基于鍛坯的大型外凹形截面環(huán)件成形研究

王志軍，付建華，齊會萍

（太原科技大學 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）

基于鍛坯的大型外凹形截面環(huán)件成形研究

王志軍，付建華，齊會萍

（太原科技大學 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）

針對大型外凹槽型環(huán)件成形上的困難，根據(jù)異形截面的環(huán)鍛件毛坯尺寸設(shè)計三大原則和方法，設(shè)計出合理的鍛坯尺寸及形狀，進一步設(shè)計出比較合理的模具。并基于SIMUFACT軟件建立了徑軸向軋環(huán)機三維數(shù)值仿真模型，對大型異形環(huán)件一個生產(chǎn)周期內(nèi)的環(huán)件軋制過程進行了數(shù)值模擬，揭示了環(huán)件熱輾擴過程中等效應(yīng)變場、溫度場、輾擴力以及金屬流動特性的規(guī)律。仿真計算結(jié)果表明，采用計算機模擬環(huán)件的成形過程，可用于模具改造、鍛坯設(shè)計以及軋制工藝的優(yōu)化，建立起一種大型外凹槽截面環(huán)件穩(wěn)定軋制模型。

熱輾擴；鍛坯；數(shù)值模擬；環(huán)件；SIMUFACT

環(huán)件軋制是連續(xù)局部成形新技術(shù)，許多軸承環(huán)、齒輪件、法蘭件等各種無縫環(huán)形零件都能夠利用環(huán)件軋制一次成形。國外已能夠生產(chǎn)出截面相對復雜的環(huán)件，但國內(nèi)對于一些大型非矩形截面環(huán)件的生產(chǎn)并不多見。非矩形截面環(huán)件軋制成形，既要求能通過軋制獲得一定的環(huán)件直徑，又要求通過軋制獲得一定截面輪廓形狀，而對于輪廓形狀和環(huán)件直徑均有要求的環(huán)件顯然比只要求直徑長大的環(huán)件軋制更為困難[1-2]。非矩形截面環(huán)件軋制中經(jīng)常出現(xiàn)截面輪廓形狀不能成形，或是已經(jīng)成形的截面輪廓形狀在軋制過程中又逐漸消失，還有環(huán)件截面輪廓的部分區(qū)域不能充滿軋制孔型，環(huán)件在軋制過程中因截面輪廓的存在導致出現(xiàn)碟形翹曲等特有現(xiàn)象[3-4]。非矩形截面環(huán)件成形規(guī)律比一般的矩形截面環(huán)件的軋制成形規(guī)律更為復雜，在整個非矩形環(huán)件軋制過程中控制環(huán)件穩(wěn)定地軋制其技術(shù)也要求更高，需要在軋制中時刻監(jiān)控并及時調(diào)整參數(shù)。

可見，異形環(huán)件軋制研究較少，軋制時存在復雜的徑向和軸向的金屬流動導致出現(xiàn)各種缺陷以及成形技術(shù)上的困難，而實際中又因尺寸較大，采用實驗的方法獲得合理的生產(chǎn)工藝投入太大。直接利用矩形鍛坯成形限制了坯料的優(yōu)化，只能從高度與厚度比來優(yōu)化軋制所用坯料。本文基于Simufact軟件，對某大型外凹槽型環(huán)件軋制，利用現(xiàn)有的理論設(shè)計出矩形鍛坯以及模具并對其進行優(yōu)化，對一個生產(chǎn)周期內(nèi)環(huán)件進行了虛擬生產(chǎn)。重點研究了外凹槽型環(huán)件在輪廓截面的金屬充滿情況，從鍛坯設(shè)計、針對孔型模具設(shè)計、軋制工藝參數(shù)等方面解決軋制成形中的各種不穩(wěn)定問題[5-6]。最終獲得了一種大型外凹槽型環(huán)件成形的鍛坯尺寸、模具尺寸以及合理的工藝參數(shù)，為生產(chǎn)作理論指導。

1 輾擴矩形截面鍛坯尺寸設(shè)計

本文以某公司提供的大型外凹槽環(huán)件為研究對象，其尺寸規(guī)格如圖1所示。目前國外徑軸向軋環(huán)機最大軋制直徑10m、高度4m，而國內(nèi)徑軸向軋環(huán)機最大軋制直徑12m、高度2m。因此可以利用國內(nèi)的環(huán)件軋制技術(shù)生產(chǎn)該大型外凹型異形截面環(huán)件。

