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      基于鑄坯Q235B法蘭件熱輾擴過程溫度場模擬*

      2014-07-01 09:32:36韓素平李永堂曹爭爭賈燕龍
      鍛壓裝備與制造技術(shù) 2014年5期
      關(guān)鍵詞:環(huán)件鑄坯法蘭

      韓素平,李永堂,巨 麗,曹爭爭,賈燕龍

      (太原科技大學(xué) 金屬材料成形理論與技術(shù)山西省重點實驗室,山西 太原030024)

      1 引言

      環(huán)件熱輾擴[1]是借助輾環(huán)機使環(huán)件產(chǎn)生壁厚或高度減小、直徑擴大、截面輪廓成形的塑性加工工藝,是制造法蘭件、軸承件、齒輪件、火車車輪及輪箍、燃氣輪機環(huán)等各類無縫環(huán)件的先進技術(shù),在機械、車輛、船舶、石油化工和航空航天等眾多工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)日益得到廣泛應(yīng)用。而節(jié)約能源、降低成本、提高質(zhì)量和生產(chǎn)率已成為環(huán)件生產(chǎn)和裝備制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

      法蘭件的生產(chǎn)一般采用鑄造、鍛造等工藝制備。鑄造法蘭其毛坯形狀尺寸準(zhǔn)確,加工量小,成本低,但有鑄造缺陷,鑄件內(nèi)部組織流線型也較差;鍛造法蘭流線型好,組織比較致密,機械性能優(yōu)于鑄造法蘭。鍛造法蘭傳統(tǒng)的生產(chǎn)工序為:冶煉坯料→加熱→鐓粗→拔長→沖孔→熱輾擴成形→后處理。為降低成本和能耗,現(xiàn)采用一種新的生產(chǎn)工藝——鑄輾復(fù)合成形工藝[2,3],其工藝流程為:冶煉鑄造→鑄坯環(huán)件→熱輾擴成形→后處理。新的生產(chǎn)工藝縮短了工藝流程,減少了坯料加熱次數(shù),從而降低成本和能耗,提高生產(chǎn)率和經(jīng)濟效益,并有利于節(jié)能減排和清潔生產(chǎn)。

      針對環(huán)件熱輾擴,溫度對其成形工藝設(shè)計和質(zhì)量控制起到關(guān)鍵性作用,國內(nèi)外學(xué)者們[4,5]對熱輾擴過程中溫度場也進行了大量的研究,但對于鑄輾復(fù)合成形過程中溫度場的研究卻極少。

      本文采用ABAQUS 軟件建立了三維有限元模擬模型,采用Explicit 顯式算法對基于鑄坯Q235B法蘭件熱輾擴成形過程溫度場進行數(shù)值模擬,其成形原理如圖1 所示。輾擴過程中,驅(qū)動輥作主動旋轉(zhuǎn)運動,芯棍作徑向進給運動的同時進行從動旋轉(zhuǎn)運動,軸向端面輥作主動旋轉(zhuǎn)和向后跟隨運動,同時上端面輥作軸向向下運動,導(dǎo)向輥以一定的力抱住環(huán)件跟隨其長大運動,在此情況下,環(huán)件經(jīng)過反復(fù)旋轉(zhuǎn)輾擴使直徑和高度達到預(yù)定值后,各成形輥停止進給運動,輾擴過程結(jié)束。

      圖1 法蘭件鑄坯熱輾擴成形原理

      2 ABAQUS有限元模型的建立

      2.1 鑄坯和模具尺寸的設(shè)定

      對于法蘭件徑軸向熱輾擴成形,設(shè)計合理的毛坯尺寸,是為了保證輾擴過程順利地進行,并為優(yōu)化設(shè)計打下基礎(chǔ)。本文根據(jù)法蘭件實際尺寸和體積不變原理,設(shè)定法蘭件鑄坯與制品尺寸如表1 所示,輾擴比K=2.77。

