多臺(tái)階渦輪軸三輥斜軋減徑量對(duì)軋制過(guò)程的影響規(guī)律研究

徐永銘, 孫寶壽*, 束學(xué)道, 徐煥磊

多臺(tái)階渦輪軸三輥斜軋減徑量對(duì)軋制過(guò)程的影響規(guī)律研究

徐永銘1,2, 孫寶壽1,2*, 束學(xué)道1,2, 徐煥磊1,2

（1.寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院, 浙江 寧波 315211; 2.浙江省零件軋制成形技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 寧波 315211）

運(yùn)用Simufact有限元軟件建立了三輥斜軋兩道次成形多臺(tái)階渦輪軸的仿真模型, 通過(guò)數(shù)值模擬分析了渦輪軸成形情況, 探究了減徑量對(duì)軋制過(guò)程中軋制力、等效應(yīng)力-應(yīng)變以及外圓度誤差的影響規(guī)律. 結(jié)果表明: 隨減徑量的增大, 軋件第1道次和第2道次的徑向載荷、等效應(yīng)力、等效應(yīng)變和外圓度誤差均呈增大趨勢(shì). 綜合比較3種方案下的軋件成形情況, 方案2為最佳的道次減徑量分配方案, 即第1道次減徑6mm, 第2道次各臺(tái)階減徑量分別為2、9和14mm.

三輥斜軋; 多臺(tái)階渦輪軸; 兩道次; 減徑量

渦輪軸是航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的核心傳動(dòng)部件, 由于高速、高溫、高壓的惡劣工作環(huán)境, 也是最容易發(fā)生故障的部位[1]. 渦輪軸的成形方法和成形質(zhì)量直接影響著飛機(jī)飛行的安全以及大國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的裝備技術(shù)水平. 目前渦輪軸的加工方式仍多采用傳統(tǒng)鍛造工藝, 由于工藝特性, 鍛造成形的渦輪軸容易出現(xiàn)彎曲、偏心等缺陷, 而且表面存在嚴(yán)重的金屬折疊缺陷, 造成后續(xù)精加工切削的余量較多, 所以渦輪軸成品率和材料利用率均較低[2].

三輥斜軋的概念最早起源于蘇聯(lián), 隨著有限元理論的日益完善, 各國(guó)學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)三輥斜軋成形過(guò)程進(jìn)行了深入研究. Pater等[3-4]對(duì)三輥斜軋成形卡車(chē)車(chē)軸進(jìn)行了有限元仿真, 驗(yàn)證了該工藝成形階梯軸的可行性以及通用性. 王付杰等[5]對(duì)管坯在三輥斜軋穿孔過(guò)程中的應(yīng)力-應(yīng)變分布及軋輥扭矩的變化規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬分析, 并在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上驗(yàn)證了模擬結(jié)果. 尹元德等[6]建立了Assel三輥斜軋工藝成形薄壁管過(guò)程的有限元模型, 分析了芯棒運(yùn)動(dòng)方式、送進(jìn)角和軋輥輾軋帶線型對(duì)軋件內(nèi)螺紋缺陷的影響規(guī)律.

在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上, 本文基于Simufact有限元軟件建立多臺(tái)階渦輪軸三輥斜軋兩道次成形的仿真模型, 通過(guò)分析軋制過(guò)程中軋制力、等效應(yīng)力-應(yīng)變和外圓度誤差隨減徑量的變化規(guī)律, 選取最佳的道次減徑量分配, 以獲得最優(yōu)的軋件成形方案和成形質(zhì)量, 為三輥斜軋多道次軋制階梯軸的減徑量分配提供參考依據(jù).

