彭亞亞 宋亞?wèn)| 曾旭東 錢東升

1.武漢理工大學(xué)，武漢，430070

2.張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司，蘇州，215626

0 引言

環(huán)件軋制是一種先進(jìn)的無(wú)縫環(huán)形零件連續(xù)的塑性回轉(zhuǎn)成形工藝，相比于其他的環(huán)件制造技術(shù)有著節(jié)能、省材、精度高和內(nèi)部組織致密的優(yōu)點(diǎn)［1］。環(huán)件軋制分為徑向軋制和徑軸向軋制，其中，大型環(huán)件的生產(chǎn)都采用徑軸向軋制技術(shù)。徑軸向軋制工藝過(guò)程是由芯輥和驅(qū)動(dòng)輥組成的徑向孔型和上下兩個(gè)錐輥組成的軸向孔型來(lái)實(shí)現(xiàn)的，芯輥直線進(jìn)給，使環(huán)件壁厚減小，上錐輥向下進(jìn)給，使環(huán)件高度降低，在徑軸向孔型共同作用下，環(huán)件的外徑增大。由于徑軸向軋制的環(huán)件尺寸大，所以大型環(huán)件均采用臥式軋制的方式進(jìn)行軋制。

由于徑軸向軋制生產(chǎn)的環(huán)件尺寸較大，在重力和變形力的相互作用下，易使環(huán)件受力不均，導(dǎo)致軋制過(guò)程不穩(wěn)定，主要表現(xiàn)為環(huán)件左右晃動(dòng)和在徑向孔型中向上爬升，其中后者稱為爬輥現(xiàn)象。環(huán)件晃動(dòng)會(huì)導(dǎo)致環(huán)件出現(xiàn)較大的圓度誤差，而爬輥現(xiàn)象輕則使環(huán)件形位精度大幅降低，重則使環(huán)件產(chǎn)生扭曲變形而報(bào)廢。由于軋制過(guò)程的穩(wěn)定性直接影響生產(chǎn)出的環(huán)件是否合格，所以國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面做了大量的研究。Choi等［2－3］對(duì)軸向軋制過(guò)程中幾何參量的控制進(jìn)行了研究，提出了自適應(yīng)優(yōu)化方法；張淑蓮等［4］對(duì)爬輥現(xiàn)象進(jìn)行了初步的分析，提出了優(yōu)化毛坯、調(diào)整設(shè)備和優(yōu)化軋制工藝三種解決方案；Pan等［5］建立了導(dǎo)向輥運(yùn)動(dòng)的控制數(shù)學(xué)模型，為模擬軋制過(guò)程環(huán)件在水平面內(nèi)穩(wěn)定性控制提供了基礎(chǔ)；Guo等［6］和Li等［7］在ABAQUS環(huán)境下建立了熱力耦合模型，并通過(guò)液壓力實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)件在水平面內(nèi)晃動(dòng)的實(shí)時(shí)柔性抑制。上述研究都集中于解決環(huán)件左右晃動(dòng)問(wèn)題方面，而有關(guān)解決爬輥問(wèn)題的研究報(bào)道資料甚少。但在實(shí)際生產(chǎn)中，爬輥現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，浪費(fèi)了大量的原材料、能源和人力，因此，對(duì)于爬輥現(xiàn)象的深入研究和有效抑制非常必要。

基于上述現(xiàn)狀，本文對(duì)環(huán)件徑軸向軋制過(guò)程爬輥產(chǎn)生機(jī)制和抑制方法開展理論研究，為實(shí)際生產(chǎn)避免產(chǎn)生爬輥提供科學(xué)依據(jù)。

