高強(qiáng)度級(jí)40CrNi2MoA輥套產(chǎn)品成型優(yōu)化研究

王成武

（天津特鋼精鍛有限公司，天津300300）

0 引言

隨著采礦業(yè)的發(fā)展，采礦面臨的惡劣工況環(huán)境、高品質(zhì)的礦產(chǎn)設(shè)備以及長(zhǎng)壽命設(shè)備的關(guān)鍵部位零件等因素對(duì)礦山設(shè)備中的輥套產(chǎn)品提出了更高的質(zhì)量要求。礦產(chǎn)設(shè)備有一些易損件只要在特定的部位磨損到一定的尺寸后就失效報(bào)廢，如果整個(gè)易損件都采用硬度很高的耐磨材料的話就會(huì)造成材料浪費(fèi)。因此，提高輥套產(chǎn)品的綜合力學(xué)性能指標(biāo)及產(chǎn)品質(zhì)量，延長(zhǎng)輥套的使用壽命進(jìn)而降低采礦成本具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

收稿日期：2020-09-25

作者簡(jiǎn)介：王成武（1984—），男，工程師，現(xiàn)從事材料加工過(guò)程、環(huán)件軋制技術(shù)的研究。

輥套產(chǎn)品在工作過(guò)程中最主要的工作區(qū)域及方向?yàn)橥獗砻婧蛨A周切向方向，通過(guò)塑性變形及材料流動(dòng)的方式，使得產(chǎn)品外徑區(qū)域的材料獲得充分的變形，打碎大的晶粒組織，材料更加致密，進(jìn)而使得產(chǎn)品外徑方向獲得細(xì)小的切向軋制形態(tài)的晶粒組織，對(duì)提高產(chǎn)品在使用過(guò)程中的綜合性能具有很大的意義。本文通過(guò)對(duì)鍛造、徑向軋制的成型方式的研究、試制和理論分析，提出了一種提高此類產(chǎn)品外圓部位使用性能的成型方式，即鍛造成型與軋制成型相結(jié)合的成型方式，替代了傳統(tǒng)的單一鍛造的成型方式，并開展了工藝研發(fā)和生產(chǎn)實(shí)踐。

1 輥套產(chǎn)品技術(shù)要求

1.1 產(chǎn)品性能要求

輥套產(chǎn)品力學(xué)性能要求見(jiàn)表1。

表1 力學(xué)性能要求

1.2 常用輥套產(chǎn)品尺寸規(guī)格

常用輥套產(chǎn)品尺寸規(guī)格見(jiàn)表2。

表2 常規(guī)產(chǎn)品規(guī)格

1.3 材質(zhì)化學(xué)成分

40CrNi2MoA材質(zhì)輥套產(chǎn)品的化學(xué)成分見(jiàn)表3。

表3 40CrNi2MoA合金鋼主要化學(xué)成分 /%

2 輥套產(chǎn)品鍛造成型過(guò)程分析

40CrNi2MoA輥套的傳統(tǒng)鍛造工藝為：下料、滾圓、鐓粗、沖孔、芯軸拔長(zhǎng)、芯棒擴(kuò)孔。該工藝存在以下主要問(wèn)題：

（1）輥套外徑區(qū)域部分變形不均勻。在芯軸拔長(zhǎng)、擴(kuò)孔階段要保證工件各個(gè)部分下壓量及變形程度一致幾乎是不可能的，這也是導(dǎo)致了后面分析組織性能不均勻的原因之一。金屬塑性變形量對(duì)最終產(chǎn)品的微觀晶粒組織影響較大，變形程度過(guò)小，則不能起到細(xì)晶強(qiáng)化、提高力學(xué)性能作用，變形程度過(guò)大，不僅不會(huì)提高力學(xué)性能，還會(huì)產(chǎn)生流線組織，使得金屬各項(xiàng)異性明顯，當(dāng)變形不均勻時(shí)，區(qū)域之間就產(chǎn)生較大性能差異，且由于變形量之間的差異，會(huì)有較大殘余應(yīng)力。

（2）加工余量過(guò)大。在后續(xù)加工過(guò)程中將變形充分的外徑區(qū)域加工去除，這種現(xiàn)象是不可避免的，且從經(jīng)濟(jì)考慮，加工余量大，提高生產(chǎn)成本。由于自由鍛成型在尺寸控制方面不太精確，傳統(tǒng)成型工藝的缺陷，極大了限制了對(duì)于最終產(chǎn)品的力學(xué)性能。

