大型環(huán)件徑軸向軋制成形仿真及試驗(yàn)研究

趙順治，林 濤，郭衛(wèi)民，張志浩，劉 磊，景財(cái)年

（1.山東建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250101；2.齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）山東省分析測(cè)試中心，山東濟(jì)南 250014）

徑軸向環(huán)件軋制是生產(chǎn)無(wú)縫環(huán)件的先進(jìn)金屬成形技術(shù)，可滿足不同直徑、不同壁厚、不同高度、不同截面和不同材料等多維生產(chǎn)需求。軋制過程中環(huán)坯初始溫度、驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速、芯輥進(jìn)給速度等工藝參數(shù)不僅對(duì)宏觀具體的環(huán)件圓度、最終尺寸與溫度分布造成重要影響而且對(duì)微觀抽象的晶粒組織、等效應(yīng)變與能量消耗等發(fā)揮關(guān)鍵作用。谷瑞杰等[1]對(duì)徑軸向軋制成形工藝進(jìn)行了研究，彭孝國(guó)[2]研究了工藝參數(shù)對(duì)徑軸向軋制成形的影響，楊文兵[3]、李波[4]等對(duì)環(huán)件軋制成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，但這些研究和分析都缺乏直接對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)依據(jù)，對(duì)徑軸向環(huán)件軋制成形成性規(guī)律的研究深度稍顯匱乏。然而，徑軸向環(huán)件軋制是多場(chǎng)、多因素耦合作用下集三維連續(xù)漸變、非穩(wěn)態(tài)及非對(duì)稱等特點(diǎn)于一體的復(fù)雜非線性問題，難以通過理論解析、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和反復(fù)試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行全面研究。因此將徑軸向環(huán)件軋制成形仿真和試驗(yàn)研究直接關(guān)聯(lián)，進(jìn)行一系列的工藝參數(shù)及成形成性規(guī)律研究對(duì)大型環(huán)件[5]的實(shí)際生產(chǎn)具有重要參考價(jià)值。

1 大型環(huán)件徑軸向軋制的模擬研究

通過計(jì)算機(jī)模擬手段對(duì)大型環(huán)件的軋制過程進(jìn)行預(yù)先仿真模擬，驗(yàn)證和優(yōu)化工藝參數(shù)，簡(jiǎn)化傳統(tǒng)試錯(cuò)法繁雜的流程，從而起到節(jié)省材料成本、減少能源浪費(fèi)、提高生產(chǎn)效率的良好作用。

1.1 材料參數(shù)與模擬參數(shù)

（1）材料參數(shù)

316 不銹鋼材料作為一種奧氏體不銹鋼[6]，具有良好的抗高溫氧化能力、高溫強(qiáng)度和蠕變[7]性能以及一定的抗輻照性能，且與其他高溫合金相比，在核性能和加工性能方面具有更明顯的優(yōu)勢(shì)，316不銹鋼多在高溫、高壓等苛刻的條件下服役，被廣泛應(yīng)用于風(fēng)電、核電等工業(yè)領(lǐng)域[8]。

通過Jmartpro 模擬得到316 不銹鋼的熱物理性能參數(shù)，導(dǎo)入Deform-3D[9]中自定義材料參數(shù)。

（2）模擬參數(shù)

表1 316 不銹鋼化學(xué)成分 w/%

圖1 316 不銹鋼熱物理性能參數(shù)

表2 模擬參數(shù)

設(shè)備主要部件尺寸參考RAW2500/1250/-16000/3000 型軋環(huán)機(jī)（如圖2 所示）；主要部件運(yùn)動(dòng)參數(shù)是在滿足環(huán)件徑軸向軋制的咬入條件和鍛透條件[10]的基礎(chǔ)上根據(jù)運(yùn)動(dòng)速度相等的關(guān)系計(jì)算得出。

圖2 RAW2500/1250/-16000/3000 型軋環(huán)機(jī)實(shí)物圖

1.2 建模過程

利用Solidworks 軟件建立徑軸向軋制裝配模型[11]（如圖3 所示），將各部件生成的STL 文件導(dǎo)入Deform-3D 中，然后根據(jù)表1、2 數(shù)據(jù)對(duì)各部件參數(shù)化處理。

