HDSA車輪立式軋制變形分析

肖 峰，沈曉輝，趙 慧，張 磊

(1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司輪軸事業(yè)部，安徽馬鞍山243010；2.安徽工業(yè)大學冶金工程學院，安徽馬鞍山243032)

車輪軋制是輾鋼車輪熱成形的關鍵工步。車輪坯模鍛預成形之后，通過車輪軋制擴大外徑，延展輻板并完成輪輞及輪緣最終成形，其變形過程十分復雜。車輪軋制分為臥式和立式兩種形式[1]。秦國慶等[2]從幾何學、靜力學、運動學等角度對臥式軋制的相關力學參數(shù)進行了初步解析，并得出輻板輥、車輪與主輥間的速度關系。鄧加東等[3]使用Abaqus有限元軟件對車輪臥式軋制過程進行了有限元分析，考察了軋制過程力能參數(shù)的變化和應力應變分布。馬鋼目前兩條車輪生產線都采用立式軋制[4]，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，車輪軋制工具的配置、運動以及輪輞的變形模式都比較復雜。對此沈曉輝等[4-8]對立式車輪軋制的成形條件進行了理論分析，給出了道次進給量在輻板輥和主輥側的分配比例關系，探討了立式軋制徑向變形區(qū)的輪輞擴徑條件，并基于Marc/SuperForm平臺對車輪立式軋制過程進行了有限元仿真，分析了車輪軋制過程的應變分布和輪輞軋制擴徑機理以及輻板拉薄現(xiàn)象。武勝飛等[9]采用Deform 軟件也對車輪立式軋制過程進行了分析，探討了力能參數(shù)變化和金屬變形特點。英國學者Davey等[10]為了控制車輪模鍛預成形過程中金屬的合理流動，基于有限元模擬對初鍛坯形狀進行了優(yōu)化，還將車輪軋制簡化為平面變形問題，分析了金屬在徑向平面內的流動。俄羅斯Kushnarev等[11-12]對車輪模鍛預成形進行了三維模擬，對影響預成形坯形狀和尺寸的因素進行了較為全面的分析，并通過車輪立式軋制實驗，改進了車輪軋制工藝設計方法。

由于車輪立式軋制變形的高度復雜性，車輪軋制變形仍有待于深入研究。HDSA車輪是一種用量較大的貨車輪，文中基于有限元法，以HDSA車輪軋制為研究對象，進一步分析車輪軋制過程的擴徑、寬展及應力應變分布規(guī)律，以期為合理制定和優(yōu)化車輪軋制工藝提供理論支撐。

1 仿真計算條件

車輪立式軋制時，輪輞在徑向變形區(qū)和軸向變形區(qū)中連續(xù)多道次變形。徑向變形區(qū)位于由主輥與輻板輥構成的輥縫區(qū)域，軸向變形區(qū)位于兩個軋邊輥之間的輥縫區(qū)域。軋制時，左右輻板輥驅動輪坯旋轉，主輥向車輪方向進給，輻板輥位置基本不變。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、導輥及對中輥的位置隨著輪徑變化而實時調整。文中借助Marc/SuperForm有限元軟件，在前期開發(fā)的仿真模型[7]基礎上，對HDSA車輪的軋制過程進行模擬。

軋制擴徑量(內徑單邊擴徑量)為63 mm，輪輞厚度減薄量(主輥進給量)為29 mm，軋制目標內徑和外徑分別設定為738，860 mm，仿真模型如圖1。建模方法及主輥進速度參照文獻[7]。本研究中，通過下支撐輥的高度調整(子程序motion.f 控制)保持車輪軸線高度不變。模型加載時間21 s，設置8 400增量步。

圖1 車輪軋制仿真模型Fig.1 Simulation model of wheel rolling

2 仿真模擬結果與分析

2.1 軋制過程車輪直徑變化

車輪旋轉圈數(shù)(或道次數(shù))與軋制時間對應關系的仿真結果如圖3。由圖3 可見，軋制21 s，車輪旋轉了21 圈。通過仿真模型中測量輥的位移和主輥進給量，計算得出軋制過程中輪輞內外徑的變化并與實測內外徑進行對比，結果如圖4。由圖4 可看出：輪輞內外徑的模擬值與實測值基本一致，軋制初期，輪輞外徑變化速度很小，而輪輞內徑有較大的增長速度；軋制中期(4～16 s)，輪輞擴徑速度明顯增大；軋制末期，由于道次進給量的減小，輪輞內外徑增長較小；軋制結束時，輪輞內外徑分別達到737.6，858.9 mm，基本達到目標要求(內、外徑的目標分別為738，860 mm)。