1 有限元模型的建立

1.1 三輥斜軋?jiān)?/h3>

三輥斜軋即是3個(gè)同向旋轉(zhuǎn)的軋輥繞軋制中心線呈120°圓周分布, 并且軋輥軸線相對(duì)于軋制中心線偏轉(zhuǎn)一定的角度(即為送進(jìn)角), 故軋件在軋輥的帶動(dòng)下做螺旋式前進(jìn)運(yùn)動(dòng). 在軋制過(guò)程中, 軋輥可以沿軋件徑向進(jìn)給, 收縮孔型以達(dá)到成形階梯軸不同直徑尺寸的目的. 另外, 在實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常根據(jù)減徑量的變化, 通過(guò)外部動(dòng)力牽引卡盤(pán)帶動(dòng)軋件軸向運(yùn)動(dòng), 從而協(xié)調(diào)軋輥的軋制速度. 圖1即為三輥斜軋?jiān)硎疽鈭D.

圖1 三輥斜軋?jiān)硎疽鈭D

1.2 毛坯材料及網(wǎng)格劃分

如圖2所示, 仿真模型由3個(gè)相同軋輥、芯棒、卡盤(pán)以及管坯組成.

圖2 多臺(tái)階渦輪軸三輥斜軋有限元模型

為了后期開(kāi)展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的需要, 選取1:3的多臺(tái)階渦輪軸作為研究對(duì)象, 尺寸如圖3所示, 即選用外徑50mm、內(nèi)徑10mm、長(zhǎng)度230mm的管坯進(jìn)行軋制, 材料為鎳基高溫合金GH4169, 本文采用的本構(gòu)方程如下[7]:

圖3 1:3多臺(tái)階渦輪軸(單位: mm)

坯料網(wǎng)格采用六面體自由網(wǎng)格進(jìn)行劃分, 網(wǎng)格尺寸設(shè)置為3mm, 另外通過(guò)網(wǎng)格細(xì)化功能對(duì)軋件斷面收縮率較大的Φ30mm臺(tái)階部分進(jìn)行區(qū)域細(xì)化, 細(xì)化等級(jí)選擇1級(jí), 即細(xì)化區(qū)域網(wǎng)格大小為正常區(qū)域1/8, 最終坯料網(wǎng)格數(shù)確定為11608.

1.3 初始條件和邊界條件

在多臺(tái)階渦輪軸三輥斜軋成形過(guò)程中, 軋件主要發(fā)生塑性變形, 彈性變形量較小, 為了縮短有限元仿真時(shí)間, 故采用剛塑性有限元法[8], 將軋件定義為塑性體, 其初始預(yù)熱溫度為1050℃; 將軋輥、芯棒和卡盤(pán)定義為恒溫剛性體, 其溫度均設(shè)定為150℃; 另外設(shè)置環(huán)境溫度為20℃.

為了在數(shù)值模擬時(shí)方便設(shè)置細(xì)化區(qū)域, 根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理, 將裝有卡盤(pán)的一端固定, 以軋輥的軸向運(yùn)動(dòng)代替軋件的軸向運(yùn)動(dòng). 定義軋件與卡盤(pán)的接觸類(lèi)型為粘結(jié), 忽略兩者間的摩擦. 另外實(shí)際生產(chǎn)中常通過(guò)在軋輥表面設(shè)置溝槽來(lái)增大軋件與軋輥間的摩擦力, 減小相對(duì)滑動(dòng)[9], 所以在模擬時(shí)可適當(dāng)增大摩擦因子. 摩擦類(lèi)型選擇系統(tǒng)默認(rèn)(自動(dòng))模式, 軋件與軋輥間的摩擦比例因子設(shè)置為0.9, 與芯棒間的摩擦比例因子設(shè)置為0.1.

軋制過(guò)程中傳熱現(xiàn)象非常復(fù)雜, 主要存在熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射3種類(lèi)型的熱邊界條件[10].根據(jù)文獻(xiàn)[11], 設(shè)定軋件對(duì)環(huán)境的熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.05kW?(m2?K)-1, 與環(huán)境的熱輻射率為0.25; 模型其他組件對(duì)環(huán)境的熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.05kW?(m2?K)-1, 對(duì)軋件的熱傳遞系數(shù)為20kW?(m2?K)-1, 與環(huán)境的熱輻射率為0.25.

