異形環(huán)件精密軋制關鍵技術及有限元分析研究進展

楊 帆，龔小濤

（西安航空職業(yè)技術學院，陜西 西安 710089）

1 引言

異形環(huán)件軋制是在矩形截面環(huán)件軋制基礎上發(fā)展起來的一項精密軋制技術。和矩形截面環(huán)件軋制相比，異形環(huán)件軋制變形過程中材料流動更為復雜，截面變形以及直徑增長規(guī)律更加難以掌握，成形過程中軋輥的控制更加困難。因此，復雜異形環(huán)件軋制成為塑性成形領域最具挑戰(zhàn)性和最有吸引力的方向之一。

矩形截面環(huán)件軋制過程中，一般采用徑向軋制的方法成形，對于異形環(huán)件軋制，由于沿著環(huán)件徑向方向受力較小，材料流動較為困難，異形截面較難填充，因此，軋制過程中采用徑—軸向聯(lián)合軋制的方法成形。軋制過程中，驅動輥連續(xù)轉動，環(huán)件在芯輥的直線進給運動作用下，實現(xiàn)被動轉動，芯輥和驅動輥之間為環(huán)件軋制的主變形區(qū)，環(huán)件壁厚減小、直徑增加、界面輪廓逐漸成形。在成形過程中，為了避免環(huán)件由于轉動而產(chǎn)生的波動，導向輥按照一定的規(guī)律運動，保證環(huán)件始終保持較好的圓度，上下錐輥在繞著自身軸線轉動的同時向后移動，限制環(huán)件在軸向方向的材料流動，保證截面輪廓填充。

2 異形環(huán)件分類

異形環(huán)件軋制過程一般采用熱軋方式進行。成形前后，由于截面變化較大，截面形狀較難填充，通常將環(huán)形坯料加熱到材料的可鍛溫度進行軋制變形。零件成形工藝流程為：下料—加熱—除銹皮—鐓粗—沖孔—中間熱處理—熱軋—冷卻后熱處理—校準和加工—淬火熱處理—回火。

異形環(huán)件根據(jù)環(huán)件截面形狀不同可以分為徑向異形環(huán)件、薄壁異形環(huán)件、厚壁異形環(huán)件和復雜異形環(huán)件等，如圖1所示。

圖1 異形環(huán)件的分類

3 異形環(huán)件軋制的主要難點

3.1 毛坯優(yōu)化設計方法

異形環(huán)件軋制過程中，合理的毛坯形狀是決定軋制是否能夠進行的關鍵因素之一。軋制過程中，環(huán)件受到驅動輥和芯輥的軸向軋制力而發(fā)生塑性變形，在沿著環(huán)件徑向方向，環(huán)件受到的力較小，變形較為困難，在軋制過程中，經(jīng)常發(fā)生由于毛坯設計不合理而產(chǎn)生的截面填充不完整或者截面填充完整而環(huán)件直徑未達到要求的現(xiàn)象。

圖2 毛坯設計示意圖

龔小濤等[1]根據(jù)異形環(huán)件軋制過程中材料流動規(guī)律，以臺階錐形環(huán)件為例，提出了毛坯設計的定性原則，即：體積不變、截面相等、形狀相似三項原則，如圖2所示。體積不變原則是指，按照異形環(huán)件的結構特點，將其劃分為形狀較為規(guī)格的幾部分，在毛坯形狀的設計過程中，保證軋制前后毛坯體積不變，同時被劃分的單元體積不變；截面相等原則是指環(huán)件軋制前后，毛坯同一高度位置軋制前后徑向橫截面積保持不變；形狀相似原則是指為了減小軋制前后材料變形量，便于成形截面填充，軋制前后環(huán)件毛坯軸向形狀設計盡可能相似。

