環(huán)模輾環(huán)成形工藝參數(shù)仿真分析

袁　浩，戴恩虎，王小明，房　煒

(1.江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.溧陽市宏大機(jī)械設(shè)備有限公司，江蘇 常州 213331)

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環(huán)模輾環(huán)成形工藝參數(shù)仿真分析

袁浩1，戴恩虎1，王小明2，房煒1

(1.江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.溧陽市宏大機(jī)械設(shè)備有限公司，江蘇 常州 213331)

芯輥進(jìn)給速度和驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速對(duì)輾環(huán)工藝有著直接影響，環(huán)模輾環(huán)成形變形行為復(fù)雜，通過傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行芯輥進(jìn)給速度和驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)成本高昂、效率低下。文中討論了輾環(huán)成形的有限元建模技術(shù)，基于塑性成形軟件Simufact對(duì)環(huán)模輾環(huán)工藝進(jìn)行有限元模擬，分析了芯輥進(jìn)給速度和驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速對(duì)軋制力和等效塑性應(yīng)變的影響。結(jié)果表明，當(dāng)芯輥進(jìn)給速度為2mm/s時(shí)，驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速在2.5～3.3rad/s，環(huán)模變形充分、均勻，軋制力合適，成型效果較好。仿真結(jié)果為環(huán)模輾環(huán)成形工藝參數(shù)擬定和改良提供了參考。

環(huán)模；輾環(huán)成形；數(shù)值模擬；芯輥進(jìn)給速度；驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速

環(huán)模是生物質(zhì)成型機(jī)的核心部件[1-2]，形狀為中間凹的環(huán)形件，中間布滿制?？?，如圖1所示。環(huán)模傳統(tǒng)制造工藝是先鍛造獲得毛坯，再通過機(jī)械切削加工而成。該加工方法材料利用率低，原始金屬流線被破壞，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的機(jī)械性能。采用輾環(huán)工藝制造，僅需對(duì)軋制后的環(huán)件進(jìn)行少量的切削加工，即可達(dá)到產(chǎn)品規(guī)格，提高了材料的利用率，減少了零件的加工工時(shí)，同時(shí)提高了后期模孔加工中孔壁的強(qiáng)度。

芯輥進(jìn)給速度和驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速對(duì)環(huán)模成型效果有較大影響，是環(huán)模輾環(huán)過程中主要工藝參數(shù)。環(huán)模屬于外溝形截面異形環(huán)，與一般的矩形截面環(huán)件相比更難確定合適的工藝參數(shù)。在實(shí)際生產(chǎn)中，通常要經(jīng)過多次的試制，造成時(shí)間成本和資源成本的增加。而軟件仿真是一種高效的產(chǎn)品開發(fā)手段，其利用數(shù)值模擬的方法，在計(jì)算機(jī)上模擬輾環(huán)成型的過程，分析并確定工藝參數(shù)，從而節(jié)省時(shí)間成本和資源成本。

圖1　環(huán)模

對(duì)輾環(huán)工藝參數(shù)的仿真分析一直是金屬成型領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[3]運(yùn)用Abaqus軟件仿真分析了驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速對(duì)矩形截面環(huán)件輾環(huán)工藝端面質(zhì)量的影響。文獻(xiàn)[4]通過有限元法分析了芯輥進(jìn)給速度對(duì)高頸法蘭臺(tái)階面展寬量的影響，得到了理想進(jìn)給速度。文獻(xiàn)[5]對(duì)階梯型軸承內(nèi)圈有限元分析，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。然而針對(duì)外溝形截面異形環(huán)輾環(huán)工藝的仿真研究仍較少發(fā)現(xiàn)，尤其是將輾環(huán)工藝仿真分析應(yīng)用在環(huán)模的制造工藝中。本文基于Simufact.forming建立了環(huán)模有限元模型，分析了芯輥進(jìn)給速度和驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速對(duì)輾環(huán)過程的影響，為環(huán)模工藝參數(shù)制定和環(huán)模仿真分析的研究打下基礎(chǔ)。