圖3 環(huán)件徑軸向軋制三維裝配模型

在Deform-3D 使用自適應(yīng)網(wǎng)格重劃分技術(shù)（ALE）對(duì)環(huán)坯進(jìn)行較高密度的網(wǎng)格劃分，此舉可避免環(huán)坯在變形過程中的網(wǎng)格畸變[12]，提高計(jì)算精度。環(huán)坯的網(wǎng)格劃分如圖4 所示。

圖4 環(huán)坯的網(wǎng)格劃分

最后進(jìn)行邊界條件各計(jì)算步長(zhǎng)的設(shè)定。摩擦邊界條件設(shè)定：驅(qū)動(dòng)輥、芯輥、錐輥和導(dǎo)向輥分別與環(huán)坯組成6 對(duì)接觸關(guān)系，接觸類型為面與面接觸，錐輥與環(huán)件之間為剪切摩擦，驅(qū)動(dòng)輥、芯輥、錐輥與環(huán)件摩擦系數(shù)為0.5，導(dǎo)向輥與環(huán)件之間摩擦系數(shù)為0.3；傳熱邊界條件設(shè)置：軋輥溫度200℃，環(huán)境溫度20℃，熱傳導(dǎo)率5N/（s·mm·℃），熱對(duì)流系數(shù)2×10-5J/（m2·s·℃）。在計(jì)算步長(zhǎng)設(shè)定中每步長(zhǎng)最大位移為變形體最小單元邊長(zhǎng)的1/3～1/10。

1.3 初始模擬試驗(yàn)結(jié)果

模擬結(jié)果顯示，根據(jù)表2 模擬參數(shù)可軋制出最終產(chǎn)品，經(jīng)過測(cè)量得出外徑平均尺寸誤差≤20mm，圓度誤差≤27mm，符合實(shí)際生產(chǎn)要求。

（1）如圖6 為徑軸向軋制過程中等效應(yīng)變的變化及分布云圖。從圖中可看出，在環(huán)件初始變形階段，環(huán)件的外表面為預(yù)先變形區(qū)。隨后環(huán)件內(nèi)部應(yīng)變量隨變形量增加而增加，呈現(xiàn)正比關(guān)系。觀察環(huán)件截面處應(yīng)變?cè)茍D異色分層特征可以發(fā)現(xiàn)：應(yīng)變量由表及里呈遞減趨勢(shì)。原因?yàn)椋涸诃h(huán)件軋制過程中，芯輥與環(huán)件內(nèi)表面直接接觸且進(jìn)給速度較大，環(huán)件主要發(fā)生沿徑向的寬展；而錐輥雖與環(huán)件上下表面直接接觸但進(jìn)給速度較小，最終體現(xiàn)為表層材料變形巨大，心部材料變形較小。因此環(huán)件內(nèi)圓和外表面產(chǎn)生的應(yīng)變大于軸向端面表面產(chǎn)生的應(yīng)變。

（2）如圖7 為徑軸向軋制過程中溫度場(chǎng)分布云圖。從圖中可以看出，環(huán)件整體軋制過程溫度分布符合熱軋[13]過程溫度梯度[14]分布規(guī)律：軋制過程中環(huán)件表面與軋輥、空氣等多種介質(zhì)發(fā)生熱交換[15]，因此降溫較快；而心部?jī)H與溫差較小的表層材料發(fā)生熱交換，因此降溫效應(yīng)不明顯。根據(jù)能量守恒定律，在軋制變形影響下環(huán)件自身也會(huì)產(chǎn)生熱量，結(jié)合前文所述外表面變形量大于內(nèi)表面變形量的結(jié)論可解釋內(nèi)外表面存在溫差的問題。最終軋制過程結(jié)束后，環(huán)件的最低溫度≥850℃，滿足316 不銹鋼的實(shí)際熱軋要求[16]。