圖2 車輪軋制不同階段的斷面形狀Fig.2 Section shape of wheel rolling in different stages

圖3 車輪旋轉圈數(shù)與時間的關系Fig.3 Relation between wheel rotations and time

圖4 軋制過程中輪輞內外徑的變化Fig.4 Change of inner and outer diameter of wheel rim during the rolling

軋制過程每圈的進給量(即道次進給量)和輪輞外徑的增加量如圖5。由圖5可看出：軋制第一圈道次進給量最大，2.5 mm；隨后道次進給量逐道減小，前6圈中每圈的徑向壓下量都大于2 mm。整個軋制過程中，道次相對壓下率只有3%左右，前13圈軋制中盡管主輥進給量逐圈降低，但是車輪外徑的增長速度基本呈增加趨勢，第13 圈的單圈外徑增長量達到最大值，為5.1 mm/圈。圖5 中顯示：第2 圈軋制中踏面外徑稍有減少，原因是第2圈軋制中，車輪踏面的斜度與軋輥趨于一致，而軋輥踏面斜度較小，導致測量輥測出的數(shù)據(jù)偏??；前3 圈徑向變形區(qū)輾壓的金屬有相當一部分流向輪輞角部區(qū)域和對輪緣部位，導致該階段外徑增長緩慢；軋制第4圈后，輪緣和輪輞角部區(qū)域金屬趨于填滿，輪輞外徑增長達到較高速度；車輪旋轉13 圈之后，輪輞外徑增長速度逐漸降低，第21圈輪輞外徑增長速度只有1.3 mm/圈。

2.2 輪輞寬展分析

車輪軋制過程中，輪輞寬度在兩個變形區(qū)中發(fā)生復雜的變化。徑向變形區(qū)中，輪輞金屬在主輥和輻板輥的擠壓下，輪輞寬度增加；軸向變形區(qū)中，輪輞金屬受軋邊輥的壓下，輪輞寬度被壓到設定值。車輪立式軋制時，徑向變形區(qū)中的輪輞變形程度顯著大于軋邊變形區(qū)，其寬展量的大小與擴徑效率密切相關。由于主輥側與輻板輥側壓入量的不同以及輪輞斷面的特殊形狀，輪輞不同位置的寬展量也不同。圖6為輪輞3個位置處的寬展變化及寬展情況。圖6(b)中相鄰的波谷和波峰之差即為徑向變形區(qū)中產生的寬展量，圖6(b)顯示：輪輞寬度在軋制過程中基本呈矩形波形式變化，C位置靠近輻板，軋制前充滿度不高，前5圈該位置寬度逐道次增加；軋制中期，輪輞寬度的大小順序是A＞C＞B，也即輪輞中間厚度處的寬度最小，說明輪輞內外側面呈一定程度的雙鼓形；軋制后期，B，C處的寬度基本相同，但比A位置寬度偏小約2 mm；車輪軋制結束時，輪輞寬度沿周向不等，內外側端面不平整，沿周向輪輞寬度差仍有1.5 mm。

圖5 HDSA車輪軋制過程每圈進給量和外徑增加量Fig.5 Feeding and outside diameter increasing per round during the rolling of HDSA wheel

圖6 車輪軋制過程輪輞寬度變化Fig.6 Width variation of wheel rim during the wheel rolling

車輪旋轉各圈(道次)的輪輞寬展量如圖6(c)。由圖6(c)可見：在前10圈，徑向變形區(qū)中輪輞寬展量較??；14～18圈寬展量達到峰值，且A位置的寬展量顯著大于B，C位置；A位置的最大寬展量達到5.5 mm，B，C位置的最大寬展量約3.0 mm；18圈之后，寬展量逐漸減小，但是由于輪輞金屬在兩個變形區(qū)中分別在厚度和寬度方向的反復壓縮，徑向變形區(qū)寬展量仍然較大；軋制結束時，B，C位置的道次寬展量仍有1.0 mm，A位置約為3.5 mm。根據(jù)寬展規(guī)律可優(yōu)化主變形區(qū)與軋邊變形區(qū)的協(xié)調變形控制。

2.3 變形分布

為分析不同位置金屬在軋制過程中的變形程度，對圖7(a)所示各位置的等效應變進行分析，其中節(jié)點N18749軋前位于輪輞根部，軋制結束后位于輻板。圖7(b)所示為輪輞中各跟蹤點在軋制過程中累積等效應變的變化。其中：靠近輪輞外側面的節(jié)點N53935等效應變最大(3.36)，約為靠近內側面的節(jié)點N70563(等效應變1.41)的2.4倍；踏面節(jié)點N57309的等效變形也較大(1.50)，踏面下隨著深度的增加，累積等效應變迅速減小并達到一個穩(wěn)定值(約0.23)。圖7(c)為輻板中各跟蹤點在軋制過程中的應變情況。其中：節(jié)點N12965和N13668位于非軋制段，但由于軋制過程輻板的拉薄，也發(fā)生了一定程度的塑性變形；由輪輞根部流入輻板的N18749節(jié)點發(fā)生的變形較為劇烈，軋制結束時其累積等效應變達到1.1。