1　環(huán)模有限元模型的建立

1.1輾環(huán)工藝中的一些關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)毛坯及模具設(shè)計(jì)。根據(jù)環(huán)模具體的實(shí)際尺寸，設(shè)計(jì)環(huán)模鍛件，由軋制比，得到毛坯尺寸，根據(jù)特定型號(hào)環(huán)模零件留出適當(dāng)?shù)募庸び嗔吭O(shè)計(jì)出鍛件圖，毛坯的設(shè)計(jì)是依據(jù)環(huán)模鍛件圖，遵守體積不變?cè)瓌t，計(jì)算出毛坯的重量，設(shè)定毛坯與最終鍛件的軸向長度相等，環(huán)模內(nèi)外徑的尺寸依據(jù)預(yù)定軋制比，以此確定初始毛坯。環(huán)模輾環(huán)工藝屬于異形環(huán)軋制，異形環(huán)在軋制時(shí)，易出現(xiàn)充形不滿的缺陷，研究發(fā)現(xiàn)直接將毛坯設(shè)計(jì)成異形截面能有效解決此問題[6]。驅(qū)動(dòng)輥選用半閉式孔型作為其軋制孔型，同時(shí)為使毛坯易進(jìn)出孔型，減少毛坯與孔型間的刮擦，取驅(qū)動(dòng)輥斜槽斜度為2°。依據(jù)鍛件尺寸和可用生產(chǎn)設(shè)備規(guī)格，確定環(huán)模輾環(huán)成形方案的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1所示。

在Solidworks中建模，對(duì)輾環(huán)機(jī)進(jìn)行裝配，保存成stl格式，導(dǎo)入到Simufact中，建立仿真模型，如圖2所示。

表1　結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2　環(huán)模輾環(huán)模型

(2)芯輥進(jìn)給速度和驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速的選取。一個(gè)穩(wěn)定輾環(huán)工藝需滿足咬入條件和鍛透條件，矩形截面環(huán)件軋制芯輥進(jìn)給速度和驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速的極限范圍[7-8]如下

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，β為輾環(huán)成形的摩擦角；R和r分別為環(huán)件的外半徑與內(nèi)半徑；R1和n1分別為驅(qū)動(dòng)輥工作半徑與轉(zhuǎn)速；R2為芯輥半徑；n1 max和n1 min分別為驅(qū)動(dòng)輥的最大轉(zhuǎn)速和最小轉(zhuǎn)速；vmax和vmin分別為最大進(jìn)給速度和最小進(jìn)給速度。

為保證軋制過程的穩(wěn)定進(jìn)行，驅(qū)動(dòng)輥線速度應(yīng)當(dāng)保持在0.4～1.6 mm/s[9]。因此，驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速范圍為

(5)

式中，R1為驅(qū)動(dòng)輥半徑。

環(huán)模的成形過程可近似看做多個(gè)矩形截面的環(huán)件組合而成，要求每個(gè)矩形環(huán)件滿足咬入條件和鍛透條件，即芯輥進(jìn)給速度和驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速要滿足式(1)～式(5)。

綜上所述可知：當(dāng)驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速為2.5 rad/s時(shí)，芯輥進(jìn)給速度范圍1.01～19.97 mm/s；當(dāng)芯輥進(jìn)給速度2 mm/s時(shí)，驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速范圍0.25～4.97 rad/s。

1.2主要建模技術(shù)和方法

(1)屬性定義。定義驅(qū)動(dòng)輥、芯輥和導(dǎo)向輥為剛性體，認(rèn)為其不發(fā)生變形，并忽略模具溫度變化，選用軟件默認(rèn)材料H13模具鋼。定義毛坯為可變溫變形體，選為不銹鋼材料4Cr13，對(duì)應(yīng)軟件材料庫中德國牌號(hào)X40Cr13。熱邊界條件控制中，定義環(huán)境溫度30 ℃，各模具初始溫度為25 ℃，毛坯環(huán)件的初始溫度為1 180 ℃；

(2)接觸定義。輾環(huán)過程產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力，定義各模具和環(huán)件的摩擦類型為剪切摩擦，摩擦系數(shù)設(shè)置0.7。在工件和模具接觸工作中，存在兩者之間以及二者與外界環(huán)境之間的熱傳遞，因此定義熱傳導(dǎo)和熱輻射；

(3)運(yùn)動(dòng)設(shè)置。將驅(qū)動(dòng)輥旋轉(zhuǎn)和芯輥進(jìn)給定義為設(shè)備驅(qū)動(dòng)并定義速度和時(shí)間點(diǎn)，最后設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)輥旋轉(zhuǎn)時(shí)間比芯輥進(jìn)給時(shí)間長10 s，完成環(huán)件的整圓，使產(chǎn)品更趨于合格。參考實(shí)際輾環(huán)機(jī)尺寸設(shè)置導(dǎo)向輥中心和控制臂。Simufact軟件能較精確地自動(dòng)控制導(dǎo)向輥的移動(dòng)，從而省去了繁瑣的導(dǎo)向輥運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算，這是相比其他輾環(huán)仿真軟件的一大優(yōu)勢(shì)；

