“┣”型截面环件轧制金属流动规律

2012-09-12耿剑李鹏段辉陕西宏远航空锻造有限责任公司

锻造与冲压 2012年5期

文/耿剑，李鹏，段辉·陕西宏远航空锻造有限责任公司

“┣”型截面环件轧制金属流动规律

文/耿剑，李鹏，段辉·陕西宏远航空锻造有限责任公司

在传统环件生产方法中，轧制成形生产占有很大比例，属于一种成熟环件生产方法。

作为目前轧制工艺热点的复杂截面环件轧制，虽然本质上仍然是环件轧制，但是此类环件轧制又存在不同于传统矩形截面环件轧制的特殊性，即轧制过程中存在金属向型腔充填的过程，这一过程又可以理解为具备了模锻成形的特征。但是，这种充填型腔的过程是在轧制过程中伴随金属直径增大、逐渐完成的，这一过程如图1所示。

图1“┣”型截面环件轧制过程金属充填示意图

从图1中可见，环件在轧制过程中逐渐充填型腔。所以复杂截面环件轧制可以定义为，其是一类带有模锻特征的特殊的环件轧制成形方法。这一方法能够有效地提高环形件的质量，并降低成本。

本文首先使用弹塑性有限元方法模拟径轴双向“┣”型截面环件在RAW 500-400/3000-700环轧机上轧制的成形过程，然后模拟相同规格的矩形件的轧制。通过对比两类环件直径增长过程，从而探索环形件轧制过程中金属流动的基本规律，掌握环轧过程中金属体积分配特征。

试验基本数据及轧辊尺寸

“┣”型截面环件试验件截面特征如图2所示。

根据环轧过程，设计的“┣”型截面芯辊基本几何尺寸如图3所示。

图3中，左端“┣”型截面芯辊大端直径为φ180mm，型腔深为40mm，型腔宽度为80mm。环件轧制基本参数见表1。

图2“┣”型截面环件图

图3 “┣”型截面芯辊尺寸

表1“┣”型截面环件基本数据（单位：mm）

有限元模型

本模型直接使用ABAQUS6的前处理模块直接进行建模。由于轧制时间较短，约为30s，忽略轧制过程中温度的影响。为了减少运算量将各个轧辊按离散刚体处理。

环坯使用弹塑性材料模型模拟，其基本材料参数为：密度ρ=7.8g/cm3，弹性模量E=210GPa，泊松比ε=0.3，屈服应力为σb=1220MPa。按上述参数对该环件轧制过程建模并网格划分，得到基本有限元模型如图4所示。

图4“┣”型截面有限元网格

环轧运动学分析及参数

环件轧制过程总体来看分为三个阶段，即环件咬入建立轧制过程阶段、稳定轧制阶段和轧制结束环件滚圆阶段。

在环轧过程的各个基本参数一定的条件下，本试验将采用以下参数对环轧过程进行控制。轧制时间为28s，其中咬入过程持续3s，稳定轧制23s，滚圆2s。主辊转速恒定为1.8r/s。芯辊咬入阶段进给为4mm/s。

按照一般轴向复杂截面环件的轧制特点，锥辊的轴向运动相对比较小，仅提供平整端面的作用，本模拟试验以0.05mm/s轧制速度，使得锥辊进给量约为1.5mm。

环轧模拟结果分析

经过计算机计算，该截面轧制将φ420mm×φ200mm×180mm环坯轧制成为φ570mm×φ455mm×180mm（腹鳍尺寸80mm×30mm）。计算结果如图5所示。

图5“┣”型截面环件轧制结果

图5所示芯辊型腔填满，环件尺寸达到轧制要求。

关于“┣”型截面环件轧制详细过程为：初始0～3s是咬入阶段，3～26s稳定轧制阶段，26～36s为滚圆阶段，各阶段分布明显。轧制过程中内台阶随轧制过程向内生长，应变分布与实际结果相符合。整体变化与图1所示相同。轧制过程中环件中部变化较小，应变集中在环件与轧辊接触部位。

