厚壁空心件輥鍛工藝的模擬及應(yīng)用

文/劉化民，王磊·吉林大學(xué)輥鍛工藝研究所

厚壁空心件輥鍛工藝的模擬及應(yīng)用

文/劉化民，王磊·吉林大學(xué)輥鍛工藝研究所

輥鍛是指將模具裝在一對相向旋轉(zhuǎn)的鍛輥上，借助模具型槽對坯料作用使其產(chǎn)生塑性變形，從而獲得所需形狀的零件的加工方法，該方法具有設(shè)備噸位小，生產(chǎn)效率高，工件尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。近些年，對輥鍛工藝的研究及其數(shù)值模擬研究已成為熱點(diǎn)。劉桂華等通過對坯料在圓-橢圓-圓型槽系中的制坯輥鍛變形過程的模擬，分析不同變形參數(shù)和型槽結(jié)構(gòu)對應(yīng)力應(yīng)變的影響。朱春東、王輝借助有限元軟件模擬拉桿輥鍛制坯全過程，模擬結(jié)果表示輥鍛過程預(yù)鍛力、終鍛力和應(yīng)變均不大，成形了無飛邊、無毛刺的坯料，證明輥鍛制坯是一種高效率、低投資的制坯手段。S.Urankar等對空心件楔橫軋的臨界摩擦值進(jìn)行討論，得出管坯被壓碎與管坯材料、壁厚和斷面收縮率有關(guān)系。秦敏、李繼光等通過DEFORM-3D有限元模擬分析了空心車軸的徑向鍛造。

隨著市場對空心件需求的增多，人們正在尋求一種高效率、低投資的厚壁空心件成形方法。但目前對厚壁空心件輥鍛工藝的研究仍較少，相關(guān)文章還未見報(bào)道。本文采用DEFORM-3D有限元軟件對厚壁空心件的輥鍛過程進(jìn)行數(shù)值模擬，為厚壁空心件輥鍛生產(chǎn)提供參考。

模擬參數(shù)設(shè)置

模擬是借助DEFORM-3D有限元軟件完成的，幾何模型是在CATIA中構(gòu)建的。管坯材料為40Cr，模具材料為SCrNiMo。毛坯與模具之間的摩擦類型為剪摩擦，摩擦因子取0.25。為了模擬實(shí)際操作的機(jī)械手，設(shè)置管坯只沿X軸方向運(yùn)動(dòng)。工件的初始溫度為1050℃，壁厚為4mm，輥鍛模溫度為20℃，坯料的初始網(wǎng)格單元42636個(gè)，節(jié)點(diǎn)10183個(gè)。輥縫距離為2mm，公稱直徑是400mm，鍛輥的角速度為4.19rad/s，模擬共兩道次，且每道次輥鍛后工件需翻轉(zhuǎn)90°后方可進(jìn)入下一道次。

如圖1a所示為第二道輥鍛件形狀，可以看出方截面或圓截面在Z軸方向的尺寸較Y軸方向大，表1同樣顯示工件方截面或圓截面在Z軸方向的尺寸較Y軸方向大約2mm。

圖1 工件成形效果圖

為了解決典型截面形狀在Y軸與Z軸方向尺寸不一致問題，消除輥縫對空心件輥鍛過程的影響，增加整形輥鍛，即第二道輥鍛后使工件沿軸線翻轉(zhuǎn)90°后重新進(jìn)入第二道輥鍛模的型槽，并保持與模具的接觸位置與前兩道次一致，從而提高輥鍛件尺寸的精度，如圖1b所示整形后的輥鍛件形狀，典型截面形狀在Y軸與Z軸方向的尺寸問題有明顯的改善，詳細(xì)見表1。

■表1 典型截面幾何尺寸對比 （單位：mm）

模擬結(jié)果分析與討論

成形質(zhì)量及等效應(yīng)變分析

⑴第一道次輥鍛。圓管坯通過橢圓型槽成形，沿著管坯的長度方向?qū)γ鬟M(jìn)行體積分配。圓-橢圓的型槽周邊均由弧線構(gòu)成，能使管坯周邊和截面形狀平穩(wěn)的轉(zhuǎn)變，有效防止局部應(yīng)力和缺陷的發(fā)生。同時(shí)，在輥鍛時(shí)，由于工件內(nèi)表面與模具不接觸而處于自由狀態(tài)，管坯輥鍛的延伸率很小。因此，在橢圓型槽中輥鍛圓管坯時(shí)延伸系數(shù)很小。圖2a所示成形后輥鍛件形狀，從圖中可看出管坯內(nèi)外表面成形尺寸合理，成形效果較好，圓截面與橢圓截面的過渡段均勻光滑，但管坯長度幾乎沒有變化，延伸量約0.58mm。圖3a所示橢圓截面的等效應(yīng)變分布狀態(tài)，等效應(yīng)變值都在0.1mm/mm左右。

