通過仿真模擬技術研發(fā)大型環(huán)鍛件

文/徐光順，劉巧紅·張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司

通過仿真模擬技術研發(fā)大型環(huán)鍛件

文/徐光順，劉巧紅·張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司

高校研究人員利用計算機，通過數(shù)值計算和圖像顯示的方法模擬鍛件的軋制過程，可以直觀動態(tài)地觀察整個虛擬軋制的過程；企業(yè)工作人員利用高校的模擬結果，縮短軋制環(huán)件的研發(fā)周期、降低能源和材料消耗、提高企業(yè)競爭力。

大型環(huán)件廣泛應用于大型風電機組軸承、核電機組容器、運載火箭艙體等，是能源、機械、武器裝備的核心零件。近些年來隨著工業(yè)的發(fā)展，各行業(yè)對大型環(huán)件的需求量越來越大、性能要求也越來越高，這對大型環(huán)件的制造工藝提出了更高的要求。另一方面，對比于矩形環(huán)件而言，異形環(huán)件的成形過程更為復雜，應用也更加廣泛。目前，工業(yè)上應用較多的典型異形截面環(huán)件有溝槽截面環(huán)件（內(nèi)溝槽、外溝槽、雙溝槽截面環(huán)件等）和臺階截面環(huán)件（外臺階、內(nèi)臺階、外凸臺、內(nèi)凸臺截面環(huán)件等），這些產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應用于汽車、機械、航空航天、能源等眾多工業(yè)領域。

我國環(huán)鍛件的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，我國制造環(huán)件的方法主要還是鑄造和焊接，但二者均存在不同程度的缺陷。例如，鑄造成形的環(huán)件晶粒粗大，組織分布不均勻，而且還存在疏松、氣孔等空隙缺陷，產(chǎn)品機械性能差；焊接成形的環(huán)件，焊縫區(qū)的材料組織為鑄態(tài)，產(chǎn)品性能和使用壽命明顯比鍛造的低。

德國、美國、日本等工業(yè)先進國家，早在20世紀80年代就開始致力于大型環(huán)件徑軸向軋制技術和裝備的研發(fā)。世界上最大的環(huán)件徑軸向軋制設備制造商德國蒂森機器瓦格納公司開發(fā)了φ1～8m的數(shù)控徑軸向軋環(huán)機，以及與之匹配的工藝設計和控制技術，基本上實現(xiàn)了環(huán)件產(chǎn)品的軋制工藝優(yōu)化設計、過程參數(shù)存儲匹配、軋制過程在線測量與反饋控制等功能，其軋制環(huán)件的直徑誤差控制在±1‰以內(nèi)，基本滿足了近凈成形的要求，代表了當今環(huán)件徑軸向軋制技術的最高水平。

我國環(huán)件的軋制通過引進國外的工藝和設備進行生產(chǎn)，并且在此基礎上進行了簡單的技術開發(fā)和設備仿制工作。20世紀90年代初武漢理工大學的華林教授帶領團隊設計了環(huán)件軋制實驗系統(tǒng)，并在D52-160A立式環(huán)軋設備上進行了軋制實驗，建立了環(huán)件軋制靜力學、運動學、咬入條件、剛度穩(wěn)定條件以及動力學、幾何學等模型，從本質(zhì)上揭示了環(huán)件軋制的成形原理。1994年，學者管海燕等人結合從德國瓦格納公司引進的徑軸向軋制設備，制定了大型環(huán)鍛件徑軸向軋制工藝的基礎條件、工藝原理和路線以及毛坯的優(yōu)化設計。

校企合作開發(fā)新產(chǎn)品

我公司設有研究生工作站，通過與江蘇大學、武漢理工大學和上海交通大學的合作，利用高校的科研和理論優(yōu)勢，結合我公司的設備優(yōu)勢，開發(fā)出了多種新型環(huán)鍛件產(chǎn)品，包括多種用途的工程機械用鍛件，其中φ9m大型環(huán)鍛件的軋制技術獲得了國家科學技術進步二等獎。

30t大型筒形環(huán)鍛件軋制技術與裝備

此鍛件重達30t，直徑為4.5m，高厚比為1.73，屬于大直徑超重薄壁筒形環(huán)鍛件，在軋制工藝設計時不僅要考慮設備的性能，還要考慮鍛件的成形質(zhì)量、成形技術難度等方面。我公司和武漢理工大學的相關人員進行了軋制理論分析，然后結合有限元軟件進行模擬分析確定工藝參數(shù)，最后進行了實際軋制生產(chǎn)，獲得了性能良好的大型環(huán)鍛件。圖1為軋制原理圖。