對于異形環(huán)件軋制所需要的坯料，由于形狀為非矩形，靠簡單的擴孔無法實現(xiàn)，通過模鍛等方法完成坯料的設計和制造。Harboard和Hall[2]通過鑄造的方式來完成環(huán)形坯料的制作。Kang和Kobyashi[3]建立剛粘性模型，通過回溯方法建立獨立計算和存儲單元網(wǎng)格對C形和T形環(huán)件進行軋制分析，設計出異形環(huán)件毛坯形狀和尺寸。Kopp[4]等設計了一套CAD程序對異形環(huán)件毛坯進行優(yōu)化設計。YanXiang[5]等介紹了一種生產(chǎn)軸承套的毛坯預成形方法，可以有效提高材料利用率，毛坯成形工藝過程采用鐓粗—沖孔—擴孔—模鍛的生產(chǎn)工藝來完成，如圖3所示。

3.2 軋輥運動軌跡設計

復雜異形環(huán)件軋制過程中，芯輥、導向輥、驅動輥、上下錐輥的運動及協(xié)調控制是影響成形過程及精度的關鍵。在軋制起始階段，通過控制初始咬入量可以有效避免過多的咬入，避免環(huán)件和軋輥之間的滑動。在軋制開始階段，需要對軋制力和軋制力矩進行合理的預測以達到對軋制反饋信號的開環(huán)優(yōu)化控制。軋制成形過程，導向輥以及上下錐輥的運動控制非常重要，導向輥的運動軌跡必須和環(huán)件的外徑增長相適應，導向輥運動過快，起不到導向的作用，環(huán)件轉動過程出現(xiàn)振動現(xiàn)象，影響環(huán)件軋制精度甚至導致軋制無法進行；導向輥運動過慢，使環(huán)件收到徑向力的壓迫，環(huán)件圓度無法保證；上下錐輥在繞著自身軸線轉動同時背離環(huán)件中心位置進行移動，錐輥轉動速度和環(huán)件的轉動速度須適應，錐輥轉動過快或過慢，都將在接觸點給環(huán)件切向力，影響環(huán)件運動的平穩(wěn)性；錐輥背離環(huán)件的平移須和環(huán)件直徑的增長速度相適應，過快或過慢的運動都將使環(huán)件收到徑向的壓力，影響環(huán)件的圓度，降低精度。

圖3 制坯工藝流程

3.3 軋制成形缺陷的控制

為了衡量環(huán)件成形困難程度，Gellhaus[6]提出了利用特征硬度來衡量異形環(huán)件成形的難易，對于異形環(huán)件，其特征硬度P為：

式中：s——環(huán)件的厚度，mm；

h——環(huán)件的高度，mm；

D——環(huán)件的外徑，mm；

kw——材料的等效流動應力，MPa。

根據(jù)Gellhaus介紹，當P>150kN時，成形較為容易，環(huán)件截面較為容易填充；P<25kN時，環(huán)件成形較為困難。

異形環(huán)件軋制過程中材料流動較為復雜，芯輥和驅動輥之間的區(qū)域為主變形區(qū)，上下錐輥之間區(qū)域為次變形區(qū)。由于環(huán)件和軋輥之間的作用界面較為復雜，軋制過程經(jīng)常出現(xiàn)以下缺陷[7]：截面輪廓填充不滿、橢圓度、魚尾、端面裂紋、蝶形、錐形、孔緣毛刺和折疊等。在成形過程中所出現(xiàn)的缺陷，可以通過工藝優(yōu)化和參數(shù)優(yōu)化的方法來減小成形缺陷，提高環(huán)件精度。

4 有限元分析

對于異形環(huán)件軋制過程的控制，國內外學者通過利用各種仿真軟件，如 Ansys、Abaqus、Simufact、Deform等對環(huán)件軋制過程進行了有限元分析，重點分析了成形過程中軋輥的運動、毛坯的設計、工藝參數(shù)的優(yōu)化等。

