GH5188斜Ⅰ型薄壁鍛件自適應(yīng)環(huán)軋仿真分析

虞棚， 陳開勇， 黎汝棟， 葛金鋒， 袁慧， 王德云

（1.貴州安大航空鍛造有限責(zé)任公司， 貴州 安順 561005；2.空軍裝備部駐安順地區(qū)軍事代表室， 貴州 安順 561008）

0 引 言

GH5188 高溫合金是一種鈷基高溫合金，加入適量的鎢使其固溶強(qiáng)化，并能使合金的高溫?zé)釓?qiáng)性和抗氧化性得到大幅提升，因此常被用于制備航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦流板、燃燒室內(nèi)壁、外壁以及高性能無(wú)縫冷卻環(huán)等高溫部件[1]。環(huán)件軋制（以下簡(jiǎn)稱“環(huán)軋”）是借助環(huán)件軋制設(shè)備（軋環(huán)機(jī)）使環(huán)件產(chǎn)生直徑擴(kuò)大、截面輪廓成形的塑性回轉(zhuǎn)成形工藝[2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)環(huán)軋有限元模擬、軋制過(guò)程的工藝參數(shù)設(shè)置和制件力學(xué)性能及微觀組織等方面已開展了大量研究[3]。李爽等[4]對(duì)2219鋁合金異形截面環(huán)軋進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了異形截面環(huán)軋過(guò)程中晶粒長(zhǎng)大及等效塑性應(yīng)變和溫度分布的變化規(guī)律。馬義偉等[5]對(duì)GH4169合金異形環(huán)件軋制過(guò)程的最優(yōu)主輥轉(zhuǎn)速進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，對(duì)于異形截面環(huán)件軋制，在芯輥進(jìn)給速度相對(duì)恒定的情況下，以較低主輥轉(zhuǎn)速為宜。郭良剛等[6]對(duì)TC4鈦合金薄壁帶筋錐形環(huán)輾軋充填規(guī)律進(jìn)行了研究，得出了型槽填充影響規(guī)律。李斌等[7]基于Deform-3D平臺(tái)對(duì)TC4鈦合金環(huán)件徑軸向軋制進(jìn)行數(shù)值模擬，得出了TC4環(huán)件應(yīng)力應(yīng)變及溫度演變規(guī)律。李姝等[8]對(duì)環(huán)件徑軸雙向軋制過(guò)程中抱輥進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算，結(jié)果表明，采用提出的方法能良好地控制抱輥運(yùn)動(dòng)，得到橢圓度較小的環(huán)件。王龍祥等[9]對(duì)異形環(huán)件軋制的表面流線缺陷分析與控制進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，調(diào)整軋制進(jìn)給策略后，制件表面紋路完全消除，成形效果得到改善。王斌等[10]對(duì)TC4斜Ⅰ型截面異形環(huán)件軋制過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，較大外徑的環(huán)坯有利于型腔的填充及環(huán)件的增大。目前針對(duì)GH5188合金異形環(huán)件軋制的研究鮮有報(bào)道，現(xiàn)以GH5188合金斜Ⅰ型薄壁異型環(huán)件為研究對(duì)象，解決異形薄壁環(huán)件軋制失穩(wěn)變橢問題，通過(guò)環(huán)件中間坯料設(shè)計(jì)及傳感器負(fù)反饋調(diào)節(jié)，保證環(huán)件穩(wěn)定軋制成形。

1 環(huán)件軋制中間坯設(shè)計(jì)

1.1 鍛件結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)GH5188斜Ⅰ型鍛件粗加工鍛件圖，采用近凈成形原則設(shè)計(jì)的環(huán)軋鍛件如圖1所示。從鍛件結(jié)構(gòu)看出，鍛件為非等壁厚斜Ⅰ型環(huán)結(jié)構(gòu)，大小頭差異大，傾角達(dá)到67°，加之鍛件變形抗力，鍛件無(wú)法采用環(huán)坯直接軋制成形，需進(jìn)行合理的中間坯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)才能保證鍛件穩(wěn)定軋制成形。

圖1 環(huán)軋鍛件

1.2 中間坯設(shè)計(jì)

對(duì)鍛件體積分布進(jìn)行分析，鍛件體積分布如圖2所示，鍛件截面變化率較大?；贚EE K H等[11]研究成果和等體積原則，以“芯輥基準(zhǔn)型”[12]設(shè)計(jì)環(huán)件中間坯，鍛件及中間坯尺寸對(duì)比如圖3所示。