2 渦輪軸成形方案

表1為多臺(tái)階渦輪軸三輥斜軋模型的主要工藝參數(shù).

表1 模型工藝參數(shù)

由于GH4169屬于典型的難加工材料, 工藝塑性差[12-13], 經(jīng)仿真試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)所研究的渦輪軸一道次成形的質(zhì)量較差, 而多道次軋制降低了生產(chǎn)效率, 增加了生產(chǎn)消耗, 故采用兩道次成形多臺(tái)階渦輪軸, 選取第1道次轉(zhuǎn)速80r?min-1, 第2道次轉(zhuǎn)速60r?min-1, 軸向速度均為20mm?s-1, 其渦輪軸軋制成形過(guò)程如圖4所示. 在總減徑量一定的情況下, 具體各道次分配方案見(jiàn)表2.

圖4 多臺(tái)階渦輪軸成形過(guò)程

表2 減徑量分配方案 mm

注: 1)該列所示各方案所對(duì)應(yīng)的3個(gè)數(shù)據(jù)分別為第2道次三段臺(tái)階成形直徑42、35和30 mm的減徑量.

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 減徑量對(duì)徑向載荷的影響

三輥斜軋是以軋輥壓縮軋件進(jìn)行的塑性變形, 故主要針對(duì)軋件所受徑向載荷進(jìn)行分析. 圖5為軋件在軋制過(guò)程中所受單個(gè)軋輥的徑向載荷變化情況. 從圖中可以看出, 軋輥的每次徑向進(jìn)給均伴隨著載荷的急劇增加, 并以特征峰形式呈現(xiàn). 在第1道次等徑段軋制時(shí), 受固定端牽引作用的影響[14], 徑向軋制力隨軋輥沿軋制方向的移動(dòng)平緩上升; 第2道次每段等徑段的長(zhǎng)度相比第1道次明顯減小, 所以等徑段的徑向軋制力變化并不明顯. 第2道次軋制時(shí), 因?yàn)檐堓佒恍鑼?duì)方案3中Φ42mm臺(tái)階的少量回流金屬進(jìn)行減徑, 所以該段的徑向載荷相對(duì)較小. 另外, 在2個(gè)道次之間存在一段軋輥移動(dòng)時(shí)間, 該段時(shí)間內(nèi)軋件不與軋輥接觸, 其不受任何負(fù)載的影響.

圖5 減徑量對(duì)軋輥徑向載荷的影響分布曲線

對(duì)比圖5中3種方案曲線后可以發(fā)現(xiàn), 減徑量越大, 軋件第1道次和第2道次的徑向軋制力越大, 但是增大幅度卻隨減徑量的增加而明顯減小. 在兩道次軋制時(shí), 若保證成形過(guò)程中的軋制力變化相對(duì)均勻, 則有利于軋機(jī)工作周期的運(yùn)行平穩(wěn), 延長(zhǎng)軋機(jī)部件的壽命[15], 這也是道次減徑量分配的重要依據(jù).

3.2 減徑量對(duì)等效應(yīng)力-應(yīng)變的影響

利用軟件點(diǎn)位追蹤功能探究減徑量對(duì)軋制過(guò)程中等效應(yīng)力和等效應(yīng)變變化的影響規(guī)律, 即在軋件上選取節(jié)點(diǎn)(圖6), 分別用1、2、3、4和5表示, 其中1為軋件外表面點(diǎn),5為軋件內(nèi)表面點(diǎn),2、3、4分別為1與5之間的等分點(diǎn).

