薄壁管件環(huán)輥旋壓工藝及其特性*

許鐿巍，周梓朋，李維壯，梁建國，張國慶，趙春江

（1.太原科技大學(xué)，山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024；3.太原磬泓機(jī)電設(shè)備有限公司，山西 太原 030027）

隨著高溫、高壓、軍工、化工等行業(yè)設(shè)備大型化，對于大尺寸無縫管件的需求量大大增加，而大尺寸管件往往管壁較厚，所以對于厚壁管件的減薄旋壓研究是當(dāng)今領(lǐng)域的研究熱點。在傳統(tǒng)的強(qiáng)力旋輪旋壓工藝中，旋輪沿芯棒轉(zhuǎn)動的坯料軸向方向作進(jìn)給運(yùn)動，使旋輪與坯料表面發(fā)生斷續(xù)局部塑性變形而減壁成型為薄壁件，具有材料利用率高、加工成本低的優(yōu)點，同時也是實現(xiàn)晶粒細(xì)化的重要手段［1］；但同時因為其接觸變形區(qū)窄，塑性變形只局限于旋輪與坯料接觸區(qū)，而周圍多為彈性區(qū)，所以在加工厚壁坯料時常出現(xiàn)內(nèi)層金屬變形不充分的情況［2］。

內(nèi)旋輪旋壓工藝［3］是在外旋輪旋壓基礎(chǔ)上通過改變旋輪與坯料的布置方式，改變接觸密合度，實現(xiàn)擴(kuò)大接觸變形區(qū)，增大旋壓力，提高旋軋力滲透深度，以實現(xiàn)中厚壁管壁厚方向的整體拉伸變形。首先對外旋輪旋壓和內(nèi)旋輪旋壓在同一工藝參數(shù)下加工Φ57 mm×3 mm 不銹鋼管件進(jìn)行有限元仿真，得到兩者變形區(qū)應(yīng)力分布差異與軸向拉伸特性，之后采用自主設(shè)計的內(nèi)旋輪旋壓設(shè)備對相同尺寸不銹鋼無縫管進(jìn)行5 道次加工，分析加工后坯料的產(chǎn)品特性，并總結(jié)內(nèi)旋輪旋壓工藝的技術(shù)特性。

1 內(nèi)旋輪旋壓工藝簡介

采用的內(nèi)接觸式旋輪旋壓（Internal Contact Roller Spinning，ICRS）加工工藝不同于外接觸式旋輪旋壓（External Contact Roller Spinning，ECRS）加工工藝，是在外旋壓工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。ECRS 指的是加工過程中，旋輪與金屬管坯料為外切圓接觸形式，布置形式如圖1（a）所示，其特點是旋輪的傳動結(jié)構(gòu)在外側(cè)布置，旋輪尺寸不限，能實現(xiàn)大范圍尺寸的坯料加工，同時能實現(xiàn)多組旋輪周向均布［4］，以實現(xiàn)提高瞬時軋制力，提升成品質(zhì)量的目的；采用的ICRS 加工旋輪與金屬管坯料接觸形式為內(nèi)切圓形式，要求旋輪內(nèi)徑略大于金屬管坯最大外徑，布置形式如圖1（b）所示。

圖1 旋輪布置形式示意

葉山益次郎［5-6］提出外旋輪旋壓加工理論，采用斜楔壓下代表旋輪與金屬管坯料的瞬時加工過程；馬澤恩［7］在葉山益次郎研究基礎(chǔ)上推導(dǎo)強(qiáng)力旋壓過程中旋壓力理論，并得到旋輪與坯料接觸包角βo的工程算式為：

式中 r1，r2——旋輪加工面直徑和坯料外徑，mm；

re——旋輪與坯料接觸區(qū)咬出位置的坯料半徑，mm；

Δt ——減薄量，mm。

在上述旋輪布置基礎(chǔ)上得到內(nèi)旋壓工藝的接觸包角βi工程算式為：

式中 y ——咬入點的縱坐標(biāo)位置，mm；

λ ——內(nèi)旋輪與坯料中心距，mm。

參照上述加工算式得到相同旋輪尺寸下坯料接觸角隨減薄量的變化如圖2 所示，發(fā)現(xiàn)ICRS 加工方法接觸包角約為ECRS 加工方法的2～3 倍，且隨著減薄量的增加，ICRS 加工有更大的包角增長率。

