環(huán)模輾環(huán)成形新工藝及其數(shù)值模擬

袁浩++戴恩虎++王小明++房煒

摘要：針對(duì)某一型號(hào)生物質(zhì)燃料顆粒成型機(jī)用環(huán)模零件，設(shè)計(jì)了輾環(huán)工藝，運(yùn)用SIMUFACT大型塑性加工有限元軟件，實(shí)現(xiàn)了輾環(huán)工藝的數(shù)值模擬，有效預(yù)測(cè)了成形缺陷如毛刺、折疊、截面輪廓充不滿等問題。為了解決上述出現(xiàn)的輾環(huán)缺陷問題，通過優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)和毛坯形狀，得到合理的成形工藝方案，為環(huán)模鍛件的精確輾環(huán)成形提供指導(dǎo)，并進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證，產(chǎn)品合格。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)燃料；環(huán)模；輾環(huán)成形；毛坯設(shè)計(jì)；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：S216.2；TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2017）03-0554-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.03.042

Numerical Simulation of New Ring Rolling Process of Ring Die

YUAN Hao1a，DAI En-hu1b，WANG Xiao-ming2，F(xiàn)ANG Wei1b

（1a.School of Agricultural Equipment Engineering；1b.School of Mechanical Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，Jiangsu，China；

2.Liyang Hongda Mechanical Equipment Co. Ltd.，Changzhou 213331，Jiangsu，China）

Abstract： A ring rolling process used in shaping biomass fuel particles was designed according to one certain type of ring die and it was simulated by Simufact software，which effectively predicted the molding defects，such as burrs，fold and pass not filled with material，etc. The die structure and the blank shape were optimized and a legitimate rolling process was obtained according to the simulation，which provided a guidence for ring dies accurately rolling. By testing the product was up to standard.

Key words： biomass fuel； ring die； ring rolling； FEA simulation； blank design

近年來(lái)，各國(guó)對(duì)能源的需求量逐步增加，致使現(xiàn)有化石能源迅速消耗，能源危機(jī)愈發(fā)嚴(yán)峻[1]。生物質(zhì)能源作為可再生清潔能源，逐漸引起人們的重視，具有良好的發(fā)展前景。其中，利用生物質(zhì)原料固體成型技術(shù)制造生物質(zhì)顆粒燃料是生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化與利用的主要方式。生物質(zhì)顆粒固體成型燃料是將農(nóng)作物秸稈、木料加工剩余物等生物質(zhì)原料粉碎到一定的粒度，通過一定壓力和溫度處理，由生物質(zhì)顆粒固體成型機(jī)加工成具有一定密實(shí)度的粒狀成型物。環(huán)模式固體成型機(jī)作為生物質(zhì)燃料顆粒成型最常用的裝置，其核心部件環(huán)模的壽命低、質(zhì)量差成為了推廣生物質(zhì)燃料道路上的一道亟須解決的技術(shù)瓶頸[2]。

環(huán)模是生物質(zhì)顆粒固體成型機(jī)的關(guān)鍵部件[3]，形狀為中間凹的環(huán)形件，中間表面布滿制?？?，如圖1所示。環(huán)模不但要求表面硬度高，還要求芯部擁有較好的質(zhì)量與強(qiáng)度，其質(zhì)量好壞直接影響顆粒成型機(jī)的使用壽命。環(huán)模傳統(tǒng)制造工藝首先通過鍛造獲得毛坯，然后通過機(jī)械切削的手段加工成外溝形截面的環(huán)形件。這種加工方法材料利用率較低，并且原始金屬流線被破壞，嚴(yán)重影響了環(huán)模最后的機(jī)械性能。若采用輾環(huán)工藝制造，只需對(duì)軋制后的環(huán)件進(jìn)行少量的切削加工，很大程度上提高了材料的利用率，減少了零件的加工工時(shí)，同時(shí)獲得的環(huán)模內(nèi)部材料致密，在后期?？椎募庸ぶ心芎芎玫靥岣呖妆诘膹?qiáng)度和硬度，從而提高環(huán)模的使用壽命。本研究對(duì)新工藝中輾環(huán)部分進(jìn)行研究，提出了一種生物質(zhì)燃料顆粒成型機(jī)用環(huán)模成型新工藝，以期為環(huán)模鍛件的精確輾環(huán)成形提供指導(dǎo)。

1 初始方案設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬

1.1 鍛件毛坯設(shè)計(jì)