1 環(huán)件受力分析

1.1 靜態(tài)受力分析

徑軸向軋制原理如圖1所示。在實(shí)際環(huán)件徑軸向軋制中，由于環(huán)件有自身的質(zhì)量，所以會(huì)在軋制設(shè)備的芯輥兩側(cè)設(shè)置一個(gè)工作臺(tái)來(lái)承載環(huán)件，相當(dāng)于將環(huán)件放置在一個(gè)平面上。從其軋制原理圖可知，軋制過(guò)程中，軸向孔型中的環(huán)件會(huì)受到來(lái)自上錐輥的一個(gè)向下的力Pa的作用，同時(shí)下錐輥對(duì)環(huán)件施加反作用力，在這兩個(gè)力的共同作用下，環(huán)件局部產(chǎn)生塑性變形，降低了高度，而環(huán)件其他部分都未受到該作用力的影響。因此，軸向孔型中的環(huán)件部分存在變形量，該處的高度均低于其他部分，所以環(huán)件會(huì)以工作臺(tái)上靠近錐輥這部分的邊緣為支點(diǎn)，形成一個(gè)翻轉(zhuǎn)力矩，其受力原理如圖2所示。根據(jù)力學(xué)平衡原理，在位于徑向孔型一端的環(huán)件部分上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向上的作用力，使環(huán)件在徑向孔型中產(chǎn)生向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，促使環(huán)件沿軸向方向爬升。

圖1 徑軸向軋制原理圖

圖2 環(huán)件在靜態(tài)下的受力示意圖

1.2 旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的受力分析

環(huán)件的徑軸向軋制成形過(guò)程是：驅(qū)動(dòng)輥旋轉(zhuǎn)，芯輥直線進(jìn)給，在環(huán)件被不斷咬入到徑向孔型中的同時(shí)，上下錐輥共同旋轉(zhuǎn)，上錐輥向下進(jìn)給，不斷地將環(huán)件咬入軸向孔型中。由此可知，環(huán)件是邊旋轉(zhuǎn)邊長(zhǎng)大的，并且依靠旋轉(zhuǎn)速度和驅(qū)動(dòng)輥及錐輥的轉(zhuǎn)速配合來(lái)避免環(huán)件的中心偏離驅(qū)動(dòng)輥和芯輥的連心線。

環(huán)件在出軸向孔型時(shí)，由于上錐輥的進(jìn)給，使環(huán)件的高度降低，并且會(huì)在環(huán)件的徑向上產(chǎn)生寬展，環(huán)件在被推出軸向孔型后，先推出部分的高度要大于后推出部分的高度，即圖3a所示的H3＞H2＞H1，表明連續(xù)的徑向?qū)捳剐纬闪寺菪蛏线\(yùn)動(dòng)的效果。同時(shí)，左右導(dǎo)向輥會(huì)根據(jù)環(huán)件中心偏離程度來(lái)對(duì)其施加作用力，確保環(huán)件在長(zhǎng)大過(guò)程中的圓度。在徑向孔型入口側(cè)，環(huán)件的寬展部分受到導(dǎo)向作用力的影響，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向上的滑動(dòng)摩擦力Fa，如圖3b所示，使環(huán)件產(chǎn)生螺旋向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。而環(huán)件經(jīng)過(guò)徑向孔型后，徑向?qū)捳雇耆徽?，所以在徑向孔型出口?cè)，環(huán)件和導(dǎo)向輥之間幾乎沒(méi)有向上的摩擦力。

圖3 環(huán)件和導(dǎo)向輥?zhàn)饔檬疽鈭D

此外，旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的環(huán)件在軸向孔型中的變形區(qū)分布在兩錐輥之間平行母線的靠咬入方向一側(cè)，如圖4所示。由圖4可知，環(huán)件在出徑向孔型和咬入軸向孔型之間的部分，會(huì)被上下錐輥共同施加的作用力壓住，使環(huán)件在該側(cè)的軸向竄動(dòng)受到有效的抑制，而處于軸向孔型出口側(cè)至徑向孔型入口側(cè)之間的環(huán)件未受到類似作用力的影響。

圖4 軸向孔型對(duì)環(huán)件作用示意圖

1.3 抑制方法分析

由上述環(huán)件的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)受力分析可知，在徑軸向軋制過(guò)程中，環(huán)件會(huì)受到由上錐輥向下進(jìn)給產(chǎn)生的翻轉(zhuǎn)力、徑向?qū)捳购蛯?dǎo)向輥之間的摩擦力，以及錐輥旋轉(zhuǎn)咬入環(huán)件時(shí)的壓力的綜合作用，該合力的作用點(diǎn)在徑向孔型入口側(cè)附近，方向向上。因此，將徑向孔型入口側(cè)的導(dǎo)向輥設(shè)計(jì)成有一定向下傾斜角度的錐輥（圖5），使導(dǎo)向輥產(chǎn)生向下的分力Py，以便有效抵消上述合力，抑制環(huán)件的爬輥現(xiàn)象。

