浅谈环件轧制数值模拟

董超

摘 要：金属环件轧制是一个多因素耦合作用下的宏观变形和微观组织演变交互影响的复杂成形过程，本文基于ABAQUS软件平台，将Ti-6Al-4V的微观组织演变计算模型与环件轧制宏观有限元计算模型相集成，成功地实现了环件轧制过程的传热、变形和微观组织演变的模拟。

关键词：环件；轧制；数值模拟；ABAQUS

1 概述

环件轧制成形是一种重要的无缝环形零件的先进塑性成形技术，顺应了先进塑性成形技术的发展方向 。深入研究环件轧制成形过程中热力祸合作用和微观组织演变，掌握工艺参数对宏观变形和微观组织演变的影响规律，为环件生产的精确控形和精确控性提供科学的工程实用的依据，是实现环件优质、高效、低耗成形制造的迫切需求和必然趋势。

2 矩形环件轧制有限元建模

2.1 引言有限元建模是为了满足有限元求解的要求而对实际物理模型进行合理简化的描述，但是要求所建立的有限元模型应尽可能准确地反映实际条件。本文所用到的模拟软件为ABAQUS。

2.2 ABAQUS有限元分析包含几下步骤：

1）几何模型和工件模型；

2）材料性能加載到工件模型中；

3）对几何模型进行装配，对工件模型定义接触、约束和加载；

4）对模型进行网格划分；

5）对最终模型进行计算求解。

在通用有限元程序中，可将上述步骤描述为前处理、求解和后处理。

3 环件轧制成形规律的研究

3.1 变形过程中场变量的变化与分布规律

3.1.1等效应变场变化与分布规律

环坯中间层由于远离成形辊，为小变形区。还可以看出在变形初期，只有环坯的内层和外层部分区域产生了大的塑性变形，而随着轧制过程的进行，塑性变形区经历了由局部小区域扩展到环带的过程，并且塑性变形的区域，由环坯的外层和内层向中层移动，且变形程度逐渐增强，直至将环坯辗透。

3.2.2 温度场变化与分布规律

环坯的高温区出现在环坯变形量较大的外层，低温区首先出现在环坯与成形辊接触的地方，而随着轧制过程的进行，低温区逐渐转向环坯内层的棱边，随后向环坯外层棱边处扩展。这是因为，在变形初始时刻，由于环坯的温度和成形辊的温差较大导致成形辊与环坯的接触传热强烈，并且此时变形量小，引起的温升不明显，因此，与成形辊接触过的地方温度下降较快。而随着轧制过程的进行，变形及摩擦引起的温升，使成形辊与环坯的温差减小，从而在环坯变形量较大的地方温度上升较大。从图中还可以看出，随着轧制过程的进行，环坯的最高温度上升，最低温度下降，导致环坯温度分布越来越不均匀。

为了反应环坯轧制过程中不同部位温度随时间的变化，在环坯的截面沿径向依次取六个跟踪点，如图3-1所示为环件轧制过程中环坯不同部位温度随轧制时间的变化规律曲线。

3.3 工艺参数对对轧制成形过程的影响

3.3.1 驱动辊转速的影响

采用驱动辊的转速（10，12，15）rad/s，芯辊进给速度0.4mm/s， 初始环坯温度990℃，摩擦因数0.3的计算条件，研究分析不同驱动辊转速对环坯变形场、温度场、轧制力的影响规律。

3.3.1.1 驱动辊转速对变形场的影响

在不同驱动辊转速下，环坯应变场的分布区域基本一致，环坯外层变形较内层大，中层为小变形区。随着驱动辊转速的增大，等效应变最大值增大，外层的变形增大。这是因为驱动辊转速的增大，会导致平均每转进给量减小，保持相同变形量的条件下，使得环坯变形集中在环坯的外层，而不易向中层扩展的缘故。

3.3.1.2 驱动辊转速对温度场的影响

随着驱动辊转速的增大，高温区在减小，且向着环坯变形量较大的外层移动；低温区也在减小，主要分布区从内表面转向环坯棱边处。图中还可以看出，随着驱动辊转速的增大，温度最大值和最小值增大，环坯温度整体增大。

3.3.1.3 驱动辊转速对轧制力的影响

力能计算不仅是环件轧制孔型设计和轧制工艺设计的依据，而且也是辗环机结构设计、工作参数设计和机电液部选择的依据。因此，对轧制力的预测是环件轧制技术设计的重要内容。随着轧制过程的进行，轧制力先急剧增加到某一值，然后出现波动这是因为，首先轧制过程中存在复杂的三重非线性，特别是导向辊与环坯间的接触边界非线性；其次变形区的大小及场变量分布是随时间变化的，导致轧制过程是一个非稳态成形过程；最后轧制是一个多道次成形过程，环坯通过孔型时轧制力必然产生变化和波动。

