基于铸坯Q235B法兰件热辗扩过程温度场模拟＊

2014-07-01韩素平李永堂曹争争贾燕龙

锻压装备与制造技术 2014年5期

韩素平，李永堂，巨丽，曹争争，贾燕龙

（太原科技大学金属材料成形理论与技术山西省重点实验室，山西太原030024）

1 引言

环件热辗扩[1]是借助辗环机使环件产生壁厚或高度减小、直径扩大、截面轮廓成形的塑性加工工艺，是制造法兰件、轴承件、齿轮件、火车车轮及轮箍、燃气轮机环等各类无缝环件的先进技术，在机械、车辆、船舶、石油化工和航空航天等众多工业领域内日益得到广泛应用。而节约能源、降低成本、提高质量和生产率已成为环件生产和装备制造业发展的必然趋势。

法兰件的生产一般采用铸造、锻造等工艺制备。铸造法兰其毛坯形状尺寸准确，加工量小，成本低，但有铸造缺陷，铸件内部组织流线型也较差；锻造法兰流线型好，组织比较致密，机械性能优于铸造法兰。锻造法兰传统的生产工序为：冶炼坯料→加热→镦粗→拔长→冲孔→热辗扩成形→后处理。为降低成本和能耗，现采用一种新的生产工艺——铸辗复合成形工艺[2，3]，其工艺流程为：冶炼铸造→铸坯环件→热辗扩成形→后处理。新的生产工艺缩短了工艺流程，减少了坯料加热次数，从而降低成本和能耗，提高生产率和经济效益，并有利于节能减排和清洁生产。

针对环件热辗扩，温度对其成形工艺设计和质量控制起到关键性作用，国内外学者们[4，5]对热辗扩过程中温度场也进行了大量的研究，但对于铸辗复合成形过程中温度场的研究却极少。

本文采用ABAQUS 软件建立了三维有限元模拟模型，采用Explicit 显式算法对基于铸坯Q235B法兰件热辗扩成形过程温度场进行数值模拟，其成形原理如图1 所示。辗扩过程中，驱动辊作主动旋转运动，芯棍作径向进给运动的同时进行从动旋转运动，轴向端面辊作主动旋转和向后跟随运动，同时上端面辊作轴向向下运动，导向辊以一定的力抱住环件跟随其长大运动，在此情况下，环件经过反复旋转辗扩使直径和高度达到预定值后，各成形辊停止进给运动，辗扩过程结束。

图1 法兰件铸坯热辗扩成形原理

2 ABAQUS有限元模型的建立

2.1 铸坯和模具尺寸的设定

对于法兰件径轴向热辗扩成形，设计合理的毛坯尺寸，是为了保证辗扩过程顺利地进行，并为优化设计打下基础。本文根据法兰件实际尺寸和体积不变原理，设定法兰件铸坯与制品尺寸如表1 所示，辗扩比K=2.77。

模拟过程中模具的尺寸是依据环坯尺寸和工厂辗扩机所选定的，图1 中驱动辊、芯辊、导向辊尺寸的半径分别为450mm、140mm、70mm，导向辊与芯辊和驱动辊连心线夹角为60°，端面辊锥角为35°。

表1 法兰件铸坯与成品尺寸/mm

2.2 模拟条件的设定

法兰件铸坯的材料模型采用实验室热模拟的铸态Q235B 钢应力-应变曲线，热物理性能参数：杨氏模量117819MPa，泊松比0.3，导热系数30W/（m·k）。

法兰件铸坯的初始辗扩温度1150℃，各成形辊初始温度为250℃，环境温度20℃；热传导系数11N/（s·mm·℃），热交换系数为0.02N/（s·mm·℃），热辐射系数0.7N/（s·mm·℃）；驱动辊旋转角速度3.06rad/s，芯辊进给速度2mm/s，上端面辊进给速度1.17mm/s；摩擦系数0.7；网格划分采用热力耦合八节点六面体单元（C3D8RT），并用ALE 自适应划分网格，可避免变形过程中网格出现畸变。同时采用缩减积分和沙漏控制，可有效降低计算时间和避免出现零能单元。

