李波，楊祖建

(1.貴州師范大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550000;2.貴州航宇科技發(fā)展股份有限公司，貴州貴陽(yáng)550000)

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基于Simufact的GH3044異形截面環(huán)件軋制過(guò)程數(shù)值模擬*

李波1，楊祖建2

(1.貴州師范大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550000;2.貴州航宇科技發(fā)展股份有限公司，貴州貴陽(yáng)550000)

摘要：利用有限元數(shù)值仿真分析軟件Simufact.forming對(duì)GH3044合金異形截面環(huán)坯的塑性成形過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬仿真，分析軋制過(guò)程中環(huán)件的溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和軋制力的分布情況及隨時(shí)間的變化規(guī)律。實(shí)時(shí)觀測(cè)環(huán)件在軋制過(guò)程中成形和缺陷生成的動(dòng)態(tài)過(guò)程，獲得在各個(gè)軋制時(shí)刻各個(gè)節(jié)點(diǎn)位置的位移、應(yīng)力、應(yīng)變、速度的值和可視化云圖，其模擬結(jié)果對(duì)實(shí)際塑性加工過(guò)程有預(yù)見性和前瞻性。對(duì)產(chǎn)品的工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化起到積極的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞:Simufact環(huán)件軋制數(shù)值模擬軋制工藝

0引言

環(huán)件軋制是一種常用的環(huán)形件塑性成形加工工藝，其工作原理如圖1所示。驅(qū)動(dòng)輥在給定的轉(zhuǎn)速下繞軸線旋轉(zhuǎn)，通過(guò)摩擦力帶動(dòng)環(huán)坯旋轉(zhuǎn)，芯輥在給定的進(jìn)給速度下，平移擠壓環(huán)坯，同時(shí)在環(huán)坯摩擦力的作用下，被動(dòng)旋轉(zhuǎn)，環(huán)坯在主動(dòng)輥、芯輥、導(dǎo)向輥、錐輥的同時(shí)擠壓下，產(chǎn)生連續(xù)局部塑性變形，使環(huán)件壁厚減小、直徑擴(kuò)大,直到厚度和直徑達(dá)到設(shè)計(jì)值后，軋制結(jié)束。其中錐輥的作用是在軸向進(jìn)行擠壓，端面軋輥?zhàn)餍D(zhuǎn)端面軋制運(yùn)動(dòng)和軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，保證環(huán)件的指定高度。導(dǎo)向輥為可自由轉(zhuǎn)動(dòng)的從動(dòng)輥，其作用是在軋制開始階段，對(duì)環(huán)坯進(jìn)行定心，保證軋制過(guò)程平穩(wěn)進(jìn)行，在軋制后期，讓環(huán)件歸圓，保證環(huán)件的精度。

圖1　徑軸向軋制設(shè)備圖

GH3044是Ni—Cr基固溶強(qiáng)化型變形高溫合金，使用溫度在900℃以下。合金中含有大量鎢元素和少量鋁和鈦元素。合金具有高的塑性和中等的熱強(qiáng)性，并具有優(yōu)良的抗氧化性能和良好的沖壓、焊接工藝性能。適宜制作在900℃以下長(zhǎng)期工作的航空發(fā)動(dòng)機(jī)主燃燒室和加力燃燒室零部件，以及隔熱屏、導(dǎo)向葉片等[1]。

本文采用Simufact有限元分析軟件，模擬了GH3044合金異形截面環(huán)件在一個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)的軋制過(guò)程，并對(duì)軋制過(guò)程的溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)及芯輥軋制力進(jìn)行了分析研究。模擬仿真分析主要包括以下步驟[2]：

1)生成環(huán)件軋制的分析項(xiàng)目；

2)導(dǎo)入工件及模具幾何模型；

3)工件及模具位置定義；

4)定義工件及模具材料；

5)定義模具運(yùn)動(dòng)方式；

6)定義模具和工件的熱參數(shù)；

7)定義摩擦系數(shù)；

8)工件網(wǎng)格劃分；

9)工藝分析條件設(shè)置；

10)求解分析；

11)分析結(jié)果后處理。

1環(huán)件軋制幾何模型的建立

圖2　軋制模擬模型

軋制模擬幾何模型的建立如圖2所示，模型由主輥、芯輥、抱輥、錐輥和坯料組成。模型中各軋輥及毛坯均采用等分六面體自動(dòng)掃描劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格單元數(shù)為3 956。環(huán)件軋制溫度為1 140℃，模具預(yù)熱溫度為300℃。