圖5 有傾角的導(dǎo)向輥示意圖

2 建立有限元仿真模型

2.1 模擬條件及模型

在ABAQUS/Explicit模塊下建立有限元仿真模型，如圖6所示。模型中的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置如表1所示。該模型中使用的材料是一種被廣泛用于大型環(huán)件徑軸向軋制成形的42Cr Mo鋼，其物理屬性在文獻(xiàn)［8］中有詳細(xì)描述，本構(gòu)方程在文獻(xiàn)［9］中列出。

圖6 有限元仿真模型

表1 模型參數(shù)設(shè)置

2.2 模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所建立的有限元模型的可靠性，在張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司的RAM2000型徑軸向軋環(huán)機(jī)上進(jìn)行了環(huán)件徑軸向軋制仿真模型的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，如圖7所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的軋制參數(shù)與模擬過(guò)程中的軋制參數(shù)一致。

圖7 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

整個(gè)軋制過(guò)程中的徑軸向軋制力F的實(shí)驗(yàn)值和模擬值變化情況如圖8所示。從圖8中可以看出，實(shí)驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)與模擬值較符合，且變化趨勢(shì)基本一致，兩者在大部分軋制時(shí)間內(nèi)的相對(duì)誤差都不超過(guò)10%，最大相對(duì)誤差分別為18.95%、18.45%，說(shuō)明了該有限元仿真模型是可靠實(shí)用的。

圖8 環(huán)件尺寸變化的模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

3 模擬結(jié)果分析與討論

在環(huán)件徑軸向軋制成形過(guò)程中，若控制稍有不當(dāng)，就易出現(xiàn)爬輥現(xiàn)象，這種情況在數(shù)值仿真模擬中也經(jīng)常出現(xiàn)，如圖9所示。一旦出現(xiàn)爬輥，必然使環(huán)件出現(xiàn)扭曲，導(dǎo)致尺寸誤差過(guò)大或報(bào)廢。解決爬輥問(wèn)題的方法是通過(guò)分析比較環(huán)件平整度、軸向穩(wěn)定性和圓度的變化，獲得最優(yōu)的導(dǎo)向輥分布方式和形狀。

圖9 模擬過(guò)程中的環(huán)件爬輥現(xiàn)象

3.1 不同導(dǎo)向輥分布方式對(duì)軋制成形的影響

為了驗(yàn)證環(huán)件爬輥現(xiàn)象產(chǎn)生的力學(xué)機(jī)制，研究導(dǎo)向輥傾角對(duì)環(huán)件徑軸向軋制過(guò)程的影響規(guī)律，設(shè)置了一組除導(dǎo)向輥傾角外，其他各個(gè)參數(shù)一樣的模擬模型。具體的4種分布方式為：①?gòu)较蚩仔蛢蓚?cè)導(dǎo)向輥的傾角都為0°；②徑向孔型兩側(cè)導(dǎo)向輥的傾角都為5°；③徑向孔型進(jìn)口側(cè)導(dǎo)向輥的傾角為5°，出口側(cè)導(dǎo)向輥的傾角為0°；④徑向孔型進(jìn)口側(cè)導(dǎo)向輥的傾角為0°，出口側(cè)導(dǎo)向輥的傾角為5°。下面通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)分析比較這4種導(dǎo)向輥分布方式對(duì)環(huán)件徑軸向軋制過(guò)程的影響，從而獲得最優(yōu)的分布方式。

（1）環(huán)件平整度變化。環(huán)件的平整度p是指軋制完成后，環(huán)件上端面外徑處y坐標(biāo)的最大值與最小值之差，即平整度p＝max（y）－min（y），該值越小，說(shuō)明環(huán)件越平整。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的分析，整理得到的不同導(dǎo)向輥分布方式下的環(huán)件平整度數(shù)據(jù)如表2所示。由表2數(shù)據(jù)可知，導(dǎo)向輥組合方式①、④和②、③的環(huán)件平整度大小基本相同，但方式②、③的平整度要遠(yuǎn)優(yōu)于①、④的平整度，導(dǎo)向輥組合方式②、③軋制出的環(huán)件精度要明顯優(yōu)于方式①、④的環(huán)件精度。