針對截面復雜的環(huán)件，可以將環(huán)件鍛件分為三個矩形截面的環(huán)件[7-8]，近似認為在整個環(huán)件的輾擴過程中，中間的外凹槽高度方向截面只參與徑向方向的變形，而環(huán)件上下兩個外臺階既有軸向變形又有徑向輾擴的長大運動。根據(jù)環(huán)件軋制理論以及外凹槽高度方向的截面徑向輾擴金屬流動規(guī)律設(shè)計出毛坯的尺寸，其尺寸規(guī)格如圖2所示。

圖1 外凹槽截面環(huán)件零件圖

圖2 外凹槽截面環(huán)件鍛坯圖

2 輾擴所用模具及進給規(guī)范設(shè)計

根據(jù)環(huán)件軋制理論及輾擴過程中咬入與鍛透條件，在滿足軋制條件下利用現(xiàn)有理論及經(jīng)驗設(shè)計出一套合理的模具和進給參數(shù)。模具設(shè)計過程中將毛坯的變形根據(jù)最終成形尺寸及形狀在高度方向上三等分，即開始時只有外凹槽高度方向與驅(qū)動輥和芯輥同時接觸，在外凹槽的高度范圍內(nèi)近似認為該高度方向上的鍛坯屬于矩形截面的鍛件，可運用現(xiàn)有的數(shù)學模型與理論對咬入條件的判斷，從而確定各個成形輥的初始進給速度，異形環(huán)件軋制過程導向輥隨環(huán)件最大外徑的長大運動可利用Simufact中的KiRAW系統(tǒng)自動控制[9-10]。根據(jù)多次軋制調(diào)試確定異形環(huán)件槽內(nèi)的金屬流動，通過理論計算與多次改進得到能夠?qū)崿F(xiàn)該軋制過程穩(wěn)定進行的參數(shù)如表1所示。

表1 計算參數(shù)尺寸

3 外凹型環(huán)件熱軋制過程模型建立

3.1 材料模型

以海上風力發(fā)電、航空航天、海洋船舶的制造及電力、石油、工程機械等領(lǐng)域為例，德國牌號材料S355NL（對應(yīng)中國牌號為Q345E），能在高寒、復雜受力環(huán)境下使用，是應(yīng)用比較廣泛的環(huán)件材料。模擬所用材料的化學成分如表2所示。

鍛坯材料S355NL（對應(yīng)國內(nèi)牌號Q345E）密度7850kg/m3，楊氏模量210GP，泊松比0.3，比熱450J·kg-1℃,線性膨脹系數(shù)取1.5×10-5℃。利用Gleeble-3500D熱模擬實驗機對 ?10×15mm的Q345E小圓柱棒分別進行單道次熱壓縮實驗。在應(yīng)變速率0.01s-1、0.1s-1、1s-1和5s-1，變形溫度為850℃、950℃、1050℃和1150℃,取應(yīng)變?yōu)?.6，得到不同變形條件下Q345E鋼真應(yīng)力一真應(yīng)變曲線。圖3所示為Q345E鋼高溫單道次熱壓縮變形得到的真應(yīng)力應(yīng)變曲線。

表2 Q345E鋼化學成分最大值（質(zhì)量分數(shù)%）

3.2 CAE模型

環(huán)件軋制選用Simufact模塊中的Roll ring環(huán)件軋制模塊，網(wǎng)格劃分采用模塊的Ringmesh劃分技術(shù)，環(huán)件的有限元網(wǎng)格總數(shù)為12480，單元類型為六面體。整個模型的總步數(shù)為30784。環(huán)件與驅(qū)動輥之間存在摩擦和接觸熱傳導，摩擦因子為0.85，熱傳導系數(shù)20000W(m2℃)，環(huán)件與其他成形輥的摩擦因子為0.2，環(huán)件與空氣之間存在熱傳導和熱輻射，熱傳導系數(shù)50W(m2℃)，熱輻射系數(shù)為0.25Ns-1mm-1℃-4。模具初始溫度150℃，鍛坯初始溫度1250℃，環(huán)境溫度為25℃。