2Simufact.forming數(shù)值仿真分析邊界條件

圖3　軋制零件網(wǎng)格模型

工件材料為GH3044，模具為模具鋼。

驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速：2 rad/s，繞Z軸旋轉(zhuǎn)。

芯輥進(jìn)給速度為1 mm/s,沿Y向進(jìn)給。

模具溫度：300℃。

工件溫度：1 140℃。

環(huán)境參數(shù)：20℃。

網(wǎng)格類型：六面體網(wǎng)格。

網(wǎng)格單元數(shù)量：3 956。

3環(huán)件軋制模擬仿真求解

有限元模型準(zhǔn)備好后，施加邊界條件，然后調(diào)用Simufact.forming求解器進(jìn)行求解。

圖4　求解器設(shè)置圖

圖5　求解器參數(shù)設(shè)置圖

4軋件軋制模擬仿真求解后處理

Simufact模擬仿真過(guò)程中，可以通過(guò)云圖、圖表、曲線、動(dòng)畫等方式把環(huán)件塑性變形的過(guò)程實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)顯示出來(lái)，以便觀察者可以直觀的觀測(cè)每一個(gè)時(shí)刻每一位置的溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、模具軋制力等的值。以下分別把溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和軋制力的分布情況及隨時(shí)間的變化過(guò)程進(jìn)行分項(xiàng)分析。

4.1溫度場(chǎng)變化及其分布規(guī)律

取幾個(gè)具有代表性時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布情況進(jìn)行研究，即開始軋制1 s時(shí)刻、中間時(shí)刻5 s時(shí)刻、尾聲時(shí)刻8 s時(shí)刻和結(jié)束軋制10 s時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布，如圖6-圖9所示。

通過(guò)圖6到圖9的溫度場(chǎng)分布云圖結(jié)果可以看出，隨著軋制過(guò)程的進(jìn)行，環(huán)件的整體溫度逐漸上升，到軋制結(jié)束時(shí)刻，溫度達(dá)到了最高。這與實(shí)際的物理實(shí)驗(yàn)得到的溫度分布情況吻合。導(dǎo)致溫度上升的原因是環(huán)件在塑性變形過(guò)程中，一方面變形能轉(zhuǎn)化為熱能，另外一方面是由于環(huán)件與模具接觸的地方，存在摩擦，摩擦產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱量，也導(dǎo)致了環(huán)件的整體溫度上升。

圖6　t=1 s時(shí)刻的環(huán)件溫度場(chǎng)分布云圖

圖7　t=5 s時(shí)刻的環(huán)件溫度場(chǎng)分布云圖

圖8　t=8 s時(shí)刻的環(huán)件溫度場(chǎng)分布云圖

圖9　t=10 s時(shí)刻(軋制結(jié)束)的環(huán)件溫度場(chǎng)分布云圖

對(duì)環(huán)件取7個(gè)跟蹤點(diǎn)，觀測(cè)每個(gè)跟蹤點(diǎn)隨時(shí)間的變化規(guī)律及溫度的分布情況，如圖10。

圖10　采集的7個(gè)跟蹤點(diǎn)位置示意圖

圖11　跟蹤點(diǎn)的溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化曲線圖

從圖11可以看出，環(huán)件壁厚方向上，中間位置的跟蹤點(diǎn)P2、P4、P6的溫度最高，并且隨著軋制過(guò)程的繼續(xù)，在環(huán)件與模具咬入前，中部溫度平緩，咬入開始剛剛進(jìn)入軋制時(shí)，溫度突然上升，中心點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)繞過(guò)主動(dòng)輥和芯輥的擠壓位置后，溫度平緩略下降，直到下一個(gè)咬入周期后，溫度又陡然上升，如此循環(huán)，直到軋制結(jié)束。而環(huán)件內(nèi)壁和外壁的跟蹤點(diǎn) P1、P3、P5、P7從空行程到咬入之間，溫度急劇下降，當(dāng)咬入時(shí)刻，由于高溫環(huán)件與低溫模具接觸，產(chǎn)生熱傳導(dǎo)，溫度從高溫區(qū)環(huán)件外壁向低溫區(qū)主動(dòng)輥傳遞，內(nèi)部向低溫區(qū)芯輥傳遞，導(dǎo)致跟蹤點(diǎn)位置的溫度更加急劇下降，如此循環(huán)，直到軋制結(jié)束。在軸向方向上，上下端面的溫度比中部的溫度低，壁厚方向，內(nèi)部溫度比外部高，分析結(jié)果與實(shí)際的物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。這種溫度分布現(xiàn)象是由于環(huán)件置放于空氣中，表面與空氣直接接觸，而環(huán)件的溫度比空氣溫度高，由于對(duì)流及輻射的作用，環(huán)件自身的熱量及軋制過(guò)程中變形能和摩擦產(chǎn)生的熱量都將與周圍的低溫空氣進(jìn)行熱交換，從而帶走環(huán)件表面的熱量，導(dǎo)致環(huán)件表面的溫度能快速的降低[3]，而環(huán)件壁厚內(nèi)部直接是金屬原子接觸，高度密集的固體原子不能快速的與外界空間進(jìn)行熱交換，溫度梯度小，較差的散熱條件導(dǎo)致熱量不能被快速帶走，因此內(nèi)部溫度較高[4]。模擬結(jié)果對(duì)實(shí)際塑性加工過(guò)程有預(yù)見性和前瞻性，對(duì)加工過(guò)程的工況有明顯的指導(dǎo)性。