表2 不同導(dǎo)向輥分布方式下的環(huán)件平整度

（2）對(duì)環(huán)件軸向穩(wěn)定性的影響。環(huán)件軋制過(guò)程的軸向穩(wěn)定性可以用環(huán)件上端面外徑處任意一點(diǎn)的y值在軋制過(guò)程中的變化情況來(lái)體現(xiàn)。不同組合方式的導(dǎo)向輥對(duì)環(huán)件軸向的穩(wěn)定性影響明顯，如圖10所示。在軋制過(guò)程中，環(huán)件上某點(diǎn)的坐標(biāo)值y都是先減小后增大的，因?yàn)樵擖c(diǎn)在每次經(jīng)過(guò)軸向孔型時(shí)，其位置最低，出軸向孔型后，環(huán)件逐漸會(huì)被托支撐往上翹，環(huán)件直徑越大，這種往上翹的現(xiàn)象越明顯，其變化規(guī)律在圖10中表現(xiàn)得尤其明顯。在軋制前期，不同軋制方式下的環(huán)件某點(diǎn)的坐標(biāo)值y變化情況基本一致；但在軋制的后期，尤其是環(huán)件直徑迅速長(zhǎng)大的時(shí)候，方式①、④的y值波動(dòng)非常大，說(shuō)明此階段環(huán)件上下竄動(dòng)比較嚴(yán)重；但方式②、③變化情況和軋制前期差別不大，表明在徑向孔徑入口側(cè)的導(dǎo)向輥只要有傾角就能有效抑制環(huán)件向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。

圖10 不同導(dǎo)向輥傾角分布方式下的環(huán)件軸向穩(wěn)定性曲線

（3）橢圓度變化。橢圓度e指在環(huán)件軋制過(guò)程中的環(huán)件外徑距離環(huán)件等效中心的最大值和最小值之差。在環(huán)件徑軸向軋制過(guò)程中，由于環(huán)件的尺寸較大，所以每轉(zhuǎn)的進(jìn)給量也會(huì)較大，這種大進(jìn)給量會(huì)使環(huán)件不同部位存在較大的壁厚差，再加上控制誤差，會(huì)導(dǎo)致環(huán)件在軋制過(guò)程中存在明顯的橢圓度。環(huán)件在不同傾角導(dǎo)向輥軋制過(guò)程中的橢圓度變化規(guī)律如圖11所示。圖11各曲線的變化顯示，環(huán)件在軋制過(guò)程中橢圓度的變化規(guī)律可以分為3個(gè)階段：第1階段為環(huán)件被咬入徑軸向孔型，此階段環(huán)件在變形力的作用下，開始產(chǎn)生壁厚差，整個(gè)階段，環(huán)件的橢圓度迅速增大；第2階段為環(huán)件穩(wěn)定軋制階段，此階段環(huán)件的橢圓度持續(xù)增大，但是比較緩慢，而且有呈階梯式增長(zhǎng)的現(xiàn)象，隨著橢圓度的增大，導(dǎo)向輥受力增大，促使環(huán)件橢圓度減小，從而有效阻止環(huán)件橢圓度增大的趨勢(shì)，但隨著環(huán)件外徑的增大以及外徑增速的提升，每轉(zhuǎn)的進(jìn)給量會(huì)逐步增大，因此，橢圓度在被有效抑制后又會(huì)緩慢地增大；第3階段為整圓階段，此階段環(huán)件徑軸向進(jìn)給速度逐步減小至0，所以環(huán)件的橢圓度會(huì)迅速減小，最終環(huán)件的橢圓度會(huì)減小至2～4mm之間。

圖11 不同傾角導(dǎo)向輥下的環(huán)件軋制橢圓度變化規(guī)律

比較圖11各曲線可以發(fā)現(xiàn)，不同傾斜角度的導(dǎo)向輥分布方式對(duì)環(huán)件橢圓度的變化影響不大，方式1、4下的環(huán)件軋制橢圓度變化相比方式2、3的變化波動(dòng)稍大。