圖2 鍛件體積分布

圖3 鍛件及中間坯對(duì)比

2 環(huán)件軋制過(guò)程三維熱力耦合分析

2.1 有限元模型建立

基于ABAQUS-Explicit 軟件平臺(tái)建立圖4所示的GH5188合金環(huán)件徑-軸向軋制過(guò)程的熱力耦合三維仿真模型，建模過(guò)程中解決的關(guān)鍵技術(shù)如下。

圖4 環(huán)件徑-軸向軋制過(guò)程的熱力耦合三維仿真模型

（1）網(wǎng)格處理：各軋輥定義為等溫的不變形剛體，環(huán)坯定義為可變形體，網(wǎng)格類型采用三維六面體八節(jié)點(diǎn)熱力耦合單元 C3D8RT，將環(huán)件均勻劃分為32 832個(gè)網(wǎng)格，并采用ALE自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)避免變形過(guò)程中出現(xiàn)畸變。

（2）摩擦邊界條件處理：在熱軋過(guò)程中鍛件與驅(qū)動(dòng)輥、芯輥和錐輥之間的摩擦采用庫(kù)侖摩擦模型，導(dǎo)向輥起穩(wěn)定軋制作用，不計(jì)摩擦。

（3）熱邊界條件處理：綜合考慮環(huán)件表面熱交換、環(huán)件塑性變形產(chǎn)生的熱量、環(huán)件與軋輥之間的摩擦熱傳遞，建立熱力耦合模型。數(shù)值模擬得到的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線[13]如圖5所示，熱物理參數(shù)如表1所示，表中T為材料溫度[14]。

表1 熱物理參數(shù)

圖5 GH5188合金熱壓縮真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

（4）輥系自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)：通過(guò)設(shè)置傳感器，監(jiān)控環(huán)件每個(gè)傳感器的坐標(biāo)（x,y），再以環(huán)件實(shí)時(shí)直徑調(diào)控輥系之間運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)薄壁異形環(huán)件穩(wěn)定軋制。

（5）求解器的選擇：環(huán)軋過(guò)程是典型的非線性熱力耦合的過(guò)程，采用Temp-disp coupled完全熱力耦合模塊進(jìn)行分析，并采用動(dòng)態(tài)顯示算法進(jìn)行計(jì)算[15]。

2.2 環(huán)軋工藝參數(shù)選擇

根據(jù)環(huán)軋過(guò)程連續(xù)咬入條件及輾透條件[16]，將主輥轉(zhuǎn)速設(shè)置為1.2 rad/s，芯輥進(jìn)給速率如圖6所示。導(dǎo)向輥位置及錐輥轉(zhuǎn)速根據(jù)環(huán)件實(shí)時(shí)直徑進(jìn)行負(fù)反饋調(diào)節(jié)。

圖6 芯輥進(jìn)給速率

2.3 有限元模型可靠性驗(yàn)證

對(duì)于用 Explicit 求解擬靜態(tài)問題，需要驗(yàn)證模型的有效性，根據(jù)有限元中的能量平衡法則，如果建立模型的動(dòng)能與模型內(nèi)能的比值不超過(guò)10%，則該模型被認(rèn)為是有效的[17]，即分析中的大部分能量被用于變形而非運(yùn)動(dòng)，可根據(jù)此判斷前處理中所設(shè)的參數(shù)是否合理。環(huán)件軋制過(guò)程中鍛件能量變化曲線如圖7所示。由圖7可知，軋制過(guò)程中鍛件的動(dòng)能與內(nèi)能之比小于5%，因此模擬結(jié)果符合準(zhǔn)靜態(tài)要求，且鍛件的動(dòng)能趨于穩(wěn)定，故認(rèn)為得到的結(jié)果是平滑穩(wěn)定的，建立的有限元模型滿足穩(wěn)定性要求。

圖7 環(huán)軋過(guò)程中鍛件能量變化曲線

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 環(huán)軋過(guò)程穩(wěn)定性分析

斜I型截面異形環(huán)常見成形缺陷有截面輪廓充不滿、孔緣毛刺和折疊、大小頭尺寸不匹配等。坯料與軋輥接觸時(shí)的受力狀態(tài)決定了環(huán)件在孔型中的位置及運(yùn)動(dòng)情況，如接觸時(shí)產(chǎn)生翹曲的力矩，則可能使環(huán)件在軋制過(guò)程中沿芯輥攀升或環(huán)坯與工作臺(tái)面成一定的角度。沿芯輥攀升嚴(yán)重時(shí)，會(huì)使軋制異常中斷[18]。合理控制環(huán)件軸向攀升對(duì)成功軋制斜I型環(huán)件有至關(guān)重要的作用。通過(guò)對(duì)環(huán)件在軋制完成后軸向位移分析，選取從外至內(nèi)8個(gè)節(jié)點(diǎn)在y方向的位移作為判斷環(huán)件是否穩(wěn)定的依據(jù)如圖8所示。從圖8可以看出，軋制結(jié)束參考點(diǎn)軸向波動(dòng)在-0.4~0.8 mm，坯料軸向躥動(dòng)不明顯。