(4)網(wǎng)格劃分與求解。采用軟件自帶的專門針對(duì)環(huán)形件劃分方式 Ringmesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，定義單元尺寸6 mm，細(xì)化等級(jí)設(shè)置為2，Strain change設(shè)置0.2。選用隱式求解算法來避免累積誤差。考慮計(jì)算的精度和效率，對(duì)軟件生成的分析步數(shù)做適當(dāng)調(diào)整。

2　仿真分析

芯輥進(jìn)給速度和驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速是輾環(huán)過程中最重要的兩個(gè)工藝參數(shù)，基于所建立的有限元模型，采用控制變量法分別對(duì)這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行研究，分析各自變化對(duì)輾環(huán)工藝的影響。

圖3為Origin軟件平滑處理后軋制力時(shí)間歷程圖，開始階段軋制力急劇增加，到達(dá)穩(wěn)定軋制階段時(shí)軋制力在一定區(qū)間內(nèi)平穩(wěn)波動(dòng)。根據(jù)軋制力的時(shí)間歷程圖研究芯輥進(jìn)給速度和驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速對(duì)軋制力的影響，難以看出二者之間的關(guān)系。為方便研究，取軋制力的平均值作為分析對(duì)象，并用等效應(yīng)變平均值表達(dá)整體變形程度，用等效應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)差表達(dá)整體變形不均勻程度。等效塑性應(yīng)變平均值越大，表明環(huán)件長大趨勢(shì)越明顯，材料變形越充分，工件內(nèi)部晶粒越細(xì)小，最總產(chǎn)品質(zhì)量越好。等效塑性應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)差越大，不均勻程度越高，力學(xué)性能也不均勻，產(chǎn)品質(zhì)量越差。

圖3　軋制力時(shí)間歷程圖

2.1芯輥進(jìn)給速度對(duì)軋制過程的影響

(1)芯輥進(jìn)給速度對(duì)軋制力的影響。圖4所示為軋制力平均值隨進(jìn)給速度變化曲線。由圖可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速為2.5 rad/s，隨著芯輥進(jìn)給速度的增加，軋制力逐漸增大。原因是每轉(zhuǎn)進(jìn)給量增加，達(dá)到每轉(zhuǎn)變形所需的變形力越大，因此軋制力也越大。軋制力過大會(huì)提高對(duì)輾環(huán)機(jī)的力能要求，增加設(shè)備成本，因此軋制力應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)；

(2)芯輥進(jìn)給速度對(duì)等效塑性應(yīng)變的影響。圖5為芯輥進(jìn)給速度對(duì)等效塑性變形影響曲線，可看出，等效塑性變形平均值和標(biāo)準(zhǔn)差隨芯輥進(jìn)給速度增大而減小。原因是芯輥進(jìn)給速度越大，輾環(huán)每轉(zhuǎn)的進(jìn)給量越大，達(dá)到所要求環(huán)件尺寸的時(shí)間越短，對(duì)環(huán)件整體來講變形程度減小，因此，等效塑性應(yīng)變平均值也減小。同時(shí)，芯輥進(jìn)給速度增大，每轉(zhuǎn)咬入量增加，應(yīng)變不會(huì)僅集中金屬表層，內(nèi)外應(yīng)變差距縮減，因此等效塑性應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)差減小。

圖4　平均軋制力隨芯輥進(jìn)給速度變化曲線

圖5　等效塑性應(yīng)變隨芯輥進(jìn)給速度變化曲線

2.2驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速對(duì)軋制過程的影響

(1)驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速對(duì)軋制力的影響。圖6為驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速對(duì)軋制力平均值的影響曲線，當(dāng)芯輥進(jìn)給速度為2 mm/s時(shí)，軋制力平均值隨著驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速的增加逐漸減小，這是因芯輥進(jìn)給速度不變的情況下，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量隨著驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速增加而減小，即每轉(zhuǎn)進(jìn)給所需要的克服的變形力也減小，因此設(shè)備平均軋制力為減小趨勢(shì)；

(2)驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速對(duì)等效塑性應(yīng)變的影響。圖7為驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速對(duì)等效塑性應(yīng)變的影響曲線，隨著驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速的增加等效塑性應(yīng)變平均值逐漸變大，原因是總軋制時(shí)間不變，相同進(jìn)給量下咬入次數(shù)增多，環(huán)件表層總體金屬咬入量增加，表層應(yīng)變加劇，使得平均值增大。與此同時(shí)，轉(zhuǎn)速增加表層金屬應(yīng)變急劇增加，較之內(nèi)部金屬變化程度較大，差距也增大。于是，等效應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)差增大。