应变分析

图6为“┣”型截面环件轧制结束时的应变分布截面图。

图6环件轧制结束时应变分布图

图6中所示上面部分为环件的俯视视图，下面部分是环件的截面视图。从中可见，该截面环件轧制成形后，应变分布不均匀，中间腹鳍部位的应变较小，范围在0.45～1.2之间，平均应变为0.813。环件上下端面部位应变相对较大，在1.5～12之间，平均应变超过10。所以在“┣”型截面环件轧制过程中，应变接触部位主要集中在环件与轧辊接触的部位。一区域是“┣”型截面环件轧制成形的主要区域。

对该环形锻件的应变进行分析，能够了解不同部位在轧制过程中的变形情况，明晰环轧过程中金属流动过程。鉴于本环件的对称性，将按图7所示进行数据采集。

图7中1、2、3点为环坯内壁点，4、5、6点为中截面点，7、8、9点为外壁点。根据轧制不同时间点，取上述各个点处应变值能够有效反应环件轧制过程中金属变形情况。图8为9个点位应变变化图。

图7取样点示意图

图8应变随时间变化图

图8所示，1～9各个点位的应变分布都呈增大趋势，在变形后期由于受到“凹坑”的影响导致9点的应变变化较小。

其中变化比较明显的是处于环坯内外两侧顶端点1和点7，其中点1的变化最大，是“┣”型截面环件轧制过程中内外侧上部与轧辊接触部分，是环件变形较大的部分，也是环件金属流动较剧烈的地方。点2处的应变比点7略小，点2处于环件轧制过程中型腔突起处，该处为环件的分型面，金属在该处进行分流，所以点2处应变较大。

4、5、6三点处于环坯的中性面，由于环件轧制过程中，需要填充型腔，所以环件在这三点处的应变较小，其中处于环坯顶部的点4处变化较大，点5和点6的变化较小。点8和点9处于环件外侧，该处位置是环件的凹坑缺陷处，所以应变受到金属流动的影响，变化较小，但是点8处比点9处略大。点3是环件型腔的中心点，也是凸台点，虽然其数值是增大的，但是其应变变化却很小。

由环件的内部特征点应变随时间变化规律可见，在“┣”型截面环件轧制过程，金属需要充填型腔，这大大影响环件的轧制，同时金属轧制过程，也是金属向型腔充填的过程。

“┣”字型截面环件轧制缺陷

由图9可知，“┣”字型截面轧制过程中出现的轧制缺陷比较明显。其中包括外壁中部出现“凹坑”，以及锻件上下端面出现“鱼尾”，这一特点与环件轧制过程相符合。鱼尾、凹坑缺陷如图9所示。

图9环件轧制基本轧制缺陷示意图

对比试验分析

由于“┣”型截面环件，轧制过程中出现的凹坑和鱼尾两类锻造缺陷。从整体环件变化的角度分析，是由于环件轧制区域集中在环件上下两部分。如图10所示的a、c两区域。b区域，即中部型腔区域，在轧制变形中是受轧制区域的影响，直径增大。而在轧制过程中，主轧制区与型腔区之间相互影响，使得“┣”型截面环件的轧制过程变得比较复杂，其中充填型腔是在轧制过程中逐步实现的，所产生的凹坑缺陷与轧制过程紧密相关。

图10轧制区域示意图

鱼尾缺陷是环件轧制过程中，环件在轴向受压，同时在轴向上处于连续运动状态下所引起的缺陷。为了明确上述观点，将设计以下对比试验。

同规格矩形件轧制，各个工件沿用复杂截面件轧制工件，尺寸不变。将芯辊换成无型腔的芯辊，进行轧制。以芯辊直径┣”型截面环件最大最小直径为基准，所以该芯辊尺寸分别为φ180mm和φ100mm。

