲線變化可以看出：輾擴過程中，環(huán)件中間E 點處溫度一直是最高，邊緣C 點處溫度一直是最低；環(huán)件上表面C 點處的溫度降的最快，A 點處的次之，B 點處的溫度降的最慢，環(huán)件中間厚度處F、D、E 點具有相同的規(guī)律。

圖3 環(huán)件截面上跟蹤點的位置

圖4 跟蹤點溫度場變化歷史曲線圖

圖5 為分別沿徑向和軸向方向顯示輾擴結(jié)束時環(huán)件截面上溫度場的分布規(guī)律。從圖5a 可看出，中間厚度處的溫度高于環(huán)件上、下表面處的溫度，而上表面和下表面處的溫度曲線有重合的趨勢。從圖5b 可看出，中間厚度處的溫度最高，外表面處的溫度次之，內(nèi)表面處的溫度最低；軸向方向上，三條溫度曲線都呈現(xiàn)關(guān)于中間距離處的對稱分布，這是由于環(huán)件在軸向孔型中受到上下對稱的熱力耦合變形行為。

4 結(jié)論

本文采用ABAQUS 軟件對鑄坯Q235B 法蘭件熱輾擴成形過程進行溫度場模擬研究，結(jié)果表明：輾擴過程中，環(huán)件中間區(qū)域的溫度最高，內(nèi)外側(cè)表面及上下端表面處為低溫區(qū)，邊緣區(qū)域的溫度最低，環(huán)件中間區(qū)域到上、下和內(nèi)、外表面區(qū)域的溫度都呈現(xiàn)由高到低的漸變分布，并且環(huán)件中間區(qū)域到上、下表面區(qū)域的溫度又呈現(xiàn)對稱分布。

本文通過兩種方式分析研究鑄坯Q235B 法蘭件熱輾擴過程中溫度場的變化及分布情況，一是按輾擴不同時間進行溫度分析，二是按環(huán)件截面不同部位進行溫度分析。本文的研究結(jié)果為今后進一步分析研究鑄坯Q235B 法蘭件熱輾擴過程中應(yīng)變場、輾擴力和力矩及微觀組織演變規(guī)律打下基礎(chǔ)。對于制訂鑄輾成形工藝與預(yù)測法蘭件質(zhì)量具有指導(dǎo)意義。

圖5 法蘭件鑄坯輾擴結(jié)束時截面溫度場分布圖

[1]華 林，黃興高，朱春東.環(huán)件軋制理論和技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[2]張 鋒.基于鑄坯的環(huán)件熱輾擴成形工藝數(shù)值模擬.太原：太原科技大學(xué)碩士論文，2011.

[3]劉育華，李永堂，齊會萍，等.外臺階截面環(huán)形鑄坯熱輾擴成形工藝有限元模擬[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2013，48（4）.

[4]歐新哲，楊 合，孫志超，等.環(huán)件熱輾擴溫度場和應(yīng)變場分布的研究[J].機械工程材料，2006，30（10）.

[5]蔣 濤.典型環(huán)形軋件軋制溫度的傳導(dǎo)分析[J].牡丹江教育學(xué)院學(xué)報，2013，（3）.