4.2產(chǎn)生的應(yīng)變大小及其分布規(guī)律

取幾個(gè)具有代表性時(shí)刻的應(yīng)變場(chǎng)分布情況進(jìn)行研究，即開始軋制1 s時(shí)刻、中間時(shí)刻5 s時(shí)刻、尾聲時(shí)刻8 s時(shí)刻和結(jié)束軋制10 s時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布，詳見圖12。

圖12　t=1 s時(shí)刻環(huán)件等效應(yīng)變場(chǎng)分布云圖

圖13　t=5 s時(shí)刻環(huán)件等效應(yīng)變場(chǎng)分布云圖

圖14　t=8 s時(shí)刻環(huán)件等效應(yīng)變場(chǎng)分布云圖

圖15　t=10 s(軋制結(jié)束)時(shí)刻環(huán)件等效應(yīng)變場(chǎng)分布云圖

從圖12到圖15的等效應(yīng)變的分布和變化云圖可知，開始軋制階段，應(yīng)變主要發(fā)生在環(huán)件的外壁和內(nèi)壁，因?yàn)橥獗谝婚_始就和主動(dòng)輥、導(dǎo)向輥接觸，內(nèi)壁一開始就和芯輥接觸，在主動(dòng)輥和芯輥擠壓作用下，外壁和內(nèi)壁與模具接觸區(qū)一開始就發(fā)生變形從而產(chǎn)生應(yīng)變。由于環(huán)件內(nèi)部與主動(dòng)輥和芯輥的距離較遠(yuǎn)，因此開始軋制階段，變形很小，隨著軋制的進(jìn)行，變形越來(lái)越大，產(chǎn)生的應(yīng)變也越來(lái)越大。在整個(gè)軋制過(guò)程中，外壁的應(yīng)變一直大于內(nèi)壁的應(yīng)變，內(nèi)壁的應(yīng)變一直大于內(nèi)部的應(yīng)變。軋制結(jié)束，最大應(yīng)變發(fā)生在環(huán)件小口的外壁處，達(dá)到0.641。

圖16　采集的7個(gè)跟蹤點(diǎn)位置示意圖

從圖17的跟蹤點(diǎn)的應(yīng)變隨時(shí)間的變化圖可以看出，隨著軋制的進(jìn)行，環(huán)件壁厚上面的應(yīng)變?cè)絹?lái)越大。處于中部位置P2、P4、P6點(diǎn)的應(yīng)變較小，處于外側(cè)的跟蹤點(diǎn)P1、P3、P5、P7的應(yīng)變較大。應(yīng)變?cè)谶M(jìn)入軋制區(qū)時(shí)刻，陡然上升，旋轉(zhuǎn)過(guò)了軋制區(qū)后，變得平緩，直到下一次轉(zhuǎn)到軋制區(qū)后，又陡然上升，如此循環(huán)，直到軋制結(jié)束。仿真的應(yīng)變分布和隨時(shí)間的變化規(guī)律與實(shí)際的物理實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果吻合[5]。

圖17　跟蹤點(diǎn)的應(yīng)變場(chǎng)隨時(shí)間的變化曲線圖

從圖中等效應(yīng)變分布云圖中可以看出，變形初期只有環(huán)坯的內(nèi)層和外層環(huán)面區(qū)域產(chǎn)生了塑性變形，隨著軋制過(guò)程的進(jìn)行，塑性變形由環(huán)件內(nèi)、外層向中層擴(kuò)展，塑性變形區(qū)域逐漸擴(kuò)大、變形程度逐漸增加，環(huán)件上等效應(yīng)變也逐漸變大，但分布不均勻。軋制過(guò)程中環(huán)坯中間層由于遠(yuǎn)離軋輥為小變形區(qū)，故等效應(yīng)變也較小，而環(huán)件外層變形量始終大于內(nèi)層，所以外層的等效應(yīng)變大于內(nèi)層[6]。