3 模拟结果及分析

结合蒋涛、欧新哲对环件辗扩过程中的温度传导和温度场分布的研究，本文对铸坯Q235B 法兰件热辗扩成形过程中温度场的模拟结果进行了以下研究分析。

图2 是法兰件铸坯热辗扩过程中的温度场分布云图。从图a～h 中可以看出，辗扩过程一旦开始进行，环件温度就开始下降，这是由于环件与成形辊接触区域发生热传递，与周围环境之间发生热对流和热辐射。在辗扩初期，环件径向内、外表面与驱动辊、芯辊的接触区域，以及环件轴向上、下表面与上、下端面辊的接触区域，发生了热传递，导致这些接触区域的温度明显下降，随着辗扩过程的进行，接触区域不断发生转移，致使环件的整体温度显著降低。然而，由于环件发生塑性变形而产生热量，使得环件中间区域温度有上升的趋势。辗扩结束后，环件整体的温度分布不均匀，但规律是：环件中间区域的温度最高，边缘区域的温度最低，环件中间区域到上、下和内、外表面区域的温度都呈现由高到低的渐变分布。图b～f 中部分区域温度降低较其他区域明显，是由于成形辊初始温度与环件温度差值太大所造成的，随着辗扩过程的进行，成形辊的温度慢慢升高，又加上环件自身的热传导，部分区域温度与其他区域温度的差异越来越小，最终达成一致。

图2 法兰件铸坯辗扩过程中温度场分布云图

为更进一步研究辗扩过程中温度场的变化规律，在环件截面上分别取6 个跟踪点，跟踪点所在的位置如图3，各跟踪点温度场变化历史曲线如图4。从图4 中可以看出，虽然各个跟踪点处的温度变化情况有所不同，但大致是呈波浪式下降的趋势（除E 点处）。辗扩初期，由于环件与成形辊间发生热传递，环件温度损失多，曲线急剧下降；随后，曲线仍呈稍微下降趋势，是由于与周围环境发生热对流和热辐射的作用；曲线有上升趋势段，是由于塑性变形产生热和摩擦生热的缘故。对于环件中间区域的E 点处，温度在辗扩过程中呈现上升趋势，是因为该处与成形辊无直接接触，与周围环境也难产生热对流和热辐射，自身的热传导较少，而发生塑性变形又产生热。从曲线变化可以看出：辗扩过程中，环件中间E 点处温度一直是最高，边缘C 点处温度一直是最低；环件上表面C 点处的温度降的最快，A 点处的次之，B 点处的温度降的最慢，环件中间厚度处F、D、E 点具有相同的规律。

图3 环件截面上跟踪点的位置

图4 跟踪点温度场变化历史曲线图

图5 为分别沿径向和轴向方向显示辗扩结束时环件截面上温度场的分布规律。从图5a 可看出，中间厚度处的温度高于环件上、下表面处的温度，而上表面和下表面处的温度曲线有重合的趋势。从图5b 可看出，中间厚度处的温度最高，外表面处的温度次之，内表面处的温度最低；轴向方向上，三条温度曲线都呈现关于中间距离处的对称分布，这是由于环件在轴向孔型中受到上下对称的热力耦合变形行为。

4 结论

本文采用ABAQUS 软件对铸坯Q235B 法兰件热辗扩成形过程进行温度场模拟研究，结果表明：辗扩过程中，环件中间区域的温度最高，内外侧表面及上下端表面处为低温区，边缘区域的温度最低，环件中间区域到上、下和内、外表面区域的温度都呈现由高到低的渐变分布，并且环件中间区域到上、下表面区域的温度又呈现对称分布。

本文通过两种方式分析研究铸坯Q235B 法兰件热辗扩过程中温度场的变化及分布情况，一是按辗扩不同时间进行温度分析，二是按环件截面不同部位进行温度分析。本文的研究结果为今后进一步分析研究铸坯Q235B 法兰件热辗扩过程中应变场、辗扩力和力矩及微观组织演变规律打下基础。对于制订铸辗成形工艺与预测法兰件质量具有指导意义。