圖1 軋制原理圖

環(huán)件徑軸向軋制過程中，環(huán)件運動與軋輥旋轉(zhuǎn)運動、進給運動和導向運動三者之間相互影響，成形過程具有以下特點：

⑴鍛件的徑向變形與軸向變形同時存在，且相互影響。

⑵驅(qū)動輥與芯輥直徑相差較大，驅(qū)動輥做主動旋轉(zhuǎn)軋制運動，芯輥做從動旋轉(zhuǎn)軋制運動，且轉(zhuǎn)速不同。

⑶旋轉(zhuǎn)運動與直線進給運動相互影響。

⑷環(huán)件變形區(qū)幾何邊界復雜且不穩(wěn)定，熱變形、力變形條件處于動態(tài)過程中。

為了保證環(huán)件正常軋制成形，結合幾何學、靜力學、運動學和塑性力學理論分析，建立大型環(huán)件徑軸向軋制穩(wěn)定條件和力能參數(shù)設計方法，為軋制工藝合理設計提供了理論依據(jù)。根據(jù)環(huán)件徑軸向軋制成形原理，以ABAQUS有限元分析為平臺，建立了真實反映環(huán)件徑軸向軋制變形特點的精確、高效熱力耦合三維有限元仿真模型，如圖2所示。

圖2 軋制三維有限元模型

基于以上精確有效的有限元模型，通過仿真模擬環(huán)鍛件徑軸向軋制過程中應變、溫度、力學參數(shù)以及軋制成形環(huán)件外形分析，驗證了鍛件軋制的可行性，根據(jù)以上各種參數(shù)的模擬結果，制定了合理的軋制工藝和注意事項，最終軋制出符合要求的鍛件產(chǎn)品。

28t大型滾圈環(huán)件軋制技術

大型滾圈是一類廣泛應用于冶金、風電、核電、飛機、火箭等行業(yè)的大型回轉(zhuǎn)部件。在回轉(zhuǎn)機械中，滾圈起到傳遞載荷的作用，并在運轉(zhuǎn)過程中受到較大的彎曲應力和扭矩。工業(yè)上對于滾圈的力學性能要求特別高，不僅要具備較高的剛度和抗疲勞強度，還應具備較長的使用壽命。否則，一旦滾圈發(fā)生損壞，將對企業(yè)的經(jīng)濟效益造成巨大的損失。因此，有必要對這類大型環(huán)件的成形進行研究，以期獲得良好的使用性能。

經(jīng)過我公司和武漢理工大學研發(fā)人員的共同合作，以ABAQUS有限元模擬軟件為平臺，根據(jù)鍛件的徑軸向軋制成形原理，建立了三維模擬仿真模型，經(jīng)過計算建立了實驗測試數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的比較曲線（圖3）。從圖3中可以看出，模擬的結果和實測的結果比較吻合，不僅證實了軋制的可行性，而且還從側(cè)面驗證了ABAQUS分析結果的可靠性。根據(jù)大型環(huán)件徑軸向軋制生產(chǎn)工藝流程，制定了28t環(huán)鍛件生產(chǎn)流程為：原材料→檢驗→下料→稱重→加熱→制坯→軋制→熱處理→校正→檢驗→發(fā)貨。最終軋制出了符合要求的鍛件（圖4）。

圖3 尺寸和溫度的比較曲線

圖4 軋制成形鍛件

φ5m內(nèi)臺階環(huán)件軋制

該鍛件重達12t，且屬于大型異形環(huán)鍛件，成形時臺階處的形狀難以成形，軋制過程中鍛件容易爬輥。我公司技術人員通過模擬分析對環(huán)件進行了一定的約束設置，在實際軋制過程中通過預制盲孔和兩火軋制等措施，最終軋制出了充形完好，成形合格的鍛件。圖5是利用ABAQUS模擬的軋制過程。

圖5 模擬的內(nèi)臺階鍛件軋制過程

此外，我公司通過和武漢理工大學、江蘇大學等大學合作，還開發(fā)了φ8.3m的大型環(huán)鍛件、φ6m大型側(cè)法蘭環(huán)鍛件、φ1.2m外臺階環(huán)鍛件，以及各種工程機械使用的大型、小型具有異形結構的環(huán)鍛件產(chǎn)品。2013年成功開發(fā)了廣泛應用于石油、天然氣管道的24英寸球閥閥芯異形鍛件。

結束語

大學是培養(yǎng)人才的搖籃，更是國家新技術、新發(fā)明、新創(chuàng)造的發(fā)源地。大學里聚集著大量高層次人才，隨著我國對于技術成果轉(zhuǎn)化為實際生產(chǎn)力的重視程度越來越大，這將開啟校企合作的新篇章。我公司與國內(nèi)鍛造專業(yè)較強的知名高校廣泛開展合作，不僅發(fā)揮了大學的理論優(yōu)勢，還大大挖掘了企業(yè)的技術潛力，在創(chuàng)造了巨大經(jīng)濟效益的同時，也為國家的技術進步做出了應有的貢獻。