圖6 等效應(yīng)力-應(yīng)變追蹤節(jié)點(diǎn)位置分布

圖7為所選橫截面上5個(gè)節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力變化曲線. 從圖中可以看出, 隨著軋輥咬入軋件, 節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力開(kāi)始緩慢增大, 當(dāng)截面進(jìn)入軋輥減徑區(qū)時(shí), 各節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力急劇增大, 并在截面離開(kāi)軋輥減徑區(qū)時(shí)達(dá)到第1道次的峰值, 而后快速減小, 并且第2道次的等效應(yīng)力變化規(guī)律與第1道次基本一致. 但是軋件內(nèi)外表面金屬軸向變形的不均勻?qū)е碌?道次軋件尾端出現(xiàn)凹陷現(xiàn)象[16], 從而在軋制時(shí)造成軋件上靠近內(nèi)表面區(qū)域的等效應(yīng)力突然增大. 對(duì)比截面上5個(gè)節(jié)點(diǎn)的曲線可以發(fā)現(xiàn),1、2和3點(diǎn)間的等效應(yīng)力變化不大,4和5點(diǎn)由于芯棒對(duì)軋件內(nèi)的表面作用, 使其等效應(yīng)力大于其余3個(gè)節(jié)點(diǎn), 并且越靠近軋件內(nèi)表面, 芯棒的作用越明顯.

對(duì)比圖7中3種方案曲線還可以發(fā)現(xiàn), 方案1第1道次等效應(yīng)力最大值為317.2MPa, 第2道次最大值為436.1MPa; 方案2第1道次等效應(yīng)力最大值為337.3MPa, 第2道次最大值為393MPa; 方案3第1道次等效應(yīng)力最大值為444.1MPa, 第2道次最大值為370.6MPa. 由此可知, 軋制過(guò)程中各節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力與減徑量成正比關(guān)系, 即減徑量越大, 軋件的等效應(yīng)力越大.

圖8為所選橫截面上5個(gè)節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)變變化曲線. 從圖中可以看出, 等效應(yīng)變曲線呈現(xiàn)兩段式階梯狀. 軋件每道次等效應(yīng)變急劇增大的時(shí)間節(jié)點(diǎn)與等效應(yīng)力基本一致, 但是5個(gè)節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)變均隨半徑的減小呈遞減趨勢(shì), 這是因?yàn)檐埣c芯棒間存在熱傳導(dǎo)現(xiàn)象, 導(dǎo)致軋件溫度下降, 并且越接近內(nèi)表面, 溫度下降越嚴(yán)重, 最終導(dǎo)致4、5點(diǎn)的等效應(yīng)變小于其余3個(gè)節(jié)點(diǎn).

對(duì)比圖8中的3種方案曲線還可以發(fā)現(xiàn), 各點(diǎn)的等效應(yīng)變隨減徑量的增大而增大, 這與等效應(yīng)力的變化規(guī)律相符. 在兩道次軋制時(shí), 軋制過(guò)程中的等效應(yīng)變均勻性也是選取方案的重要指標(biāo). 其中, 方案1第1道次等效應(yīng)變?cè)龃蠓葹?.91, 第2道次增大幅度為7.28; 方案2第1道次等效應(yīng)變?cè)龃蠓葹?.20, 第2道次增大幅度為6.49; 方案3第1道次等效應(yīng)變?cè)龃蠓葹?.09, 第2道次增大幅度為5.09.

3.3 減徑量對(duì)外圓度誤差的影響

分別截取第1道次和第2道次軋件上經(jīng)軋輥成形的等徑段中心橫截面為研究對(duì)象, 通過(guò)Simufact軟件定義截面外表面上20個(gè)取樣節(jié)點(diǎn)(圖9), 并導(dǎo)出每個(gè)點(diǎn)坐標(biāo), 利用最小二乘圓法[17]計(jì)算得出3種方案成形截面的外圓度誤差.