根據(jù)某一型號(hào)環(huán)模零件留出適當(dāng)?shù)募庸び嗔吭O(shè)計(jì)鍛件，如圖2所示。毛坯的設(shè)計(jì)是依據(jù)環(huán)模鍛件來(lái)進(jìn)行的，遵守體積不變?cè)瓌t計(jì)算得到毛坯的重量，設(shè)定毛坯與最終鍛件的軸向長(zhǎng)度相等，環(huán)模內(nèi)外徑的尺寸依據(jù)預(yù)定軋制比，初始毛坯如圖3所示。

1.2 工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)

為了解決生物質(zhì)燃料制粒環(huán)模易磨損、壽命低的問題，本研究環(huán)模材料采用的是高合金不銹鋼材料4Cr13[4]。依據(jù)鍛件尺寸和實(shí)際可用生產(chǎn)設(shè)備使用情況，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)輥大徑750 mm，驅(qū)動(dòng)輥小徑696 mm，芯輥170 mm，摩擦因數(shù)0.70。為了保證軋制過程的順利進(jìn)行，驅(qū)動(dòng)輥線速度一般保持在0.4～1.6 m/s[5]，驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速范圍：

式中，R1為驅(qū)動(dòng)輥半徑，預(yù)設(shè)驅(qū)動(dòng)輥外徑為750 mm，代入式（1）得驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速n取值范圍0.17 r/s

矩形截面環(huán)件軋制直線進(jìn)給速度的極限范圍[6]：

式中，？茁為環(huán)件軋制的摩擦角，R1、n1分別為驅(qū)動(dòng)輥工作半徑和轉(zhuǎn)速，R2為芯輥半徑，R、r分別為環(huán)件的外半徑和內(nèi)半徑，vmin、vmax分別為最小、最大進(jìn)給速度。

結(jié)合曾旭東[7]的研究，可將外溝形截面環(huán)件軋制看作兩個(gè)階段。第一階段：外溝槽成形階段，環(huán)件截面成形，最大厚度保持不變；第二階段：直徑擴(kuò)大階段，環(huán)件直徑變大，壁厚減小。在第一階段環(huán)件開始軋制時(shí)，只需滿足驅(qū)動(dòng)輥大工作半徑處軋制條件，于是，v1min≈0.60 mm/s，v1max≈12.09 mm/s，因此可以得到

v1min

式中，v1是第一階段芯輥進(jìn)給速度，v1min、v1max分別為第一階段芯輥進(jìn)給速度的最小、最大值。在第二階段環(huán)件開始軋制時(shí)，需驅(qū)動(dòng)輥大小工作半徑處同時(shí)滿足軋制條件，即

[vbmin，vsmin]max

式中，vb為驅(qū)動(dòng)輥大工作半徑處對(duì)應(yīng)的芯輥進(jìn)給速度，vs為驅(qū)動(dòng)輥小工作半徑處對(duì)應(yīng)的芯輥進(jìn)給速度，v2是第二階段芯輥進(jìn)給速度。結(jié)合公式（2）、（3）計(jì)算得到vsmin≈0.63 mm/s，vsmax≈12.09 mm/s，vbmin≈0.55 mm/s，vbmax≈15.30 mm/s。

為了簡(jiǎn)化速度進(jìn)程設(shè)計(jì)，使穩(wěn)定軋制階段芯輥進(jìn)給速度始終如一，綜合兩階段得到芯輥進(jìn)給速度范圍0.63

1.3 初始方案模擬

環(huán)模截面為外溝形，屬于復(fù)雜截面，選用封閉式孔型作為其軋制孔型[9]。為了使毛坯容易進(jìn)出孔型斜槽，減少毛坯與孔型間的刮擦，取驅(qū)動(dòng)輥斜槽斜度為2 °。運(yùn)用大型塑性成形分析軟件Simufact建立仿真模型，如圖4（a）所示。對(duì)初始方案進(jìn)行數(shù)值模擬，分析輾環(huán)結(jié)束后環(huán)件成形情況，發(fā)現(xiàn)環(huán)件內(nèi)孔孔緣出現(xiàn)嚴(yán)重毛刺，同時(shí)材料未充滿孔型，如圖4（b）所示。因此，初始方案無(wú)法滿足成形要求，應(yīng)對(duì)初始方案進(jìn)行改進(jìn)。