4 模擬結(jié)果及其分析

4.1 等效應(yīng)變場變化規(guī)律

根據(jù)Simufact有限元模擬過程的監(jiān)控，提取環(huán)件輾擴過程中截面上的應(yīng)變分布云圖，如圖4所示。從圖中可以看出，整個軋制過程中環(huán)件的應(yīng)變分布規(guī)律為上下端面與外徑方向槽深高度的應(yīng)變、環(huán)件的棱角區(qū)的應(yīng)變要明顯大于環(huán)件其他部位的應(yīng)變，且越靠近這些部位的應(yīng)變越大，反映出整個環(huán)件軋制過程中變形區(qū)由外徑槽深高度部位、上下端面和棱角處向環(huán)件內(nèi)部逐漸擴展，這主要由于環(huán)件軋制過程中棱角處區(qū)域因徑向和軸向的寬展反復成形和整平的結(jié)果，而槽深高度方向是主變形區(qū)，受驅(qū)動輥較大的軋制力的作用也相應(yīng)產(chǎn)生較大應(yīng)變。上下兩個高度方向環(huán)件外徑端面的應(yīng)變與槽高度方向的環(huán)件內(nèi)徑端面的應(yīng)變值在軋制過程中與環(huán)件其他部位的值趨于一致，即這些區(qū)域在環(huán)件的軋制過程中變形規(guī)律一致，這些區(qū)域在徑向方向金屬流動一致。整個環(huán)件的應(yīng)變值大小表明外凹槽環(huán)件的軋制過程中變形在同一高度趨于一致，整個軋制過比較穩(wěn)定。

圖3 不同形變溫度下的應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖4 輾擴過程中環(huán)件截面的應(yīng)變分布云圖

4.2 溫度場變化規(guī)律

提取環(huán)件輾擴過程中截面上的溫度分布云圖，如圖5所示。從圖中可以看出，環(huán)件的高溫區(qū)域越來越窄且向環(huán)件內(nèi)部集中，環(huán)件內(nèi)部的溫度要遠遠高于驅(qū)動輥和芯輥與環(huán)件接觸部位的溫度，軋制過程中環(huán)件與成形輥的接觸傳熱和環(huán)件與空氣熱輻射對流和傳熱作用導致環(huán)件的局部溫度下降的較快。上下端面輥和環(huán)件接觸的端面與芯輥和環(huán)件內(nèi)徑二分之一高度接觸面的溫度卻幾乎與環(huán)件內(nèi)部的溫度一致，軋制過程中這些部位有較大的應(yīng)變，沿徑向方向的變形程度大，發(fā)生了溫度效應(yīng)，即塑性變形過程中產(chǎn)生的熱量使環(huán)件局部溫度升高的現(xiàn)象，又有與成形輥的熱傳導和空氣的熱輻射對流傳熱，外部環(huán)境的作用與環(huán)件塑性變形的多因素作用，這兩個區(qū)域的溫度下降的不是很明顯，在軋制的某一時刻甚至會有局部溫度升高的現(xiàn)象，在實際環(huán)件的軋制過程中常常在這些應(yīng)變值大的環(huán)件區(qū)域通冷卻水，避免出現(xiàn)溫度不降反升導致軋制過程的不穩(wěn)定。

圖5 輾擴過程中環(huán)件截面的溫度分布云圖

4.3 輾擴過程中軋制力與力矩變化

驅(qū)動輥的軋制力能參數(shù)是軋制設(shè)備及工藝設(shè)計的重要依據(jù)。環(huán)件軋制過程中軋制力和軋制力矩的影響因素主要有：材料物理性能、環(huán)件尺寸、異形環(huán)件的孔型尺寸、成形輥的尺寸、摩擦系數(shù)等。環(huán)件軋制過程中環(huán)件平均半徑小的對應(yīng)的軋制力矩小，所以毛坯尺寸的大小也決定了軋制力能參數(shù)的大小變化。

圖6分別為大型外凹槽環(huán)件軋制過程中徑向軋制力與軋制力矩隨時間的變化曲線?？梢钥吹杰堉七^程的三個階段：初始軋制階段、主軋制階段和軋制后期整圓階段。在軋制初期，環(huán)件在徑向方向的咬入有一個過程，直至達到完全咬入，軋制力和軋制力矩不斷增大，完全咬入后，軋制力與軋制力矩穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，整體呈現(xiàn)在最大值之間上下波動。在主軋制這一段時間內(nèi)軋制力與力矩沒有穩(wěn)定的值。槽的深度達到尺寸后繼續(xù)軋制，當環(huán)件到達預(yù)定尺寸后整個軋制過程進入芯輥不進給而驅(qū)動輥空轉(zhuǎn)的整圓階段，軋制力與軋制力矩開始迅速呈下降趨勢。整個環(huán)件的軋制過程軋制力與軋制力矩的變化分為三個階段：先增大后保持在一定范圍內(nèi)波動最后逐漸下降。由于影響力能參數(shù)的因素比較多，在主軋制階段力與力矩的不斷變化，表明整個環(huán)件的軋制過程十分復雜。