圖10為3種方案的外圓度誤差曲線. 從圖10(a)中可以看出, 軋件第1道次外圓度誤差隨減徑量的增大而增大, 但增大幅度隨減徑量的增加而減小. 由圖10(b)可知, 軋件外圓度誤差隨橫截面直徑的減小而減小, 即在軋制過(guò)程中, 所成形渦輪軸臺(tái)階直徑越小, 軋件的外圓度誤差越小, 軋件橫截面外表面形狀越接近圓形. 這是因?yàn)檐堓佫D(zhuǎn)速一定時(shí), 軋件成形直徑越小, 單位面積上軋輥輾軋的次數(shù)越多, 軋件外圓度誤差越小. 由于第2道次軋制是在第1道次基礎(chǔ)上進(jìn)行, 第1道次的外圓度誤差會(huì)對(duì)最終成形軋件的外圓度誤差有重要影響.圖10(c)為最終成形軋件的外圓度誤差與第1道次的差值, 即為第2道次外圓度誤差相對(duì)第1道次的減小幅度, 該數(shù)值越大, 說(shuō)明第2道次的外圓度誤差越小. 由圖10(c)可知減徑量越大, 軋件第2道次外圓度誤差越大, 但增大幅度減小.

4 仿真結(jié)果及分析

(1)軋輥徑向進(jìn)給時(shí), 徑向載荷均以特征峰形式變化; 隨減徑量的增大, 軋輥各道次徑向載荷增大, 但是增大幅度減小明顯.

(2)軋制過(guò)程中芯棒對(duì)軋件等效應(yīng)力和等效應(yīng)變的變化有重要影響; 隨減徑量的增大, 軋件各道次的等效應(yīng)力和等效應(yīng)變均呈增大趨勢(shì).

(3)軋件各道次的外圓度誤差隨減徑量的增大而增大, 但是增大幅度減小; 軋件第2道次外圓度誤差隨橫截面直徑的減小而減小.

(4)綜合比較3種方案, 選取方案2作為多臺(tái)階渦輪軸三輥斜軋成形方案, 即第1道次減徑6mm, 第2道次各臺(tái)階減徑量分別為2、9和14mm. 該方案下的軋制力和等效應(yīng)力-應(yīng)變變化最為均勻, 外圓度誤差最小, 最終成形軋件的各臺(tái)階外圓度誤差分別為0.13、0.10和0.04mm.

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Numerical simulation of multi-step turbine shaft in three-roll screw rolling on its influence by diameter reduction

XU Yongming1,2, SUN Baoshou1,2*, SHU Xuedao1,2, XU Huanlei1,2

( 1.Faculty of Mechanical Engineering & Mechanics, Ningbo University, Ningbo 315211, China; 2.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Part Rolling Technology, Ningbo 315211, China )

The simulation model of multi-step turbine shaft in three-roll screw rolling with two-pass forming was established by using finite element software Simufact. The turbine shaft forming was numerically simulated to explore the influences of the diameter reduction on rolling force, equivalent stress-strain and external roundness error during the rolling process. The results show that with the increase of the diameter reduction, the radial load, equivalent stress, equivalent strain and external roundness error of the first and second pass also increase. The comprehensive comparison of the rolling forming conditions under the three schemes indicates that scheme 2 is the best pass diameter reduction distribution scheme. In this scheme, the diameter reduction in the first pass is 6mm, and those of each step in the second pass are 2mm, 9mm and 14mm respectively.

three-roll screw rolling; multi-step turbine shaft; two-pass; diameter reduction

TG335.11

A

1001-5132（2021）04-0055-06

2020?06?28.

寧波大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版）網(wǎng)址: http://journallg.nbu.edu.cn/

國(guó)家自然科學(xué)基金（51975301）; 浙江省自然科學(xué)基金（LZ17E050001）; 寧波市“科技創(chuàng)新2025”重大專(zhuān)項(xiàng)（2020Z110）.

徐永銘（1995－）, 男, 江蘇南通人, 在讀碩士研究生, 主要研究方向: 塑性成形工藝與裝備. E-mail: 15162855534@163.com

孫寶壽（1960－）, 男, 江蘇泰興人, 副教授, 主要研究方向: 塑性成形工藝與裝備. E-mail: sunbaoshou@nbu.edu.cn

（責(zé)任編輯 章踐立）