圖2 各道次工件效果圖

⑵第二道次輥鍛。輥鍛件沿軸線旋轉(zhuǎn)90°后進(jìn)入第二道模具型槽，并保持輥鍛件與模具的接觸位置與第一道次的接觸位置一致，工件前端同樣必須加以約束，否則輥鍛件會(huì)發(fā)生彎曲，如圖2b所示第二道次的輥鍛件。如圖3b所示圓截面等效應(yīng)變分布狀態(tài)?？梢钥闯鲎冃屋^大的區(qū)域發(fā)生在貼近輥縫的內(nèi)表面附近，等效應(yīng)變最大可達(dá)0.6mm/mm；從方截面等效應(yīng)變分布狀態(tài)可以看出，變形較大部位在工件內(nèi)表面四個(gè)圓角處，最大等效應(yīng)變值為0.75mm/mm，如圖3c所示。第二道次管坯的延伸量較大，約5mm。

⑶整形輥鍛。內(nèi)表面隨著外表面成形而進(jìn)一步成形，不同截面間的過渡光滑，且成形精度較高，如圖2c所示整形后輥鍛件。如圖3d所示圓截面的等效應(yīng)變分布狀態(tài)，可以看出變形較大的區(qū)域依然發(fā)生在貼近輥縫的內(nèi)表面附近，最大等效應(yīng)變值0.6mm/mm。如圖3e所示，方截面等效應(yīng)變分布狀態(tài)表明變形較大區(qū)域發(fā)生在工件的四個(gè)圓角處，變形最大的是貼近輥縫的兩個(gè)圓角處，最大等效應(yīng)變值0.9mm/mm，等效應(yīng)變最大區(qū)域也是最容易產(chǎn)生缺陷區(qū)域，這對于實(shí)際生產(chǎn)中缺陷的預(yù)測是有幫助的。

圖3 典型截面的等效應(yīng)變分布狀態(tài)

輥鍛工步分析

管坯以中間咬入方式開始第一道次輥鍛，由于管坯剛開始和軋輥的接觸位置是近似線接觸，摩擦力很小，難以產(chǎn)生縱向延伸變形，所以管坯最早發(fā)生壓扁變形。壓扁變形的過程中，管坯橫截面積并沒有變化，僅是在模具的徑向壓力下管坯徑向高度減小，在橫向上寬度增加，而壁厚沒有發(fā)生變化，如圖4a所示。

圖4 各道次工步圖

管坯沿軸線翻轉(zhuǎn)90°后進(jìn)入第二道次輥鍛模型槽。該道次橢圓截面的管坯主要經(jīng)歷三種成形過程，一是從橢圓截面段到圓截面段的成形；二是從橢圓截面段到方截面段的成形，最后圓截面和方截面的過渡段成形。從圖4b可以看出，管坯同樣先發(fā)生壓扁變形、寬度增加，然后發(fā)生延伸變形，延伸量為約5mm，過渡段成形效果較好，但成形段截面在Y軸和Z軸方向尺寸不一致。

整形輥鍛，主要針對第二道次輥鍛的尺寸精度較低、典型截面形狀不規(guī)則等缺陷問題進(jìn)行一些局部的金屬體積再次分配，抵消輥縫在Y軸和Z軸方向引起不同影響效果，使尺寸精度提高，典型截面形狀更加規(guī)則，如圖4c所示整形輥鍛工步圖。

溫度的影響

實(shí)心件輥鍛原理表明，隨著輥鍛溫度的升高，實(shí)心件延伸系數(shù)會(huì)增加，這是由于輥鍛過程中溫度的變化會(huì)導(dǎo)致工件表面氧化層成分的變化，進(jìn)而引起摩擦系數(shù)的變化，最后影響實(shí)心輥鍛件的延伸量。因此，減少或避免輥鍛過程中溫度的波動(dòng)，對穩(wěn)定輥鍛件的長度及寬度尺寸具有重大意義。以溫度為變量，模擬厚壁空心件在800℃、900℃、1000℃、1050℃、1200℃下的輥鍛情況。對于熱輥鍛的第一道次，溫度幾乎不影響空心輥鍛件的延伸，而在熱輥鍛的第二道中，溫度對空心輥鍛件的延伸有一定的影響，引起輥鍛件長度及延伸量的波動(dòng)，但波動(dòng)區(qū)間較小，延伸量一般在5.5～6.5mm，如圖5a所示。圖5b所示輥鍛溫度對空心件展寬量的影響曲線，在第一道次中，溫度對空心件的展寬量影響較??；與之相比，在第二道輥鍛過程中，溫度對空心件的展寬量影響較大，展寬量多數(shù)在6～8.5mm波動(dòng)，當(dāng)坯料被加熱到900℃時(shí)，展寬量最大，約8.5mm。