圖8 環(huán)件上端面參考點(diǎn)軸線位移變化曲線

3.2 應(yīng)力分析

圖9所示為環(huán)件軋制過(guò)程中應(yīng)力變化情況，從圖9看出，環(huán)件開始軋制時(shí)穩(wěn)定咬入（0~10 s），應(yīng)力分布均勻，隨著進(jìn)給量增大，主軋制階段環(huán)件應(yīng)力整體呈現(xiàn)不均勻分布（10~40 s），整圓階段環(huán)件應(yīng)力逐漸降低，整體呈現(xiàn)較低水平均勻分布（40~50 s）。

圖9 環(huán)件軋制過(guò)程中應(yīng)力變化云圖

3.3 應(yīng)變分析

圖10所示為軋制過(guò)程環(huán)件的等效塑性應(yīng)變分布云圖。從圖10可以看出，環(huán)件咬入階段（0~10 s），環(huán)件外側(cè)首先發(fā)生塑性變形，環(huán)件整體呈面接觸，咬入階段穩(wěn)定。穩(wěn)定軋制階段（10~40 s），最大塑性應(yīng)變出現(xiàn)在環(huán)件大小端頭處。圖11所示為環(huán)件軋制過(guò)程中參考點(diǎn)應(yīng)變變化曲線，環(huán)件軋制過(guò)程中各參考點(diǎn)應(yīng)變差異小，環(huán)件整體變形均勻。

圖10 環(huán)件軋制過(guò)程中等效應(yīng)變變化云圖

圖11 環(huán)件軋制過(guò)程中參考點(diǎn)應(yīng)變變化曲線

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證建立的環(huán)軋自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)計(jì)算方法和環(huán)件雙向軋制有限元模型的有效性，在徑軸雙向數(shù)控軋機(jī)RAW 3000-700上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)材料為GH5188合金，原材料采用φ250 mm棒料，熔煉爐號(hào)為21241670472。棒料經(jīng)下料、鐓粗、沖孔、預(yù)軋、制坯等工序制成中間坯。選用有限元分析中各項(xiàng)軋制工藝參數(shù)，軋制過(guò)程中利用軋機(jī)數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)定與記錄環(huán)件尺寸及軋制力，并將試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，環(huán)件截面填充良好，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，采用設(shè)計(jì)的工藝參數(shù)成功研制尺寸精度和組織性能滿足使用要求的GH5188合金斜Ⅰ型截面環(huán)件。圖12所示為試驗(yàn)環(huán)件的實(shí)物，表2所示為環(huán)件理化數(shù)據(jù)。

表2 環(huán)件理化數(shù)據(jù)

圖12 生產(chǎn)的環(huán)件實(shí)物

5 結(jié)束語(yǔ)

以斜Ⅰ型截面環(huán)件軋制特點(diǎn)為基礎(chǔ)，進(jìn)行了毛坯及軋制工藝設(shè)計(jì)。以ABAQUS-Explicit有限元軟件為平臺(tái)建立了GH5188合金斜Ⅰ截面環(huán)件軋制有限元模型。通過(guò)Fortran語(yǔ)言進(jìn)行程序二次開發(fā)，建立了輥系自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)模型，對(duì)GH5188斜Ⅰ型鍛件進(jìn)行熱力耦合模擬。通過(guò)數(shù)值模擬揭示了斜Ⅰ型截面環(huán)件軋制過(guò)程中應(yīng)力、應(yīng)變變化，分析了這類環(huán)件軋制過(guò)程中應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律。對(duì)斜Ⅰ形截面環(huán)件軋制過(guò)程進(jìn)行了相應(yīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，環(huán)件成形效果良好，力學(xué)性能滿足相應(yīng)指標(biāo)要求，所得結(jié)果對(duì)斜Ⅰ形截面環(huán)件軋制生產(chǎn)具有參考價(jià)值。