圖5 邊界條件設(shè)置

圖6 徑軸向軋制過程中等效應(yīng)變的變化及分布云圖

圖7 徑軸向軋制過程中溫度場(chǎng)分布云圖

（3）如圖8 為徑軸向軋制過程中軋制力能參數(shù)變化圖。因?yàn)樾据伜万?qū)動(dòng)輥是沿環(huán)件對(duì)稱分布，環(huán)件受到的芯輥和驅(qū)動(dòng)輥軋制力的大小基本相等[17]，所以僅以芯輥為軋制力研究對(duì)象。圖8a所示為軋制力的變化規(guī)律：在徑軸向環(huán)件軋制過程中，由于徑向的進(jìn)給量較大，而軸向的進(jìn)給量較小，所以穩(wěn)定軋制過程中徑向軋制力大于軸向軋制力，且徑向最大軋制力大于軸向最大軋制力。軋制開始后，隨芯輥進(jìn)給量增加，環(huán)件與軋輥之間的絕對(duì)接觸面積逐漸增大，所以軋制力迅速上升，然后環(huán)件進(jìn)入穩(wěn)態(tài)軋制階段。因?yàn)榄h(huán)件與軋輥之間的接觸邊界是非線性的，環(huán)件直徑擴(kuò)大的過程中塑性變形過程也是復(fù)雜非線性的[15]，所以軋制過程中軋制力出現(xiàn)明顯的波動(dòng)現(xiàn)象。圖8b 為軋制力矩[18]的變化情況，軋制力矩的變化規(guī)律和軋制力的變化規(guī)律一致，隨著軋制的進(jìn)行，軋制力矩呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，并在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，徑向最大軋制力矩大于軸向最大軋制力矩。

圖8 徑軸向軋制過程中軋制力能參數(shù)變化規(guī)律

（4）如圖9 為徑軸向軋制過程中金屬流動(dòng)速度場(chǎng)分布云圖。從圖中可以看出，金屬的流動(dòng)方向主要沿環(huán)件的周向流動(dòng)[17]。金屬流動(dòng)速度與前文所述環(huán)件成形規(guī)律一致：外圓變形大故金屬流動(dòng)速度絕對(duì)值大；內(nèi)圓變形小故金屬流動(dòng)速度絕對(duì)值小。

圖9 徑軸向軋制過程中金屬流動(dòng)速度場(chǎng)

2 軋環(huán)機(jī)型號(hào)選擇方法研究

2.1 軋制力變化原因分析

在大型環(huán)件徑軸向軋制[19]實(shí)際生產(chǎn)中，軋環(huán)機(jī)型號(hào)噸位的選用是實(shí)際生產(chǎn)中面臨的關(guān)鍵問題之一。故本研究在保證大型環(huán)件最終成形效果理想的基礎(chǔ)上從環(huán)坯初始溫度、驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速、芯輥進(jìn)給速度三方面對(duì)軋制力的影響進(jìn)行研究，為實(shí)際生產(chǎn)軋環(huán)機(jī)噸位的優(yōu)選提供理論支撐。

從軋制力分布數(shù)據(jù)讀出：隨環(huán)坯初始溫度升高，材料變形抗力減小[20]，金屬流動(dòng)性提高；但大型環(huán)件由于自重大、成形過程復(fù)雜，因此對(duì)軋制過程穩(wěn)定性要求極高。所以在適當(dāng)范圍內(nèi)提高環(huán)坯溫度對(duì)提高設(shè)備適用性優(yōu)化成形效果具備有益作用。綜合所述可得出：環(huán)坯初始溫度≥1100℃可在一定程度上降低設(shè)備載荷，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命[21]。

表3 初始溫度對(duì)軋制力的影響

從軋制力分布數(shù)據(jù)讀出：隨著驅(qū)動(dòng)輥角速度的增加，徑向所受的最大軋制力減小。這是因?yàn)樵谛据佭M(jìn)給速度保持不變的情況下隨著驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速增快，單位時(shí)間內(nèi)環(huán)件受力體積增大，對(duì)應(yīng)單位時(shí)間內(nèi)軋制力減少；同時(shí)模擬數(shù)據(jù)表明，隨角速度增大軋制力震蕩幅度增加，不利于大型環(huán)件高穩(wěn)定成形[24]。綜合所述可得出：在本模擬過程中驅(qū)動(dòng)輥角速度ω=0.8rad/s 時(shí)軋制力震蕩幅度小，且軋制力最大值和眾數(shù)極大值差距小，對(duì)軋環(huán)機(jī)比較友好；但隨驅(qū)動(dòng)輥角速度增加軋制力明顯變小，適用于能力較弱的軋環(huán)機(jī)軋制中大型環(huán)件的工廠實(shí)況。