2 輾環(huán)工藝改進(jìn)方案設(shè)計(jì)與仿真分析

2.1 3種改進(jìn)方案

1）方案一：改變模具結(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)輥孔型改為半閉式，芯輥長(zhǎng)度加長(zhǎng)。初始方案中，由于軋制過程中金屬發(fā)生軸向流動(dòng)，毛坯與驅(qū)動(dòng)輥擋板間存有一定的間隙，并且芯輥長(zhǎng)度跟毛坯相等，不能很好地限制材料的流動(dòng)范圍，部分金屬隆起后被擋板擠到芯輥上下端面位置發(fā)生折疊，最后出現(xiàn)較嚴(yán)重的毛刺缺陷。加長(zhǎng)芯輥長(zhǎng)度與半閉式孔型的配合使用，可以抑制毛坯金屬先隆起后退后的趨勢(shì)，如圖5（a）所示。

2）方案二：改變毛坯截面形狀。環(huán)模軋制屬于異形環(huán)軋制，異形環(huán)在軋制時(shí)，易出現(xiàn)充形不滿，造成產(chǎn)品不合格。經(jīng)深入研究，發(fā)現(xiàn)直接將環(huán)件毛坯設(shè)計(jì)成異形截面可以有效解決此類問題[10]。本方案優(yōu)化了毛坯形狀，將毛坯截面設(shè)計(jì)成與鍛件相似的外溝形截面，如圖5（b）所示。

3）方案三：同時(shí)改變模具結(jié)構(gòu)與毛坯截面形狀。本方案采用半閉式孔型驅(qū)動(dòng)輥與加長(zhǎng)芯輥，同時(shí)采用截面形狀與鍛件相似的毛坯，如圖5（c）所示。

2.2 輾環(huán)優(yōu)化方案的仿真分析

方案一的模擬結(jié)果表明，半閉式與加長(zhǎng)芯輥能較好地改進(jìn)毛坯內(nèi)孔毛刺缺陷，但仍然出現(xiàn)了充不滿的問題，如圖6（a）所示。因此，方案一不能滿足設(shè)計(jì)要求。

方案二的模擬結(jié)果表明，環(huán)件沒有達(dá)到環(huán)模鍛件精度要求。雖然孔型充不滿問題得到了較大的改良，但同樣出現(xiàn)了較嚴(yán)重的毛刺，如圖6（b）所示。因此，方案二不能滿足設(shè)計(jì)要求。

方案三的模擬結(jié)果表明，采用半閉式孔型驅(qū)動(dòng)輥、加長(zhǎng)芯輥與外溝形截面毛坯組合方案，有效避免了毛刺與充不滿缺陷，環(huán)件產(chǎn)品均勻飽滿，滿足輾環(huán)成形要求，適合批量生產(chǎn)，為合理的輾環(huán)改進(jìn)方案。

方案三環(huán)件軋制中，毛坯沒有截面成形階段，直接進(jìn)入了直徑擴(kuò)大階段。從軋制一開始，毛坯跟模具就完全接觸，整個(gè)毛坯內(nèi)外面受到較均勻的碾壓力，軋制穩(wěn)定，軋制成形結(jié)束后，應(yīng)力應(yīng)變均勻，孔型充滿效果好，如圖6（c）所示。配合半閉式孔型，加長(zhǎng)芯輥擁有足夠的長(zhǎng)度可以消除因擋板摩擦滯后的金屬毛刺，在芯輥與半閉式孔型的聯(lián)合作用下，金屬軸向流動(dòng)形成的折疊和毛刺得到了再次地?cái)D壓與成形，因此在毛坯內(nèi)孔孔緣處產(chǎn)生了較大的塑性變形。圖7為輾環(huán)結(jié)束時(shí)環(huán)件的等效應(yīng)變結(jié)果。

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

對(duì)以上理論分析與仿真優(yōu)化的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。圖8（a）為試驗(yàn)局部放大圖，可以看出毛坯二與驅(qū)動(dòng)輥孔型接觸完全，有利于軋制穩(wěn)定地進(jìn)行。經(jīng)過以上工藝生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品不存在毛刺、充不滿等缺陷，質(zhì)量合格符合環(huán)模前期加工質(zhì)量要求，如圖8（b）所示。

4 小結(jié)

1）對(duì)外溝形截面環(huán)模鍛件輾環(huán)成形機(jī)理進(jìn)行分析，確定了合適的軋制工藝參數(shù)。

2）通過對(duì)環(huán)模輾環(huán)成形新工藝數(shù)值模擬分析，有效預(yù)測(cè)了新工藝擬定中產(chǎn)生的缺陷，確定了半閉式孔型驅(qū)動(dòng)輥與外溝形截面毛坯組合的輾環(huán)工藝成形方案。

3）通過生產(chǎn)實(shí)踐，驗(yàn)證了外溝形截面環(huán)件成形的合理性與生物質(zhì)燃料顆粒成型機(jī)用環(huán)模輾環(huán)成形新工藝的可靠性。

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