      模擬過程中模具的尺寸是依據(jù)環(huán)坯尺寸和工廠輾擴機所選定的,圖1 中驅(qū)動輥、芯輥、導(dǎo)向輥尺寸的半徑分別為450mm、140mm、70mm,導(dǎo)向輥與芯輥和驅(qū)動輥連心線夾角為60°,端面輥錐角為35°。

      表1 法蘭件鑄坯與成品尺寸/mm

      2.2 模擬條件的設(shè)定

      法蘭件鑄坯的材料模型采用實驗室熱模擬的鑄態(tài)Q235B 鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線,熱物理性能參數(shù):楊氏模量117819MPa,泊松比0.3,導(dǎo)熱系數(shù)30W/(m·k)。

      法蘭件鑄坯的初始輾擴溫度1150℃,各成形輥初始溫度為250℃,環(huán)境溫度20℃;熱傳導(dǎo)系數(shù)11N/(s·mm·℃),熱交換系數(shù)為0.02N/(s·mm·℃),熱輻射系數(shù)0.7N/(s·mm·℃);驅(qū)動輥旋轉(zhuǎn)角速度3.06rad/s,芯輥進給速度2mm/s,上端面輥進給速度1.17mm/s;摩擦系數(shù)0.7;網(wǎng)格劃分采用熱力耦合八節(jié)點六面體單元(C3D8RT),并用ALE 自適應(yīng)劃分網(wǎng)格,可避免變形過程中網(wǎng)格出現(xiàn)畸變。同時采用縮減積分和沙漏控制,可有效降低計算時間和避免出現(xiàn)零能單元。

      3 模擬結(jié)果及分析

      結(jié)合蔣濤、歐新哲對環(huán)件輾擴過程中的溫度傳導(dǎo)和溫度場分布的研究,本文對鑄坯Q235B 法蘭件熱輾擴成形過程中溫度場的模擬結(jié)果進行了以下研究分析。

      圖2 是法蘭件鑄坯熱輾擴過程中的溫度場分布云圖。從圖a~h 中可以看出,輾擴過程一旦開始進行,環(huán)件溫度就開始下降,這是由于環(huán)件與成形輥接觸區(qū)域發(fā)生熱傳遞,與周圍環(huán)境之間發(fā)生熱對流和熱輻射。在輾擴初期,環(huán)件徑向內(nèi)、外表面與驅(qū)動輥、芯輥的接觸區(qū)域,以及環(huán)件軸向上、下表面與上、下端面輥的接觸區(qū)域,發(fā)生了熱傳遞,導(dǎo)致這些接觸區(qū)域的溫度明顯下降,隨著輾擴過程的進行,接觸區(qū)域不斷發(fā)生轉(zhuǎn)移,致使環(huán)件的整體溫度顯著降低。然而,由于環(huán)件發(fā)生塑性變形而產(chǎn)生熱量,使得環(huán)件中間區(qū)域溫度有上升的趨勢。輾擴結(jié)束后,環(huán)件整體的溫度分布不均勻,但規(guī)律是:環(huán)件中間區(qū)域的溫度最高,邊緣區(qū)域的溫度最低,環(huán)件中間區(qū)域到上、下和內(nèi)、外表面區(qū)域的溫度都呈現(xiàn)由高到低的漸變分布。圖b~f 中部分區(qū)域溫度降低較其他區(qū)域明顯,是由于成形輥初始溫度與環(huán)件溫度差值太大所造成的,隨著輾擴過程的進行,成形輥的溫度慢慢升高,又加上環(huán)件自身的熱傳導(dǎo),部分區(qū)域溫度與其他區(qū)域溫度的差異越來越小,最終達成一致。