圖10 不同初始溫度對(duì)應(yīng)軋制力變化

圖11 驅(qū)動(dòng)輥不同角速度下對(duì)應(yīng)軋制力變化

表4 驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速對(duì)軋制力的影響

從軋制力分布數(shù)據(jù)讀出：316 不銹鋼環(huán)件軋制過程中芯輥進(jìn)給速度對(duì)軋制力的影響較大。隨芯輥進(jìn)給速度增大時(shí)，軋輥對(duì)環(huán)件固定作用明顯，使環(huán)件軋制變形過程中穩(wěn)定性提高，綜合體現(xiàn)為軋制力大幅增大且數(shù)據(jù)震蕩幅度降低。但是過高的進(jìn)給速度會(huì)對(duì)軋環(huán)機(jī)軋制能力提出更高要求。綜合所述可得出：在本模擬過程中芯輥進(jìn)給速度為1.5mm/s 時(shí)對(duì)軋環(huán)機(jī)[25]比較友好。

2.2 總結(jié)

根據(jù)上述分析可得出，實(shí)際生產(chǎn)過程中首先應(yīng)注意環(huán)件尺寸與軋環(huán)機(jī)型號(hào)噸位適配；在工廠實(shí)況中，軋環(huán)機(jī)徑軸向軋制中大型環(huán)件時(shí)環(huán)坯初始溫度應(yīng)保持在≥1100℃，驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速可保持在0.8rad/s～1.5rad/s 范圍內(nèi)，芯輥進(jìn)給速度設(shè)置1.5mm/s 左右可以保證軋制成形效果及設(shè)備使用壽命。

表5 芯輥進(jìn)給速度對(duì)軋制力的影響

3 徑軸向環(huán)件軋制試驗(yàn)研究

為體現(xiàn)徑軸向軋制對(duì)316 奧氏體不銹鋼材料微觀晶粒組織[22]生長(zhǎng)的有利作用，對(duì)1/3 縮小后的環(huán)件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。設(shè)備選用D53K-630 型軋環(huán)機(jī)其余主要參數(shù)全部參考前文得出的最優(yōu)參數(shù)范圍。取樣觀察金相組織如圖12 所示。軋制后的316 不銹鋼沒有發(fā)生相變，組織為奧氏體，經(jīng)過軋制后晶粒出現(xiàn)了再結(jié)晶，晶粒中呈現(xiàn)出孿晶分布[23]。驗(yàn)證了徑軸向軋制對(duì)晶粒的有利影響。

圖12 驅(qū)動(dòng)輥不同角速度下對(duì)應(yīng)軋制力變化

4 結(jié)論

圖13 不同截面金相組織

（1）利用有限元數(shù)值分析軟件Deform-3D 對(duì)316 不銹鋼大型環(huán)件徑軸向軋制成形過程進(jìn)行了模擬仿真，將動(dòng)態(tài)軋制過程中的應(yīng)變場(chǎng)、溫度場(chǎng)分布、軋制力能參數(shù)、金屬流動(dòng)速度場(chǎng)進(jìn)行了可視化分析，進(jìn)而制定了一系列的模擬參數(shù)。

（2）針對(duì)如何優(yōu)選軋環(huán)機(jī)型號(hào)的問題進(jìn)行模擬分析，討論了初始溫度、驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速、芯輥進(jìn)給速度對(duì)軋制力的影響差異，為實(shí)際生產(chǎn)中的環(huán)軋機(jī)型號(hào)優(yōu)選提供了理論參考。

（3）采用研究所得參數(shù)進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)，在成形效果理想的基礎(chǔ)上驗(yàn)證了徑軸向軋制工藝對(duì)大形環(huán)件微觀晶粒組織具備有利影響。