圖7 軋制過程節(jié)點的等效應變Fig.7 Effective plastic strain of the tracking node during the rolling

為分析輪輞變形的深透性，仿真分析軋制不同時刻踏面下不同深度處的等效應變分布，結果如圖8。由圖8可見：軋制過程中，預成形坯踏面下25 mm范圍內，隨著深度增加，金屬等效應變呈線性降低；30 mm深度以下應變基本達到一個穩(wěn)定值；深度繼續(xù)增加到靠近輪輞和輻板的連接部位時，由于金屬流動的加劇應變有所增加，輪輞的變形主要發(fā)生在前13圈，車輪旋轉13圈之后，輪輞內部等效應變增加幅度很??；軋制結束時，踏面處應變最大為1.50，原始深度41 mm處的金屬應變最小(0.23)。

圖8 軋制不同時刻的輪輞變形深透性Fig.8 Deep penetration of rim deformation at different rolling times

2.4 輻板受力及厚度變化

車輪軋制變形過程中，變形區(qū)內外應力分布復雜，而應力對車輪的變形產生復雜的影響。圖9為車輪軋制旋轉第9 圈時徑向應力和周向應力分布情況，后處理時，需根據(jù)輪心位置的變化修改柱坐標系的原點位置，并將直角坐標系下的應力分量轉變?yōu)橹鴺讼迪碌膽Α榍逦闯鰬Ψ植家?guī)律，將拉應力和壓應力分別在兩個視圖中顯示。圖9(a)顯示，輻板大部分區(qū)域分布徑向拉應力，最大拉應力達到120 MPa。圖9(b)顯示：徑向壓應力主要分布在輻板輥和主輥的接觸區(qū)，最大壓應力達到-200 MPa；在變形區(qū)之外的輪輞和輻板部分區(qū)域也分布較小的徑向壓應力(小于20 MPa)。圖9(c)顯示，周向拉應力也主要分布在輻板區(qū)域，最大達到95 MPa。圖9(d)顯示，周向壓應力主要分布在輪輞，尤其是輻板輥與輪輞的接觸區(qū)域。從軋制過程中的應力分布來看，輻板大部分區(qū)域承受較強的徑向拉應力和周向拉應力。

圖9 軋制第9圈時的應力分布Fig.9 Stress distribution for the 9th round of rolling

輻板正是在拉應力的作用產生了減薄現(xiàn)象，稱之為“拉薄”。輻板拉薄量的大小取決于拉應力和金屬變形抗力的大小。圖10為車輪軋制過程中輻板不同位置的厚度變情況。由圖10可見：車輪遠離輪輞的非軋制區(qū)在2～13圈發(fā)生顯著的減薄現(xiàn)象，14圈之后，隨著擴徑速度的減小和輻板溫度的降低，輻板厚度不再減??；軋制結束后A位置減薄量為1.3 mm，B位置減薄量為3.3 mm，這一結果與生產實踐中觀測的輻板拉薄量(3～4 mm)基本一致?；谳棸謇×康念A測，可在預成形坯工藝設計時對輻板厚度進行相應補償，提高輻板尺寸精度。

圖10 車輪軋制過程輻板厚度變化Fig.10 Thickness variation of the web during wheel rolling

3 結 論

1)車輪軋制3～13圈時輪輞擴徑速度逐漸增大，第13圈的單圈外徑增長量達到最大值5.1 mm/圈，隨后外徑增長速度逐漸降低，第21圈輪輞外徑增長速度只有1.3 mm/圈。

2)在車輪軋制徑向變形區(qū)中，輪輞寬展量在14～18圈時達到峰值，沿輪輞厚度方向，輪輞寬度分布不均勻，靠近踏面處寬展量最大，最大道次寬展量達到5.5 mm。軋制結束前，盡管進給速度降為0，但仍有寬展量，導致終軋后輪輞內外側斷面不平整，沿周向輪輞寬度差可達到1.5 mm。

3)軋制過程中，輪輞變形深透性較差，心部區(qū)域變形較小，終軋后，對于對初始踏面下25 mm范圍內的金屬，隨著深度增加，等效應變呈線性降低，31 mm深度處應變有最小值0.23。

4)車輪軋制時輻板主要承受周向拉應力和徑向拉應力，拉應力導致輻板被拉薄，輻板拉薄主要發(fā)生在2～13圈，輻板最大拉薄量達到3.3 mm。