3 輥套產(chǎn)品成型工藝的優(yōu)化

為切實(shí)提高產(chǎn)品質(zhì)量及解決變形不均勻、加工余量過(guò)大導(dǎo)致去除量大的問(wèn)題，對(duì)40CrNi2MoA輥套產(chǎn)品成型工藝進(jìn)行了優(yōu)化。主要工藝包括：下料、滾圓、鐓粗、沖孔、芯軸拔長(zhǎng)、輾環(huán)。首先在壓機(jī)上進(jìn)行鐓粗、沖孔、芯軸拔長(zhǎng)的工藝操作，且在壓機(jī)上將鍛件高度控制到設(shè)計(jì)尺寸；然后在環(huán)軋機(jī)設(shè)備上進(jìn)行輾環(huán)工藝操作，輾環(huán)過(guò)程中只進(jìn)行徑向軋制變形，獲得軋制態(tài)的組織。碾環(huán)軋制示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 碾環(huán)軋制示意圖

3.1 輥套輾環(huán)軋制成型工藝計(jì)算

3.1.1 輥套輾環(huán)軋制瞬時(shí)外徑Dt與瞬時(shí)內(nèi)徑dt

通過(guò)采用deform有限元分析軟件對(duì)成型過(guò)程進(jìn)行模擬，基于塑性理論計(jì)算軋制過(guò)程中芯輥、錐輥的運(yùn)動(dòng)方程，假設(shè)坯料于各輥之間無(wú)相對(duì)摩擦，假設(shè)軋制前坯料初始外徑、內(nèi)徑、壁厚、和軸向高度分別為D0、d0、B0、和H0，軋制過(guò)程中瞬時(shí)外徑、內(nèi)徑、壁厚、軸向高度分別為Dt、dt、Bt、Ht，根據(jù)軋制過(guò)程中塑性變形體積不變有：

根據(jù)幾何關(guān)系，初始厚度與初始內(nèi)徑、初始外徑關(guān)系以及瞬時(shí)厚度與瞬時(shí)外徑、內(nèi)徑之間關(guān)系有[1]：

將式（2）代入式（1）可以得到，瞬時(shí)外徑Dt與瞬時(shí)內(nèi)徑dt：

3.1.2 輥套輾環(huán)軋制外徑擴(kuò)大速度Dt與內(nèi)徑擴(kuò)大速度d′t

通過(guò)Dt與dt對(duì)時(shí)間求導(dǎo)可以得到外徑擴(kuò)大速度D′t與內(nèi)徑擴(kuò)大速度d′t[2]：

3.1.3 坯料瞬時(shí)角速度ωt與芯輥角速度ω2

Vb為芯輥進(jìn)給速度，Vh為芯輥下壓速度，由于保證軸向厚度不變，因此Vh=0。通過(guò)以上公式得到計(jì)算軋制過(guò)程中導(dǎo)輥的運(yùn)動(dòng)軌跡。

假設(shè)驅(qū)動(dòng)輥在軋制過(guò)程中角速度不變，有坯料瞬時(shí)角速度：

式中，ωt為坯料瞬時(shí)角速度，ω0為驅(qū)動(dòng)輥角速度。

在軋制過(guò)程中芯輥線速度與坯料內(nèi)徑線速度相同，因此有芯輥瞬時(shí)角速度計(jì)算公式：

式中，ω2為芯輥角速度，D2為芯輥直徑。

3.1.4 徑向軋透的最小軋制每轉(zhuǎn)進(jìn)給量Δhmin

軋制過(guò)程中，為保證材料變形趨于一致，保持成形過(guò)程的組織均勻性，應(yīng)該滿足鍛透條件，根據(jù)塑性成形滑移線理論，有：

式中，L為坯料與軋輥接觸弧長(zhǎng)，Ha為坯料徑向平均厚度。Ha計(jì)算公式為：

式中，D0為初始坯料外徑，d0為初始坯料內(nèi)徑。

根據(jù)軋制關(guān)系，在軋制過(guò)程中某一時(shí)刻，軋制后的坯料徑向厚度為h，未通過(guò)軋輥部分徑向尺寸為h0，進(jìn)給量為Δh，所以h0=h+Δh，則有坯料徑向瞬時(shí)平均厚度ha：