圖2 坯料接觸角隨減薄量的變化情況

2 仿真試驗

2.1 仿真模型

通過有限元仿真方法研究金屬變形過程的應(yīng)力應(yīng)變分布是當(dāng)今工程技術(shù)研究當(dāng)中的通用方法。詹梅［8-9］采用有限元模擬分析方法建立旋壓模型，得到實際試驗難以得到的旋壓過程中相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量參數(shù)的影響規(guī)律，為相關(guān)工藝確定和優(yōu)化提供參考依據(jù)。楊羽［10-11］采用仿真軟件修正了旋壓力Thamasett 算法并分析產(chǎn)生誤差的原因。JIANG S Y［12］等對帶內(nèi)筋薄壁管類零件進(jìn)行旋壓，并通過數(shù)值模擬分析預(yù)測應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)變化及進(jìn)行旋壓載荷的預(yù)測。上述研究者通過有限元仿真發(fā)現(xiàn)單變量或多變量參數(shù)在旋壓過程中的耦合規(guī)律。

采用圖1 所示布置結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由3 部分組成，分別為芯棒、管坯料、旋輪。管坯料套于芯棒外側(cè)，旋輪截面為光滑圓弧形圖面，截面采用陳實［13］所述的強(qiáng)力旋壓截面結(jié)構(gòu)，截面形狀如圖1（c）所示。加工的管坯料尺寸為Φ57 mm×3 mm。

2.2 仿真計算過程

上述旋輪旋壓工藝模型采用三維建模軟件建模，并將旋輪移至旋壓初始位置，將模型導(dǎo)入有限元。模擬過程中將芯棒及旋輪設(shè)為剛體，分別在其轉(zhuǎn)動中心線設(shè)定參考點，將坯料設(shè)為可變形體，并根據(jù)表1 在旋輪參考點處設(shè)定旋輪運(yùn)動參數(shù)及坯料材料參數(shù)。在芯棒參考點處約束了除繞圖1 中Y軸轉(zhuǎn)動自由度外其余的自由度，用以約束芯棒和坯料的運(yùn)動。仿真模型采用逆時針沿軋制中心線向未成形區(qū)移動，在此過程中，主動轉(zhuǎn)動的旋輪在摩擦 力作用下帶動坯料及芯棒共同回轉(zhuǎn)。

表1 旋輪運(yùn)動參數(shù)和模擬材料304 不銹鋼的特性參數(shù)

3 模擬結(jié)果分析

在坯料變形過程中，根據(jù)坯料金屬與旋壓模具的相對流動狀態(tài)，把軸向方向的變形區(qū)分為4 類，分別為咬入?yún)^(qū)、鼓形區(qū)、變形區(qū)和咬出區(qū)。咬入?yún)^(qū)為坯料表面與模具首次接觸的初始狀態(tài)，這部分金屬在模具摩擦力及旋壓錐角產(chǎn)生的表面壓力共同作用下產(chǎn)生軸向和周向變形；鼓形區(qū)表現(xiàn)為因金屬堆積產(chǎn)生的徑向尺寸增大，主要與模具工藝參數(shù)、材料變形抗力及金屬流動能力相關(guān)，使外層部分金屬堆積在未成型區(qū)，抑制與堆積金屬粘連的內(nèi)層金屬軸向流動；變形區(qū)為主要減薄變形區(qū)，起始位置為鼓形區(qū)金屬徑向尺寸達(dá)到坯料外徑尺寸，帶動鼓形區(qū)金屬及內(nèi)層金屬進(jìn)行軸向變形；咬出區(qū)為單位軸向長度圓環(huán)經(jīng)過模具徑向最低位置點，在此之后坯料不再與模具接觸。

