車輪立式軋制過程中輻板拉薄現(xiàn)象分析

丁彬花，沈曉輝，張 磊，王 健

(1.安徽工業(yè)大學冶金工程學院，安徽馬鞍山243002；2.馬鞍山鋼鐵股份有限公司車輪公司，安徽馬鞍山243010)

車輪軋制是車輪鍛軋生產(chǎn)工藝中一個重要的工步，主要作用是對模鍛后的輪坯進行輪輞擴徑、輻板延伸和完成輪緣及踏面的精確成形。車輪形狀較為復雜，軋制過程中軋輥較多、控制參數(shù)復雜、軋坯旋轉圈數(shù)多致使其變形過程比普通的環(huán)件軋制復雜。近年來國內(nèi)外學者對車輪軋制從不同角度進行了研究，如王祖堂等[1-2]利用鉛和塑性泥模擬車輪壓軋成形過程，分析了輪輞型腔充滿的影響因素，并提出車輪制造的改進工藝；Davey等[3]將車輪軋制變形過程簡化為平面變形問題，對車輪軋制過程中徑向金屬流動作了初步分析；沈曉輝等[4-5]通過完整的三維數(shù)值模擬研究了車輪軋制成形過程的金屬流動規(guī)律，以及軋制過程中軋輥的受力情況；Kushnarev等[6]借助數(shù)值模擬方法研究了車輪模鍛預成形偏心的影響因素，并對車輪軋制工藝設計規(guī)范的改進提出了建議；謝峰[7]對車輪結構以及受力進行分析，并分析熱成形過程中金屬預分配對車輪軋制質量的影響；許章澤等[8]、張磊等[9]基于車輪生產(chǎn)實際，分析了車輪熱成形過程中折疊缺陷產(chǎn)生的原因；武勝飛等[10]采Deform-3D建立車輪軋制過程三維有限元模型，將軋制過程中對中輥或導輥的運動進行簡化，分析了軋制過程中材料的流動特點；鄧加東等[11]利用有限元模擬軟件ABAQUS建立車輪臥式軋制的有限元模型，分析了軋制力的變化和金屬流動規(guī)律。

上述文獻綜述表明，目前學者們基本是借助數(shù)值模擬或實驗，研究車輪軋制輾擴過程金屬流動以及輪輞變形的基本規(guī)律，對軋制過程輻板厚度變化的分析較少涉及。近期生產(chǎn)實踐發(fā)現(xiàn)，在某些規(guī)格的車輪軋制過程中，輻板非軋制區(qū)存在嚴重的拉薄現(xiàn)象，造成軋制廢品?；诖?，筆者借助數(shù)值仿真和金屬流動體積的理論計算，分析車輪立式軋制過程中輻板拉薄的主要原因和影響因素，以期提高車輪軋制成形精度和金屬收得率。

1 車輪立式軋制過程的輻板拉薄仿真

車輪立式軋制工具主要包括1個主輥、2個輻板輥、2個軋邊輥、2個對中輥和2個導輥，其中輻板輥為主動輥，其他均為被動輥。輻板輥在軋制過程中位置不變，輻板輥的旋轉驅動輪坯轉動，輪坯轉動帶動其他軋輥旋轉。軋制過程中，主輥向著輻板輥方向進給，左、右導輥和上、下對中輥的作用是保證車輪在軋制過程中穩(wěn)定旋轉。軋邊輥、導輥和對中輥的位置需根據(jù)車輪軋制擴徑進程實時調整。輪輞在兩個軋制變形區(qū)內(nèi)循環(huán)連續(xù)軋制變形，一個是由主輥和左、右輻板輥構成的主變形區(qū)，對輪輞、輪緣逐漸軋制成形并實現(xiàn)輻板延展和車輪擴徑；另一個是由兩個軋邊輥構成的軋邊變形區(qū)，對輪輞軸向壓縮并控制輪輞寬度。車輪軋制變形主要發(fā)生在主變形區(qū)內(nèi)。