將式（11）代入式（9）有：

式中，Δhmin為徑向軋透的最小軋制每轉(zhuǎn)進(jìn)給量，R為坯料外徑，r為坯料內(nèi)徑，R1驅(qū)動(dòng)輥半徑，R2為芯輥半徑。

通過(guò)公式（12）可以說(shuō)明，軋制過(guò)程中坯料是否軋透與芯輥半徑、驅(qū)動(dòng)輥半徑、坯料內(nèi)徑外徑都有關(guān)，且Δhmin值由于軋制過(guò)程中坯料內(nèi)徑外徑變化一直處于變化中。

3.1.5 徑向軋制的最大每轉(zhuǎn)進(jìn)給量Δhmax

假設(shè)軋制時(shí)坯料內(nèi)徑與外徑切線方向?yàn)閄方向，芯輥與驅(qū)動(dòng)輥圓心連線方向?yàn)閅方向，為保證軋制過(guò)程的咬入條件，X方向合力方向應(yīng)當(dāng)與軋制旋轉(zhuǎn)方向一致，Y方向合力為0，因此有

式中，β為摩擦角，α1為驅(qū)動(dòng)輥與環(huán)件夾角，α2為芯輥與環(huán)件的接觸角。

將式（14）代入式（13）整理得到：

式中，Δhmax為徑向軋制的最大每轉(zhuǎn)進(jìn)給量。

綜上所述，由公式15與公式12可以得到軋制過(guò)程中每轉(zhuǎn)進(jìn)給量的范圍。本文軋制過(guò)程中軸向厚度不變，因此不考慮軸向方向軋制條件。

3.2 輥套輾環(huán)軋制等效應(yīng)變、晶粒演變模擬計(jì)算

通過(guò)模擬計(jì)算對(duì)輾環(huán)軋制變形過(guò)程中的等效應(yīng)變及晶粒演變過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算，等效應(yīng)變的變化基本呈線性趨勢(shì)，徑向部分的變形量及變形速率趨于一致；在晶粒演變過(guò)程中，通過(guò)徑向方向查看，晶粒存在明顯被拉長(zhǎng)的情況，通過(guò)切向（即圓周）方向查看，晶粒大小趨于均勻一致，與設(shè)想情況接近一致，如圖3所示。

圖3 輾環(huán)軋制過(guò)程中晶粒演變過(guò)程模擬

3.3 輥套成型工藝優(yōu)化的實(shí)際驗(yàn)證

通過(guò)鍛造、環(huán)軋方式生產(chǎn)的輥套避免了不均勻變形，特別是在徑向（壁厚）部位的變形以及變形量過(guò)小不易改善宏觀組織結(jié)構(gòu)的問(wèn)題[2]。鋼錠下料后經(jīng)過(guò)鍛造變形及軋制變形，鍛造壓縮比及軋制壓縮比在6～9左右，終鍛溫度控制合理，避免溫度過(guò)高，晶粒粗大的現(xiàn)象，在加工完成后，在輥套本體徑向0°、180°，切向0°、180°取樣進(jìn)行分析對(duì)比，晶粒組織均勻。在徑向金相中可看出被軋長(zhǎng)的晶粒，在切向金相中，可看出晶粒細(xì)化均勻，晶粒度評(píng)級(jí)在7～9級(jí)，如圖4所示。

圖4 實(shí)際經(jīng)過(guò)鍛造及軋制變形后的金相組織

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)40CrNi2MoA材質(zhì)輥套產(chǎn)品成型工藝的研究、分析和對(duì)比，確定了采用鍛造、環(huán)形軋制相結(jié)合的成型方式替代傳統(tǒng)單一鍛造的成型方式，最終在外圓區(qū)域得到切向軋制形態(tài)均勻的晶粒組織，從而獲得了力學(xué)性能優(yōu)良、性價(jià)比高的輥套產(chǎn)品。

（1）采用優(yōu)化成型工藝后，較傳統(tǒng)鍛造成型方式，加工工藝余量減少，可提高成材料2%～3%左右，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益；

（2）成型工藝優(yōu)化后，輥套產(chǎn)品的最終性能滿足客戶要求、質(zhì)量穩(wěn)定，工作面的壽命及使用效果較傳統(tǒng)方式提高顯著。