      圖2 法蘭件鑄坯輾擴過程中溫度場分布云圖

      為更進一步研究輾擴過程中溫度場的變化規(guī)律,在環(huán)件截面上分別取6 個跟蹤點,跟蹤點所在的位置如圖3,各跟蹤點溫度場變化歷史曲線如圖4。從圖4 中可以看出,雖然各個跟蹤點處的溫度變化情況有所不同,但大致是呈波浪式下降的趨勢(除E 點處)。輾擴初期,由于環(huán)件與成形輥間發(fā)生熱傳遞,環(huán)件溫度損失多,曲線急劇下降;隨后,曲線仍呈稍微下降趨勢,是由于與周圍環(huán)境發(fā)生熱對流和熱輻射的作用;曲線有上升趨勢段,是由于塑性變形產(chǎn)生熱和摩擦生熱的緣故。對于環(huán)件中間區(qū)域的E 點處,溫度在輾擴過程中呈現(xiàn)上升趨勢,是因為該處與成形輥無直接接觸,與周圍環(huán)境也難產(chǎn)生熱對流和熱輻射,自身的熱傳導(dǎo)較少,而發(fā)生塑性變形又產(chǎn)生熱。從曲線變化可以看出:輾擴過程中,環(huán)件中間E 點處溫度一直是最高,邊緣C 點處溫度一直是最低;環(huán)件上表面C 點處的溫度降的最快,A 點處的次之,B 點處的溫度降的最慢,環(huán)件中間厚度處F、D、E 點具有相同的規(guī)律。

      圖3 環(huán)件截面上跟蹤點的位置

      圖4 跟蹤點溫度場變化歷史曲線圖

      圖5 為分別沿徑向和軸向方向顯示輾擴結(jié)束時環(huán)件截面上溫度場的分布規(guī)律。從圖5a 可看出,中間厚度處的溫度高于環(huán)件上、下表面處的溫度,而上表面和下表面處的溫度曲線有重合的趨勢。從圖5b 可看出,中間厚度處的溫度最高,外表面處的溫度次之,內(nèi)表面處的溫度最低;軸向方向上,三條溫度曲線都呈現(xiàn)關(guān)于中間距離處的對稱分布,這是由于環(huán)件在軸向孔型中受到上下對稱的熱力耦合變形行為。

      4 結(jié)論

      本文采用ABAQUS 軟件對鑄坯Q235B 法蘭件熱輾擴成形過程進行溫度場模擬研究,結(jié)果表明:輾擴過程中,環(huán)件中間區(qū)域的溫度最高,內(nèi)外側(cè)表面及上下端表面處為低溫區(qū),邊緣區(qū)域的溫度最低,環(huán)件中間區(qū)域到上、下和內(nèi)、外表面區(qū)域的溫度都呈現(xiàn)由高到低的漸變分布,并且環(huán)件中間區(qū)域到上、下表面區(qū)域的溫度又呈現(xiàn)對稱分布。

      本文通過兩種方式分析研究鑄坯Q235B 法蘭件熱輾擴過程中溫度場的變化及分布情況,一是按輾擴不同時間進行溫度分析,二是按環(huán)件截面不同部位進行溫度分析。本文的研究結(jié)果為今后進一步分析研究鑄坯Q235B 法蘭件熱輾擴過程中應(yīng)變場、輾擴力和力矩及微觀組織演變規(guī)律打下基礎(chǔ)。對于制訂鑄輾成形工藝與預(yù)測法蘭件質(zhì)量具有指導(dǎo)意義。

      圖5 法蘭件鑄坯輾擴結(jié)束時截面溫度場分布圖

      [1]華 林,黃興高,朱春東.環(huán)件軋制理論和技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2001.

      [2]張 鋒.基于鑄坯的環(huán)件熱輾擴成形工藝數(shù)值模擬.太原:太原科技大學(xué)碩士論文,2011.

      [3]劉育華,李永堂,齊會萍,等.外臺階截面環(huán)形鑄坯熱輾擴成形工藝有限元模擬[J].鍛壓裝備與制造技術(shù),2013,48(4).

      [4]歐新哲,楊 合,孫志超,等.環(huán)件熱輾擴溫度場和應(yīng)變場分布的研究[J].機械工程材料,2006,30(10).

      [5]蔣 濤.典型環(huán)形軋件軋制溫度的傳導(dǎo)分析[J].牡丹江教育學(xué)院學(xué)報,2013,(3).

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