4.1 毛坯設計

美國俄亥俄大學Warren K.Wray，Dean教授等利用上線法對異形環(huán)件的毛坯進行了分析，自行設計出了一套CAD軟件，對于異形環(huán)件，可以根據(jù)環(huán)件的結構特點和軋制參數(shù)，設計出環(huán)件毛坯的形狀和尺寸。

華林等對L形環(huán)件的軋制規(guī)律進行了研究，根據(jù)軋制前后體積不變和環(huán)件軸向尺寸相似的特點，結合軋制過程中材料的流動規(guī)律，設計出了L形環(huán)件的環(huán)件毛坯。

4.2 軋輥控制

異形環(huán)件軋制過程中，錐輥的運動主要有芯輥的直線運動、驅動輥的旋轉運動、導向輥的運動和上下錐輥的運動。其中驅動輥的運動通常為恒定的轉動。芯輥的運動簡化為每轉進給量或環(huán)件外半徑增張速度為常數(shù)的恒值進給，或將芯輥分成多個恒值進給階段。異形環(huán)件軋制過程中，導向輥的運動對環(huán)件的圓度和軋制過程的順利進行有著重要的影響，其運動設置也是模擬的難點和關鍵，楊合[8]等利用Abaqus軟件，利用液壓傳動系統(tǒng)，對軋制過程中導向輥的運動過程進行了模擬，在保證環(huán)件剛度和圓度的同時使軋制過程順利進行，如圖4所示。龔小濤[9]等以臺階錐形環(huán)件軋制為例，對有限元分析軟件Abaqus中VAMP子程序進行二次開發(fā)，對環(huán)件軋制過程中瞬時的環(huán)件外徑信息進行反饋計算，得出適應環(huán)件外徑增長規(guī)律的導向輥運動軌跡，實現(xiàn)對異形環(huán)件軋制過程的控制，如圖5所示。

圖4 液壓控制系統(tǒng)示意圖

圖5 臺階錐形環(huán)件軋制裝配圖

4.3 微觀組織演變仿真

航天航空結構異形環(huán)件，由于特殊需要，要求環(huán)件具有較高的力學性能和綜合性能，在環(huán)件成形過程中，除了對環(huán)件形狀和尺寸精度要求外，還對環(huán)件的微觀組織有著嚴格的要求。在環(huán)件軋制過程中，微觀組織與材料的熱力學行為發(fā)生交互作用的同時，經(jīng)歷著復雜的演變，這種演變在很大程度上決定產(chǎn)品的綜合力學性能。在借助于有限元分析研究圍觀組織演變過程中，在常用的分析軟件基礎上進行二次開發(fā)，可以有效、全面地預測成形過程中的組織演變。歐新哲[10]利用Deform－3D內置的微觀組織模塊預測了40Cr鋼環(huán)在熱輾擴過程中的再結晶晶粒尺寸和體積分數(shù)分布等，然而，該微觀組織模塊是以“后處理”程序的形式運行，難以實現(xiàn)微觀組織演變和宏觀熱力行為的耦合模擬。

王敏[11]等在Abaqus/Explicit軟件平臺基礎上將鈦合金的微觀組織演變模型引入到子程序VUMAT中，研究了鈦合金Ti－6Al－4V的演變機理和特征，研究發(fā)現(xiàn)，沿著成形環(huán)件的徑向，中間層相對表層具有較小的β晶粒尺寸和β體積分數(shù)。

5 結束語

異形環(huán)件軋制由于具有材料利用率高、環(huán)件綜合力學性能好等優(yōu)點被廣泛應用在航天航空及機械、電子等領域。但由于成形過程材料流動較為復雜，毛坯設計、軋輥運動控制等相關參數(shù)匹配較為復雜，且影響因素多，導致環(huán)件成形及零件精度不高，隨著異形環(huán)件，特別是復雜異形環(huán)件、薄壁異形環(huán)件的廣泛應用，該領域的研究越來越受到重視。

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