4.3產(chǎn)生的軋制力大小及與時(shí)間的變化規(guī)律

在軋制過(guò)程中，芯輥與環(huán)件直接接觸，并且進(jìn)行平移進(jìn)給，擠壓環(huán)件，導(dǎo)致芯輥上產(chǎn)生軋制力，其位置處于芯輥與環(huán)件的接觸區(qū)域，方向由芯輥指向主動(dòng)輥。而驅(qū)動(dòng)輥在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中擠壓環(huán)件，也會(huì)產(chǎn)生軋制力矩，位置處于驅(qū)動(dòng)輥的軸心位置，方向與主動(dòng)輥旋轉(zhuǎn)方向相關(guān)。通過(guò)模擬仿真，可以實(shí)時(shí)的檢測(cè)到每一時(shí)刻芯輥的軋制力和驅(qū)動(dòng)輥的軋制力矩的大小，以便指導(dǎo)生產(chǎn)過(guò)程中的軋制力和力矩的控制與調(diào)整[7]。

從圖18軋制過(guò)程中芯輥的軋制力隨時(shí)間的變化曲線圖和圖19的力矩圖可以看出，隨著軋制的進(jìn)行，芯輥上面產(chǎn)生的軋制力越來(lái)越大，主動(dòng)輥上面產(chǎn)生的軋制力矩也是越來(lái)越大。上升到一定的峰值后，又逐漸變小，并在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。產(chǎn)生波動(dòng)的主要原因是因?yàn)榄h(huán)坯的表面粗糙，與模具接觸的區(qū)域不均勻，呈動(dòng)態(tài)的不均勻接觸，因此會(huì)導(dǎo)致軋制力與軋制力矩產(chǎn)生波動(dòng)。由此可證明合金環(huán)件的軋制過(guò)程是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)成形過(guò)程，由于軋制力對(duì)環(huán)件工藝參數(shù)的制定影響較大，因此軋制力的研究對(duì)企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速、芯輥進(jìn)給速度等主要工藝參數(shù)的制定具有很高的參考價(jià)值及一定的指導(dǎo)作用[8]。

圖18　軋制過(guò)程中芯輥的軋制力隨時(shí)間的變化曲線圖

圖19　軋制過(guò)程中主動(dòng)輥的軋制力矩隨時(shí)間的變化曲線圖

5結(jié)論

圖20　GH3044環(huán)件實(shí)物圖

通過(guò)利用Simufact有限元數(shù)值分析軟件對(duì)GH3044合金環(huán)件徑軸向軋制過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，實(shí)時(shí)的模擬了環(huán)件的動(dòng)態(tài)軋制過(guò)程，對(duì)軋制成形過(guò)程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和模具的軋制力的分布和變化規(guī)律進(jìn)行了可視化的研究。模擬結(jié)果表明，環(huán)件在咬入之前的空行程階段、咬入后的平穩(wěn)軋制階段和軋制結(jié)束后的三個(gè)階段的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和軋制力有明顯的區(qū)別，而且隨著軋制時(shí)間的推移，按照一定的變化規(guī)律和趨勢(shì)進(jìn)行變化。通過(guò)觀測(cè)這些規(guī)律，可以指導(dǎo)工程師對(duì)軋制工藝參數(shù)、模具設(shè)計(jì)、環(huán)件的材料、散熱條件進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，通過(guò)企業(yè)設(shè)計(jì)制造，完成了GH3044環(huán)件的產(chǎn)品生產(chǎn)，其性能指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。環(huán)件軋制后的實(shí)物如圖20所示。

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楊祖建(1984-)，男，貴州省貴陽(yáng)市人，貴州航宇科技發(fā)展股份有限公司，工程師，主要從事金屬材料塑性成形研究。

Numerical simulation of the rolling process of GH3044 ring with special-shaped section based on Simufact

LI Bo, YANG Zujian

Abstract:In this paper, we carried out dynamic simulation of the rolling process of GH3044 ring with special-shaped section using finite element numerical simulation software Simufact, analyzed the distribution and changing rules of the temperature field, the strain field and the rolling force of the ring, observed the dynamic process of the forming of the ring and the appearing of flaws in real time, and obtained the values and visualized cloud pictures of the displacement, the stress, the strain and the speed of each node at each rolling moment. The results of the simulation provided foresight to the actual rolling process, and guidance on the design and optimization of the technical parameters of the products.

Keywords:Simufact; ring rolling; numerical simulation; rolling technique

收稿日期：2015-09-13

作者簡(jiǎn)介：李波(1965-)，女，遼寧省丹東市人，就職于貴州師范大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，碩士研究生，副教授，主要從事金屬材料塑性成形研究。

基金項(xiàng)目：貴陽(yáng)國(guó)家高新區(qū)(省級(jí))科技合作計(jì)劃項(xiàng)目(GXKH2012-026)。

中圖分類號(hào)：TG337.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-6886(2016)02-0022-06