16MnD鋼軸承壓圈熱輾軋毛坯仿真設(shè)計(jì)

文/陳孝慶，孟瑞斌，關(guān)朕，王金鵬，強(qiáng)維濤·中國石油寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司

本文針對16MnD軸承壓圈徑軸向熱輾軋過程，設(shè)計(jì)了三種不同尺寸的毛坯；進(jìn)而以有限元模擬仿真軟件為平臺，建立可靠仿真模型，通過仿真試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同尺寸毛坯對輾軋過程輾軋力、溫度及應(yīng)變場的影響規(guī)律，并通過實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行工藝驗(yàn)證。結(jié)果表明：輾軋比2.6下成形環(huán)件溫度、應(yīng)變分布最為均勻。

16MnD鋼軸承壓圈為風(fēng)力發(fā)電設(shè)備風(fēng)機(jī)上重要結(jié)構(gòu)件，為典型厚壁盤型環(huán)件，低溫沖擊性能要求高，輾軋生產(chǎn)難度較大，容易在端面產(chǎn)生凹槽缺陷，成形質(zhì)量難以保證，因此軋制工藝的設(shè)計(jì)特別是毛坯的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。毛坯設(shè)計(jì)是環(huán)鍛件輾軋工藝設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，環(huán)坯初始尺寸直接決定了輾軋過程的總鍛比，及徑軸向變形量的匹配，進(jìn)而影響環(huán)鍛件內(nèi)部組織分布及輾軋過程中芯輥和上錐輥的操控匹配。

實(shí)際生產(chǎn)過程中，環(huán)鍛件輾軋毛坯設(shè)計(jì)的重點(diǎn)主要在于：⑴制坯簡單方便、原材料利用率高、能源消耗低；⑵徑軸向變形量匹配好，便于操作人員輾軋操控。國內(nèi)外相關(guān)研究人員也對環(huán)件輾軋毛坯設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究，分別從理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證提出了不同的設(shè)計(jì)方法。本公司針對風(fēng)電產(chǎn)品——某型號軸承壓圈(圖1)，首先以有限元模擬仿真軟件為平臺，進(jìn)行建模仿真試驗(yàn)，對該環(huán)件的輾軋毛坯進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證。

毛坯尺寸設(shè)計(jì)

環(huán)鍛件熱輾軋過程中，毛坯與環(huán)鍛件的尺寸對比關(guān)系如圖2所示。本文采用基于輾軋比和徑軸向變形量分配比的毛坯尺寸設(shè)計(jì)方法進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，根據(jù)此方法，在給定環(huán)鍛件尺寸的情況下，毛坯尺寸由輾軋比和徑軸向變形量分配比確定。

圖2 環(huán)件徑軸向輾軋變形模式示意圖

徑軸向變形量分配比，為環(huán)件成形前后的高度差與壁厚差的比值，決定軋制過程徑向與軸向的相對變形量。輾軋比是毛坯與成形環(huán)件的截面積之比。當(dāng)徑軸向變形量分配比、輾軋比以及環(huán)鍛件尺寸(圖1)給定時(shí)，根據(jù)體積不變原理毛坯尺寸即可確定。通過理論計(jì)算及實(shí)際生產(chǎn)芯輥外徑尺寸，本文輾軋比分別取2.4，2.6，2.8，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)并參考文獻(xiàn)，取徑軸向變形量分配比為0.6，不同輾軋比毛坯尺寸見表1。

表1 不同輾軋比下的毛坯尺寸

16MnD軸承壓圈熱輾軋仿真模型的建立

在已有研究所建模型的基礎(chǔ)上導(dǎo)入16MnD鋼的本構(gòu)模型及熱導(dǎo)率、比熱容、熱膨脹系數(shù)等參數(shù)建立了可靠的16MnD軸承壓圈熱輾軋仿真模型，如圖3所示。

圖3 16MnD軸承壓圈熱輾軋仿真模型

該模型建模關(guān)鍵技術(shù)如下：

(1)考慮實(shí)際生產(chǎn)工況設(shè)置接觸熱傳導(dǎo)、輻射熱傳導(dǎo)、對流換熱及形變熱效應(yīng)等參數(shù)，模擬輾軋過程中毛坯溫度的變化，實(shí)現(xiàn)16MnD軸承壓圈輾軋過程的熱力耦合模擬。