分析圖7可以看出，轉(zhuǎn)速在2.5～3.3 rad/s區(qū)間內(nèi)，等效塑性應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)差基本保持不變，甚至有略微下降的趨勢(shì)。究其原因，由于轉(zhuǎn)速的增加環(huán)件與模具接觸頻率加大，導(dǎo)致溫度升高，使得金屬塑性得到增強(qiáng)，此區(qū)間抵消一部分不均勻程度，標(biāo)準(zhǔn)差基本保持不變。該區(qū)間內(nèi)，環(huán)件等效塑性變形標(biāo)準(zhǔn)差較小，變形均勻；等效塑性應(yīng)變平均值較大，變形較充分，金屬內(nèi)部晶粒較細(xì)小，質(zhì)量較好；同時(shí)軋制力也在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，對(duì)設(shè)備要求低，為理想的驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速。

圖6　平均軋制力隨驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速變化曲線

圖7　等效塑性應(yīng)變隨驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速變化曲線

2.3工藝參數(shù)的分析驗(yàn)證

驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速在2.5～3.3 rad/s間取值2.6 rad/s，取芯輥進(jìn)給速度2 mm/s，對(duì)環(huán)模輾環(huán)成形進(jìn)行仿真，判斷該區(qū)間下的工藝參數(shù)是否滿足環(huán)模輾環(huán)成形要求。圖8為環(huán)模輾環(huán)結(jié)束后的截面變形圖，由圖可知，環(huán)模變形均勻，孔型填充效果好無明顯成型缺陷。某公司用該工藝參數(shù)對(duì)環(huán)模輾環(huán)生產(chǎn)，產(chǎn)品合格，圖9所示為環(huán)模輾環(huán)產(chǎn)品圖。

圖8　輾環(huán)結(jié)束后環(huán)件截面變形圖

圖9　輾環(huán)結(jié)束后的環(huán)模產(chǎn)品

3　結(jié)束語

分析了芯輥進(jìn)給速度和驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速對(duì)環(huán)模輾環(huán)成形工藝的影響。研究發(fā)現(xiàn)：隨著芯輥進(jìn)給速度的增加，軋制力呈增長趨勢(shì)，等效塑性應(yīng)變平均值和標(biāo)準(zhǔn)差呈減小趨勢(shì)；隨著驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速的增加，軋制力呈減小趨勢(shì)，等效塑性應(yīng)變平均值和標(biāo)準(zhǔn)差總體呈增長趨勢(shì)；驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速在2.5～3.3 rad/s區(qū)間內(nèi)，變形較平穩(wěn)，試驗(yàn)結(jié)果證明了在此區(qū)間內(nèi)的環(huán)模成形效果較好，產(chǎn)品合格。

本文研究了芯輥進(jìn)給速度和驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速這兩種工藝參數(shù)對(duì)輾環(huán)工藝的影響，然而溫度、摩擦等也是影響環(huán)模輾環(huán)成形的重要工藝參數(shù)，其對(duì)環(huán)模輾環(huán)工藝的影響還有待后續(xù)研究。

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Simulation Analysis of Ring Rolling Process Parameters of Ring Die

YUAN Hao1, DAI Enhu1, WANG Xiaoming2, FANG Wei1

(1. School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China;2. Liyang Hongda Mechanical Equipment Co., Ltd., Changzhou 213331, China)

The Mandrel radial speed and driving roll rotational speed have a directly influence on the complex ring rolling process. The design of Mandrel radial speed and driving roll rotational speed through traditional physical experiments is expensive and inefficient. This study discusses the finite element modeling technology about ring rolling process, performs the simulation based on the Simufact software, and analyzes the influence of Mandrel radial speed and driving roll rotational speed on rolling force and equivalent plastic strain. The results show that the deformation of ring die is adequate and uniform at a mandrel radial speed of 2mm/s and a driving roll rotational speed between 2.5rad/s-3.3rad/s, where the rolling force is suitable with good forming effect. Result of simulation will provide a reference for the design and improvement of process parameters of ring rolling process.

ring die; ring rolling; FEA simulation; mandrel radial speed; driving roll rotational speed

2015- 12- 18

袁浩(1975-)，男，博士，副教授。研究方向：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等。戴恩虎(1991-)，男，碩士研究生。研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.09.023

TG372

A

1007-7820(2016)09-083-04