3.3.2 芯辊进给速度的影响

采用进给速度（0.4，0.6，0.8，）mm/s，驱动辊转速10rad/s，环坯初始温度990℃，摩擦因数0.3的计算条件，研究分析不同驱动辊转速对环坯变形场、温度场、轧制力的影响规律。

3.3.2.1 芯辊进给速度对变形场的影响

在不同进给速度下环坯等效应变场的分布区域基本一致，环坯外层变形较内层大，中层为小变形区。随着芯辊进给速度的增大，环坯的小变形区减小。

3.3.2.2 芯辊进给速度对温度场的影响

环坯温度场的分布区域基本一致，高温区位于靠近环坯外层的大变形区，低温区位于变形量较小且散热条件好的环坯的棱边处。还可以看出随着芯辊进给速度的增大，低温区向着环坯的内表面扩展，高温区向着变形量较大的外层移动。

3.3.2.3 芯辊进给速度对轧制力的影响

芯辊进给速度越大，轧制力越大，这是由于当保持其它条件不变时，芯辊的进给速度越大，轧制过程中平均每转进给量越大，所需的轧制力就越大，由于完成同样的轧制过程，芯辊进给速度越大，所需要的时间越短，因此，轧制力持续的时间越短。

3.3.3 环坯初始温度的影响

采用环坯初始温度（990℃，1050℃，1100℃），驱动辊转速10rad/s，芯辊进给速度0.4mm/s，摩擦系數0.3的计算条件，研究分析不同驱动辊转速对环坯变形场、温度场、轧制力的影响规律。

3.3.3.1 环坯初始温度对变形场的影响

随着环坯初始温度T的增大，塑性应变最大值减小，最小值增大，环坯的变形从环坯的内外层向中层扩展，使得环坯内的大变形区和小变形区减小，中等变形区扩大，环坯的变形状况越来越好。这主要是因为温度的升高，温度的软化作用增强，材料的流动性能提高的缘故。因此，在环件轧制中，适当的提高环坯初始温度有利于环坯的变形。

3.3.3.2 环坯初始温度对环件温度场的影响

图3-3为不同初始环坯温度下成形环件温度场的分布云图。可以看出，随着环坯初始温度的升高，成形环件高温区增大，低温区减小。这是因为，随着环坯初始温度的升高，环坯塑提性提高，辗透性提高，环坯中层易于变形，使得环坯的变形热效应增强，且中层导热性能差，导致中层温度上升快，高温区逐渐增大。而低温区减小主要是由于变形热效应的增强的缘故。

3.3.3.3 环坯初始温度对轧制力的影响

环坯初始温度越高，轧制过程中所需轧制力越小。这是由于在其余轧制条件不变的情况下，材料随着温度的升高，其变形抗力减小的缘故。

3.3.4 摩擦的影响

3.3.4.1 摩擦因数对变形场的影响

随着摩擦因数的增大，环坯等效塑性应变的最大值和最小值都在增大，但是最大值增大的幅度比最小值增大幅度大。这是因为，摩擦的增大，导致环坯内外表面的摩擦生热增强，环坯表面金属比内部更易于流动，变形主要集中在环坯的表层。

3.3.4.2 摩擦因数对环件温度场的影响规律

环坯整体的温度分布规律几乎不随摩擦因子大小变化而出现明显变化，高温区主要在变形量较大的外层，而低温区主要分布在环坯的棱边处。随着摩擦因子的增大，环坯温度整体有增大的趋势，这主要是因为在相同的计算条件下，摩擦因子的增大，引起摩擦热效应增强的缘故。

3.3.4.3 摩擦因数对轧制力的影响

摩擦因子的变化对轧制力的影响甚微。这主要是由于轧制力的大小主要取决于轧制过程中平均每转进给量和环坯材料性质的缘故。因此，增大驱动辊和芯辊与环坯内、外表间的摩擦，对环件轧制过程中轧制力的影响不大。

4 结束语

本文采用数值模拟，对环件轧制成形过程的热力藕合作用和微观演变及影响规律进行了系统研究，获得的主要研究结果及结论如下：

（1）基于ABAQUS模拟软件，将Ti-6Al-4V的的微观组织演变计算模型与环件轧制宏观有限元计算模型相集成，成功地实现了环件轧制过程的传热、变形和微观组织演变的模拟。

（2）对环件轧制过程进行了传热、变形和微观组织演变进行了系统模拟研究，揭示了成形过程中等效应变、温度场的分布规律，发现变形区经历了由局部小区域扩展到环带的过程，由外层和内层向中层移动，外层和内层为大变形区；环坯温度分布不均匀，高温区出现在变形量较大的外层，低温区首先出现在环坯与成形辊接触的地方，随后转向内层的棱边，向外层棱边扩展。

（3） 研究揭示了驱动辊转速、芯辊进给速度、环坯初始温度、摩擦因子等主要工艺参数对轧制成形中变形场、温度场和轧制力的影响规律。

参考文献

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