圖3 所示為兩種旋壓布置方式下坯料軋制方向，軸向截面等效應(yīng)變與Mises 應(yīng)力場云圖。在整個模擬過程中，每個軸向單位長度上的坯料具有相同的塑性變形過程。從圖3 中可明顯看到ICRS 加工接觸區(qū)應(yīng)力均布且達(dá)到了塑性屈服極限；而ECRS 加工接觸區(qū)應(yīng)力分散，塑性區(qū)窄且接觸區(qū)外周向位置有較大應(yīng)力，應(yīng)力分布不均勻。圖4 顯示了兩種旋壓方式下變形區(qū)4 個階段的周向應(yīng)力分布情況，通過對比可明顯發(fā)現(xiàn)，隨著壁厚減薄，ICRS 加工的應(yīng)力始終集中于壁厚方向接觸區(qū)，且變形區(qū)周向?qū)挾炔蛔?，而ECRS 加工的壁厚方向應(yīng)力分布隨壁厚的減薄逐漸分散，最終造成圖4（h）所示的非接觸區(qū)應(yīng)力增高的塑性變形行為。

圖3 兩種旋壓方式下接觸區(qū)應(yīng)力和應(yīng)變示意

圖4 兩種旋壓方式下變形區(qū)4 個階段的周向應(yīng)力示意

為了研究兩種工藝在坯料壁厚方向的變形行為，提取已成型區(qū)徑向方向的軸向應(yīng)變，數(shù)據(jù)處理后如圖5（a）所示?？梢园l(fā)現(xiàn)ECRS 工藝下坯料壁厚方向心層軸向應(yīng)變低，表面與芯棒和旋環(huán)接觸部分軸向應(yīng)變高，心層與表層平均軸向應(yīng)變差為0.16；采用ICRS 工藝時，壁厚方向軸向應(yīng)變沿坯料內(nèi)表面向外表面線性增大，雖然內(nèi)外表面軸向應(yīng)變差值為0.2，但壁厚方向應(yīng)變梯度小于ECRS 加工形式，說明具有更均勻的軸向應(yīng)變。提取加工區(qū)模型壁厚方向Mises 應(yīng)力，結(jié)果如圖6 所示，當(dāng)坯料與旋輪接觸，該部分金屬處于變形區(qū)并產(chǎn)生應(yīng)力突變。結(jié)果表明，ICRS 加工工藝下變形區(qū)應(yīng)力均勻突變，且應(yīng)力近似相等，實現(xiàn)了變形區(qū)壁厚方向金屬的均勻變形，且說明該工藝軋透性好；ECRS 工藝下，接觸區(qū)徑向應(yīng)力不均等且沒有明顯的分布規(guī)律，結(jié)果是造成徑向金屬的三向不均勻變形。

圖5 兩種旋壓布置方式下的應(yīng)變變化

圖6 兩種旋壓布置方式下的徑向Mises 應(yīng)力變化

4 結(jié)語

（1）ICRS 工藝應(yīng)力集中于變形區(qū)，且軋透性好，ECRS 工藝應(yīng)力沿周向不均勻分布，且鼓形區(qū)應(yīng)力較大；

（2）隨著坯料逐漸減薄，ICRS 工藝下應(yīng)力始終集中于接觸區(qū)，ECRS 工藝下軸向應(yīng)力分布不均，應(yīng)力逐漸由集中于接觸區(qū)分散至周向各位置；

（3）ICRS 工藝下坯料徑向方向的軸向應(yīng)變線性增加，具有徑向極差小，平均剪應(yīng)力極差和平均差小的特點，坯料產(chǎn)生切向均勻變形；ECRS 工藝下徑向金屬的軸向應(yīng)變表現(xiàn)為表層大、心層小，且坯料變形區(qū)徑向方向剪應(yīng)變極差大，說明該工藝下坯料徑向方向上的軸向和周向應(yīng)變皆不均勻，坯料整體呈現(xiàn)不均勻變形。