1.1 模型的建立及驗證

采用有限元軟件SuperForm對HESA840車輪軋制過程進行有限元仿真，分析軋制過程中輻板厚度的變化。車輪軋制過程中對中輥和導輥為惰性輥，不直接參與輪坯變形，僅保證車輪穩(wěn)定軋制。為提高仿真效率，減少接觸體數(shù)量，省略對中輥和導輥，加入支撐輥和測量輥，支撐輥和測量輥的孔型與主輥孔型基本一致；通過支撐輥控制輪坯的高度和輪坯旋轉的穩(wěn)定性，通過測量輥實時監(jiān)測輪坯外徑尺寸，如圖1。各軋輥采用剛體曲面描述，測量輥通過軟件提供的彈簧功能控制，隨著輪坯外徑長大，使其在Y負（圖1所示）方向移動(遠離主輥方向)。模擬過程中通過motion.f子程序獲得測量輥的位移，計算輪坯外徑大小，再設定軋邊輥和支撐輥的平移速度，保證軋制過程中軋邊輥及支撐輥的軸線位置與輪坯中心一致。軋制過程中主輥的進給速度和位移曲線如圖2，輻板輥轉速為11.55 rad/s。其他參數(shù)設定參考文獻[5]。

目前車輪軋制過程中輻板厚度變化尚無法實時監(jiān)測。為驗證模型的正確性，軋制過程中實測的輪輞內(nèi)外徑及輪輞厚度與仿真結果如圖3。

圖1 車輪軋制有限元模型Fig.1 Finite element model of wheel rolling

圖2 主輥進給速度和位移Fig.2 Feeding rate and displacement of main roller

圖3 軋制過程輪輞內(nèi)外徑的模擬值與實測值對比Fig.3 Comparison between simulated and measured values of inner&outer diameters of the rim during wheel rolling

由圖3可見：模擬軋制得出的輪輞內(nèi)外徑變化趨勢與實測情況基本一致。實測時的測量位置與仿真處理時的測量位置不一定完全相同，故模擬值與實測值存在一定誤差。由此表明車輪立式軋制模型具有較高的可靠性和準確性。

1.2 軋制過程輻板減薄現(xiàn)象

圖4為軋制前后輪坯斷面形狀。由圖4可看出：輻板非軋制區(qū)在軋制過程中不受輻板輥直接壓縮變形，但軋后輻板有明顯的減薄現(xiàn)象；模擬結束后，A位置減薄1.5 mm，B位置減薄4.2 mm。實際生產(chǎn)中，HESA840車輪軋制結束后輻板非軋制區(qū)域的減薄量為3 mm左右，進一步驗證模擬結果的可靠性。盡管輻板在軋制中沒有受任何工具的直接壓縮作用，但因徑向拉應力的作用，致使非軋制區(qū)域輻板厚度減薄。工藝設計過程中，為保證達到軋后輻板厚度的要求，在終鍛工步中對輻板部位的厚度進行預先補償，補償量的設計依賴于對車輪軋制過程中輻板減薄量的估計。

圖4 軋制前后斷面Fig.4 Wheel section before and after rolling

由圖4還可看出：在車輪軋制過程中，輻板輥與主輥對輪輞徑向的輾壓使輪輞金屬大部分沿周向流動，導致輪輞內(nèi)外徑增加；小部分金屬沿著輻板輥的錐面流向輻板，但流向輻板的金屬體積往往不能補充輻板長度延展所需的體積，造成輻板徑向受拉，輻板厚度減薄。

圖5 軋制過程中輻板厚度變化Fig.5 Thickness variation of web during rolling

圖5為車輪輻板A，B位置厚度在軋制過程中的變化。由圖5可見：輻板非軋制區(qū)在軋制中期(4～12 s)拉薄顯著；軋制初期，輻板位置A厚度有一定程度的增加，軋制中期減薄，軋制后期趨于穩(wěn)定。A位置在軋制初期增厚是其在開軋時接近輻板輥的咬入位置，輻板輥將兩輻板輥之間的部分金屬擠向A位置所致。隨著軋制擴徑和輻板延展，A位置在徑向拉應力的作用下發(fā)生厚度減薄。整個軋制過程中，A位置 輻板厚度的減薄量小于B位置，且每道次A，B位置減薄量不同，位置B減薄量較大，在第6圈中減薄達到0.7 mm。

通過后處理跟蹤分析，輻板減薄主要發(fā)生在從進入軋邊輥變形區(qū)到出主輥變形區(qū)的1/4圈內(nèi)，如圖5中插圖所示：位置a至位置c，這一過程中輻板所受拉應力較大，位置c至位置a的3/4圈內(nèi)，輻板厚度基本不變化。