按照上述方法对三种规格的芯辊轧制过程分别进行计算。经过计算该复杂截面环件轧制过程完成。其结果是，将φ420mm×200mm×180mm环坯轧制成为“┣”型截面环件φ570mm×φ455mm×180mm（腹鳍尺寸80mm×30mm）；以及矩形1件φ630mm×φ511mm×171mm，和矩形2件φ649mm×φ532mm×172mm，计算结果如图11所示。

图11所示为环件轧制结束时，环件的等效塑性应变的径向剖面视图和轴向视图。

从环件应变来看，“┣”型截面环件大部分变形区域集中在轧辊接触部位，而环件中间部分受到型腔的影响，变形小，与两侧轧制区域相比差别较大。对于矩形截面环件变形集中在内外两侧，中间部位变形较小。这说明对于“┣”型截面环件的轧制而言，型腔的存在对该环件轧制影响是很大的，与普通环件轧制存在着明显的不同。

图11环件轧制结果对比图

对比试验中环件直径变化及其特点

我们将对能够反应三件环件的特征点进行取样，并按照不同轧制的时间点对其直径进行测量，通过对比环件轧制过程中直径方面的变化，分析金属流动规律。

对于“┣”型截面环件将按图7所示位置取特征点，并测量其直径变化。对于矩形截面环件，考虑到其所具有的轮换对称性，将按图12所示位置取特征点，并测量该位置直径变化。对于矩形件所使用的不同的轧辊尺寸将用1和2加以区别，即φ180mm芯辊轧环件的取样点将用a1、b1、c1，与φ100mm芯辊轧环件a2、b2、c2相区分。

图12两组矩形环件取点位置

环件直径变化分析及规律

测量环件直径在轧制过程中的变化，并绘制轧制时间与直径变化图，具体如图13（a）、（b）所示。

（a）“┣”型截面环件

图13各取样点直径变化图

图中可见，环件直径在轧制过程中均增大，图中所示两组矩形截面环件直径增加相似，较“┣”型截面环件直径变化大。轧制初期矩形环件和“┣”型截面环件直径方面都增加，而“┣”型截面环件直径增加略小；环件轧制后期（18～28s），随着“┣”型截面环件型腔充填的深入，导致直径变化急剧减小。

由于图中曲线较多，容易混淆。所以将把各个直径变化曲线按照取点的位置不同进行分类，横向对比环件的直径变化。通过对图片对比分析，可以发现下述几个规律：

⑴矩形环件直径变化较大，而“┣”型截面环件直径变化较小。

⑵在轧制前期和中期，直径变化都呈上升趋势，矩形环件增加比“┣”型截面环件增加明显。

⑶轧制后期矩形截面环件直径增加明显，而“┣”型截面环件，出现明显的轧制平台，直径变化突性降低。

同时，对比三个环件的轧制，使用相同轧制工艺参数，虽然芯辊直径大小不同，但是轧制矩形件中所获得的直径变化数据基本相同，而“┣”型截面环件轧制过程中直径变化却相对较小，且随着轧制过程的深入，会出现直径变化突性降低点。这反映出，“┣”型截面环件轧制与普通矩形件的轧制存在着很大差别，不仅存在“┣”型截面环件轧制所特有直径变化规律。

通过上述分析可见，凹坑轧制缺陷的产生与这一过程紧密相关。出现这种情况的主要原因是“┣”型截面环件，金属需要充填型腔，而充填型腔是在轧制过程中逐步完成的。充填轧制过程中对型腔的充填，对环件直径的增长起到了阻碍作用，导致直径增加相对较小，随着轧制过程的深入，环件中部对轧制过程的影响就越来大。

综上所述，在“┣”型截面环件轧制过程，金属需要充填型腔，这大大影响环件的轧制，同时金属轧制过程，也是金属向型腔充填的过程。