(2)通過設(shè)定實(shí)時(shí)讀取毛坯外徑尺寸信息來控制抱輥、錐輥和芯輥的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)各軋輥協(xié)調(diào)配合運(yùn)動(dòng)的模擬。給定軋制過程，各軋輥的運(yùn)動(dòng)主要將由輾軋過程中毛坯的實(shí)時(shí)外徑、高度和壁厚控制，其余仿真參數(shù)見表2。

表2 模擬仿真參數(shù)

仿真結(jié)果分析與討論

不同輾軋比毛坯下輾軋力的變化規(guī)律

圖4為三種不同輾軋比下毛坯輾軋過程中輾軋力的變化曲線。從圖中可知，隨著輾軋比的增大，輾軋力呈增大趨勢，輾軋比2.8時(shí)輾軋力相對最大，且隨著輾軋環(huán)件的長大，均逐漸減小。這主要是因?yàn)椋弘S著輾軋比的增大，初始毛坯的截面積增大，輾軋初期參與變形的金屬越多，變形抗力更大，更不易輾透，故輾軋力逐漸增大；隨著輾軋環(huán)件的逐漸長大，環(huán)件截面積減小，變形抗力逐漸降低，故輾軋力下降。

圖4 不同輾軋比下毛坯輾軋過程中徑軸向軋制力變化趨勢

不同輾軋比下毛坯應(yīng)變場的分布規(guī)律

圖5所示為不同輾軋比下毛坯環(huán)鍛件等效塑性應(yīng)變分布云圖，從圖中可知，三種輾軋比下環(huán)鍛件等效塑性應(yīng)變分布規(guī)律基本一致，環(huán)件內(nèi)外圈的應(yīng)變較大，且隨著輾軋比的增大，應(yīng)變增大，輾軋比2.6時(shí)環(huán)鍛件整體變形更為均勻，這與輾軋受力情況一致。

圖5 不同輾軋比下成形環(huán)件等效塑性應(yīng)變場分布云圖

不同輾軋比下毛坯溫度場的分布規(guī)律

圖6所示為不同輾軋比下毛坯環(huán)鍛件溫度場分布云圖，可以看出，三種輾軋比下環(huán)件溫度場的分布規(guī)律基本一致，環(huán)鍛件內(nèi)外層相對心部溫度較高，端面心部溫度最低，輾軋比2.6時(shí)環(huán)鍛件溫度分布相對更為均勻。這主要是因?yàn)檩氒堖^程中，環(huán)件內(nèi)外圈變形熱效應(yīng)產(chǎn)生的熱量大于與環(huán)境、軋輥之間的對流換熱及接觸傳熱損失的熱量，故溫度較高，而心部變形相對較小，變形熱效應(yīng)產(chǎn)生的熱量較少，故溫度較低；端面心部變形量最小，且熱量損失最大，故端面心部溫度最低；輾軋比2.6時(shí)環(huán)件變形最為均勻，故溫度分布也最均勻，鍛后組織也更為均勻。綜合考慮仿真試驗(yàn)結(jié)果，輾軋比2.6對應(yīng)毛坯成形的環(huán)鍛件最優(yōu)。

圖6 不同輾軋比下成形環(huán)件溫度場分布云圖

生產(chǎn)驗(yàn)證

根據(jù)仿真試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)試制。毛坯采用燃?xì)鉅t加熱到始鍛溫度1180℃，然后在16MN快鍛機(jī)上兩次鐓拔后按輾軋比2.6進(jìn)行制坯φ1130mm×φ385mm×305mm，制坯后回爐加熱至1180℃，并保溫2小時(shí)，通過1火次在臥式輾環(huán)機(jī)上輾軋至工藝尺寸，鍛后及時(shí)退火處理，環(huán)鍛件表面質(zhì)量良好，無凹槽等缺陷，如圖8、圖9所示。經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的輾軋比為2.6時(shí)毛坯方案是可行的。

圖7 實(shí)際輾軋過程

圖8 輾軋成形環(huán)件

結(jié)論

針對該軸承壓圈，在給定合理的徑軸向變形量分配比的情況下：

⑴輾軋比為2.8時(shí)，不容易輾透，且軋制力較大，對設(shè)備輾軋力要求較高；

⑵輾軋比為2.4時(shí)，總變形量偏小，環(huán)鍛件總體輾軋變形不均勻，相應(yīng)的內(nèi)部組織分布不均。

⑶綜合考慮設(shè)備能力和環(huán)鍛件總體輾軋變形的均勻性，并通過實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，輾軋比2.6對應(yīng)的毛坯最適合于本文軸承壓圈輾軋過程。