圖6 驅(qū)動輥徑向軋制力能參數(shù)圖

4.4 環(huán)件上下兩個端面的外徑變化規(guī)律

圖7為軋制過程中環(huán)件上下兩個端面的外徑隨軋制時間的變化曲線圖，由圖表明上、下兩個端面的外徑隨時間的增長具有一致性，下端面的直徑長大要稍稍落后于上端面的直徑長大，這是由于上端面有端面成形輥的向下進給運動，二者外徑的差值不超過10mm。結(jié)合環(huán)件的應(yīng)變場與溫度場，整個環(huán)件的軋制達到了成形的效果。

圖7 環(huán)件兩個端面外徑變化規(guī)律

5 結(jié)論

（1）大型外凹槽型環(huán)件在軋制過程中很難控制上下兩個端面外徑長大速度的一致，如果兩個端面的外徑長大速度偏差太大，會直接導致抱輥一端受力嚴重，而另一端不與環(huán)件接觸，環(huán)件出現(xiàn)嚴重偏心現(xiàn)象，軋制過程中先前軋制出的外凹槽輪廓也會消失。本文通過鍛坯的設(shè)計以及驅(qū)動輥大徑方向上給合適的倒角，即通過合適的倒角使得槽以外上下兩個端面軸向有金屬流動并且在軋制過程中合理控制端面輥的速度有效控制外凹槽輪廓軋制的穩(wěn)定進行。

（2）大型外凹槽型軋制過程中，主軋制階段又分為兩個階段：截面輪廓的成形階段和整個環(huán)件外徑截面輪廓的主軋制階段。在截面輪廓成形階段整個環(huán)件的外徑長大比較小，在截面輪廓成形即本次模擬模型軋制的80s之后，整個環(huán)件的外徑長大速度會有明顯增大。整個環(huán)件的外徑長大發(fā)生在截面輪廓成形階段的80s到整個輪廓截面完全充滿的165s這個階段。這與普通環(huán)件的軋制有著本質(zhì)區(qū)別，普通環(huán)件的軋制整個環(huán)件的長大是在完全咬入后均勻增長的。所以軋制大型外凹槽環(huán)件時導向輥后退以及端面輥降速比同樣尺寸的矩形截面環(huán)件的時間要推遲。

（3）本次模擬確定了利用本文模型軋制大型外凹槽環(huán)件時，異形截面輪廓在80s時完全成形，在80s后整個環(huán)件直徑長大速度明顯增大，到達165s整個截面輪廓充滿，芯輥不再進給，環(huán)件軋制進入整圓階段。根據(jù)環(huán)件外徑控制各成形輥的運動參數(shù)，為實際生產(chǎn)通過外徑的長大來控制端面輥轉(zhuǎn)速與導向輥后退速度提供了關(guān)鍵的理論指導。

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Study on forming process of large outer concave section ring on the basis of forging blank

WANG Zhijun,FU Jianhua,QI Huiping
（Shanxi Provincial Key Laboratory of Metallic Materials Forming Theory and Technology, Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024,Shanxi China）

It is difficult to form the large outer concave ring.According to the three principles and methods of design for ring forging blank dimension with irregular section,the reasonable forging blank size and shape have been designed,as well as the more reasonable tool.The three-dimensional numerical simulation model has been established to the radial-axial ring rolling mill on the basis of SIMUFACTsoftware.The numerical simulation has been conducted to the ring rolling process of large irregular ring within one production cycle to reveal the laws of equivalent strain field,temperature field,ring rolling force,and metal flow during hot ring rolling process.The simulation calculation results show that the simulation of the ring forming process by use of computer can be adopted to optimize the tool transformation,forging blank design,and rolling process. Thus in this way,a stable rolling model has been established to the large outer concave section ring.

Forging blank;Q345E ring;Numerical simulation;Hot rolling;SIMUFACT

TG337

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.06.019

1672-0121（2016）06-0075-05

2016-07-16；

2016-09-07

山西省重點研發(fā)計劃重點項目（03012015004）

王志軍（1990-），男，碩士在讀，主攻鍛壓設(shè)備理論與控制。E-mail：1521310406@qq.com