圖5 溫度對空心件輥鍛的影響

圖6 壁厚對空心件延伸量、展寬量的影響

壁厚的影響

管坯壁厚與延伸量的關(guān)系曲線如圖6a所示。在橢圓型槽輥鍛過程中，由于壁厚增加，徑向及橫向阻力增大，展寬量減小，促進(jìn)金屬縱向延伸，從而表現(xiàn)出圓管坯的延伸量隨著壁厚增加呈線性增加趨勢。在第二道模型槽內(nèi)輥鍛，橢圓管坯的延伸量隨著壁厚的增加而增加。壁厚為4～8mm，延伸量增加迅速；壁厚為8～12mm，延伸量增加緩慢。管壁厚與展寬量的關(guān)系曲線如圖6b所示。在橢圓型槽輥鍛過程中，因?yàn)榻饘傺匦筒蹤M向流動(dòng)的阻力增大，展寬量減小，所以圓管坯的展寬量隨著壁厚增加而減小，在由圓截面段、方截面段及其過渡段組成的型槽內(nèi)，橢圓管坯的展寬量隨著壁厚的增加而呈線性增加。

摩擦系數(shù)對輥鍛工藝的影響

對于實(shí)心件，延伸量隨著摩擦系數(shù)增大而減小，且不同的摩擦系數(shù)對輥鍛件延伸量的影響較大。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)常發(fā)現(xiàn)以下兩種情況：

⑴使用潤滑劑會(huì)降低摩擦系數(shù)，從而輥鍛出延伸較長的工件。

⑵有些輥鍛模具由于使用時(shí)間較長，型槽磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致模具型槽的表面粗糙，摩擦系數(shù)增大，導(dǎo)致金屬縱向延伸的阻力增大，常會(huì)出現(xiàn)輥鍛后坯料延伸不足的現(xiàn)象。如圖7所示摩擦系數(shù)對厚壁空心件延伸量的影響曲線，表明圓管坯在橢圓型槽中輥鍛時(shí)延伸很小，延伸量均不到1mm；第二道輥鍛的延伸量較第一道大，延伸量約5～6mm。

圖7 摩擦系數(shù)與延伸量的關(guān)系

工藝試驗(yàn)

在D42-400雙支承輥鍛機(jī)上進(jìn)行該厚壁空心件輥鍛試驗(yàn)，試驗(yàn)所用的模具，如圖8所示。

如圖9所示為試驗(yàn)產(chǎn)品與模擬產(chǎn)品，可以看出試驗(yàn)產(chǎn)品的金屬在型槽內(nèi)流動(dòng)性、均勻性較好，過渡段成形質(zhì)量良好，沒有出現(xiàn)飛邊現(xiàn)象，與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。

圖8 厚壁空心件的輥鍛模具

圖9 試驗(yàn)產(chǎn)品與模擬結(jié)果對比

結(jié)束語

以上通過DEFORM-3D軟件模擬了厚壁空心件的輥鍛，通過對比試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果，表明借助DEFORM-3D的數(shù)值模擬可準(zhǔn)確地預(yù)測空心輥鍛件的成形效果，為厚壁空心件輥鍛工藝及模具設(shè)計(jì)提供了有效的參考依據(jù)，并形成以下結(jié)論供參考：

⑴由于兩道次輥鍛每道次壓下量過大導(dǎo)致工件成形質(zhì)量差，通過增加整形輥鍛，典型截面段的尺寸精度有明顯的提高。

⑵第一道次輥鍛，管坯延伸量較小，壁厚沒有增加。摩擦系數(shù)對厚壁空心件及實(shí)心件輥鍛延伸影響較小，溫度幾乎不影響空心輥鍛件的延伸，隨著管坯壁厚的增加，延伸量呈線性增加，而展寬量呈減小趨勢。

⑶第二道次輥鍛，管坯延伸量較大，約5mm。摩擦系數(shù)對實(shí)心件延伸量影響較大，隨著摩擦系數(shù)的增大，實(shí)心件延伸量迅速減小，如摩擦系數(shù)從0.1增大到0.6時(shí)，延伸量相應(yīng)地從16mm減小到8.5mm，而對空心件的延伸量幾乎沒有影響；溫度對空心輥鍛件的延伸有一定的影響，引起輥鍛件長度及延伸量的波動(dòng)，但波動(dòng)區(qū)間較小，延伸量一般在5.5～6.5mm；隨著管坯厚壁的增加，延伸量與展寬量均增加。

劉化民，工學(xué)博士，中國科學(xué)院博士后，吉林大學(xué)輥鍛工藝研究所教授。主要研究方向?yàn)檩佸懝に?、鍛造工藝、冷彎型鋼。共完成國家、部省級科研?xiàng)目12項(xiàng)，企業(yè)委托項(xiàng)目30余項(xiàng)，獲部省級二等獎(jiǎng)3項(xiàng)。