2 軋制過程中金屬流動體積的計算

車輪軋制過程中輻板受拉的根本原因是輪輞軋制擴徑時流向輻板的金屬不足所致。通過計算軋制過程中各部分金屬流動的體積可得出輻板需補充體積的計算式。

2.1 簡化處理

主變形區(qū)中，輻板輥前錐面、后錐面、圓弧段分別對應加工輻板、輪輞內(nèi)圓面及輪輞輻板連接處圓弧段。為方便計算，對輪輞形狀進行簡化，將圓弧過度區(qū)域簡化為鈍角過度，如圖6(虛線輪廓為1圈軋制后車輪斷面形狀示意圖)，并假定內(nèi)外輞板距離相等(b1=b2),軋制過程中輻板厚度不變。主變形區(qū)中輪輞軸向寬展在軋邊變形區(qū)消除，因此計算金屬體積遷移時假定主變形無寬展。

圖6 輪坯斷面變形簡化示意圖Fig.6 Simplified schematic diagram of section deformation of wheel blank

設車輪旋轉1圈主輥的進給量為δ。主輥與輻板輥的形狀及尺寸相差很大及接觸輪輞的部位不同，軋制時主輥進給量δ按某一比例分配至主輥側(Δr1)和輻板輥側(Δr2)(Δr1+Δr2=δ)。將圖6(a)中軋制前后車輪軸線移至同一處，如圖6(b)，可計算軋制前后輪輞各部位金屬體積變化。通過1圈的軋制，輪輞內(nèi)徑增加2Δr,外徑增加2ΔR。輻板延展后，輪心位置也發(fā)生變化。車輪軋制1圈輻板體積增量為V5，其中V1是由輻板輥在輪輞內(nèi)徑圓面壓入而新露出的輻板體積，圖6(a)所示。根據(jù)體積不變原則，輪輞內(nèi)圈壓入的體積等于輪輞外圈增加的體積與流入輻板體積之和，即

2.2 軋制過程輻板延展體積增量

圖6(b)中V5和圖6(a)中V1的差值即為軋制過程中輪輞應流入輻板的金屬量，如

整理可得

由于(Δr-Δr2)?2(ri-m),則有

式中：ri為輪輞內(nèi)半徑；Δr為內(nèi)半徑增加量；Δr2為輻板輥測壓入量；s為輻板厚度；m為輪輞內(nèi)徑斜面坡度。Δr2的計算可參考文獻[12]，首先計算主輥側的壓入量為

則

式中：r0為輪輞外半徑；R2為主輥半徑；l2為主輥接觸弧投影長度。

式(4)給出了軋制過程中保持輻板厚度不變條件下，輪輞需流入輻板的金屬體積。由式(4)可見，其值隨著軋制擴徑速度和輪輞內(nèi)徑的增加而增大，隨輻板輥側壓入量增加而減小。該式也可用于計算車輪整個軋制過程中需從輪輞流入輻板總的體積。

軋制過程中，如果輪輞流入輻板的體積小于(V5-V1),則輻板受拉減薄。輻板減薄程度取決于流入輻板的金屬體積量。如果流入輻板的體積量過小，輻板將被過度拉薄、拉長，并導致輪輞金屬量的明顯增加；在軋制過程中主輥總進給量恒定的情況下，輪輞內(nèi)外徑將因輻板拉薄而大于設計值。輪輞內(nèi)外徑的增加又導致輪輞金屬流向輻板的難度增加，將進一步加劇輻板拉薄，形成正反饋。在生產(chǎn)實踐中偶爾會出現(xiàn)軋制過程中輻板被極度拉薄甚至拉斷的情況。

從以上分析來看，為減輕軋制過程中非軋制區(qū)的輻板拉薄現(xiàn)象，可采取三方面措施：在成形工藝設計時，適度增大模鍛成形坯輪輞的內(nèi)外徑，減小軋制階段的擴徑量；適當減小軋制擴徑速度；優(yōu)化輻板輥形狀以減小輪輞金屬流向輻板的阻力。

3 結 論

基于車輪軋制過程的有限元仿真和金屬流動體積的理論計算，對車輪立式軋制過程中的輻板拉薄現(xiàn)象進行分析，得出以下結論：

1)HESA840車輪輻板非軋制區(qū)域在軋制過程中發(fā)生拉薄現(xiàn)象，減薄厚度1.5～4.2 mm，拉薄現(xiàn)象主要發(fā)生在軋制中期每圈中軋邊輥變形區(qū)至主輥變形之間的1/4圈內(nèi)；

2)給出了車輪軋制過程中輻板延展所需金屬體積的理論解析算法及其主要影響因素。軋制過程中輻板的減薄程度隨軋制擴徑速度和輪輞的內(nèi)徑增加而增大，隨輻板輥側壓入量的增加而減小。