綜上所述，在環(huán)件徑軸向軋制中，不同分布方式的導(dǎo)向輥，其對(duì)軋制過(guò)程具有不同的影響，尤其是對(duì)環(huán)件軸向上的穩(wěn)定性和精度有較大的影響，驗(yàn)證了前述環(huán)件在軸向受力情況的理論分析。

3.2 不同導(dǎo)向輥傾角對(duì)軋制過(guò)程的影響

徑向孔型入口側(cè)的導(dǎo)向輥傾角對(duì)環(huán)件在軸向上的穩(wěn)定性和精度控制效果非常明顯。為了進(jìn)一步得到最優(yōu)的導(dǎo)向輥傾角大小，設(shè)置一組其他參數(shù)相同，徑向入口側(cè)導(dǎo)向輥傾角分別為2.5°、3.5°、5°、6.5°、7.5°的模擬模型。通過(guò)模擬分析，比較不同傾角對(duì)環(huán)件徑軸向軋制過(guò)程的影響，從而獲得最優(yōu)的導(dǎo)向輥傾角大小范圍。

（1）環(huán)件平整度變化。圖12所示為不同導(dǎo)向輥傾角下的環(huán)件平整度曲線。從圖中可以看出，當(dāng)傾角為3.5°時(shí)，環(huán)件的平整度最好；當(dāng)傾角小于3.5°時(shí)，導(dǎo)向輥對(duì)環(huán)件的作用力在垂直方向上的分力不足以與環(huán)件上向上的合力相抵消，當(dāng)傾角大于3.5°時(shí)，因上述分力過(guò)大，錐輥在軸向孔型入口側(cè)的壓力會(huì)以工作臺(tái)邊緣為支撐點(diǎn)，使環(huán)件產(chǎn)生輕微的彎曲形變而降低平整度，且隨著傾角的增大，這一效果會(huì)更明顯。

圖12 不同導(dǎo)向輥傾角下的環(huán)件平整度曲線

圖13 不同導(dǎo)向輥傾角下的環(huán)件軸向穩(wěn)定性

（2）對(duì)環(huán)件軸向穩(wěn)定性的影響。從圖13所示的各曲線變化情況可以看出，導(dǎo)向輥傾角對(duì)環(huán)件軋制過(guò)程中的軸向穩(wěn)定性影響作用較小，但是當(dāng)這個(gè)傾角在2.5°時(shí)，在軋制不同導(dǎo)向輥傾角下的環(huán)件橢圓度變化曲線后期，會(huì)由于環(huán)件外徑的增大以及增大的速度過(guò)快而出現(xiàn)比較明顯的波動(dòng)，這表明傾角在2.5°時(shí)導(dǎo)向輥產(chǎn)生的垂直向下分力不足以將環(huán)件上向上的合力完全抵消。

（3）橢圓度變化。圖14所示為不同導(dǎo)向輥傾角下環(huán)件橢圓度變化曲線，從圖中可以看出不同的導(dǎo)向輥傾角，對(duì)環(huán)件的橢圓度變化影響不大，也從另一個(gè)方面驗(yàn)證了導(dǎo)向輥的傾角有利于軋制過(guò)程的穩(wěn)定性控制。

圖14 不同導(dǎo)向輥傾角下的環(huán)件橢圓度變化

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

如前所述，在張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司進(jìn)行環(huán)件軋制時(shí)，在其軋環(huán)機(jī)入口側(cè)向輥固定支架上增加了一個(gè)墊塊，使原本垂直水平面的導(dǎo)向輥工作面向內(nèi)側(cè)傾斜了3.5°左右。圖15為實(shí)驗(yàn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)。圖16為軋制實(shí)驗(yàn)獲得的環(huán)件。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，徑向孔型中的爬輥趨勢(shì)得到了明顯的抑制，軸向振動(dòng)減小，整個(gè)過(guò)程穩(wěn)定可控。表3數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)外徑處的橢圓度控制在環(huán)件外徑的0.1%左右且平整度控制在環(huán)件高度的1%左右時(shí)，軋機(jī)能軋制出形位精度非常高的環(huán)件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果再次驗(yàn)證了本文理論分析和模擬結(jié)果的正確性。

圖15 軋制實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖16 軋制實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品

表3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中環(huán)件的基本參數(shù) mm

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