环模辗环成形新工艺及其数值模拟

袁浩++戴恩虎++王小明++房炜

摘要：针对某一型号生物质燃料颗粒成型机用环模零件，设计了辗环工艺，运用SIMUFACT大型塑性加工有限元软件，实现了辗环工艺的数值模拟，有效预测了成形缺陷如毛刺、折叠、截面轮廓充不满等问题。为了解决上述出现的辗环缺陷问题，通过优化模具结构和毛坯形状，得到合理的成形工艺方案，为环模锻件的精确辗环成形提供指导，并进行生产验证，产品合格。

关键词：生物质燃料；环模；辗环成形；毛坯设计；数值模拟

中图分类号：S216.2；TH122 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）03-0554-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.03.042

Numerical Simulation of New Ring Rolling Process of Ring Die

YUAN Hao1a，DAI En-hu1b，WANG Xiao-ming2，FANG Wei1b

（1a.School of Agricultural Equipment Engineering；1b.School of Mechanical Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，Jiangsu，China；

2.Liyang Hongda Mechanical Equipment Co. Ltd.，Changzhou 213331，Jiangsu，China）

Abstract： A ring rolling process used in shaping biomass fuel particles was designed according to one certain type of ring die and it was simulated by Simufact software，which effectively predicted the molding defects，such as burrs，fold and pass not filled with material，etc. The die structure and the blank shape were optimized and a legitimate rolling process was obtained according to the simulation，which provided a guidence for ring dies accurately rolling. By testing the product was up to standard.

Key words： biomass fuel； ring die； ring rolling； FEA simulation； blank design

近年来，各国对能源的需求量逐步增加，致使现有化石能源迅速消耗，能源危机愈发严峻[1]。生物质能源作为可再生清洁能源，逐渐引起人们的重视，具有良好的发展前景。其中，利用生物质原料固体成型技术制造生物质颗粒燃料是生物质能源转化与利用的主要方式。生物质颗粒固体成型燃料是将农作物秸秆、木料加工剩余物等生物质原料粉碎到一定的粒度，通过一定压力和温度处理，由生物质颗粒固体成型机加工成具有一定密实度的粒状成型物。环模式固体成型机作为生物质燃料颗粒成型最常用的装置，其核心部件环模的寿命低、质量差成为了推广生物质燃料道路上的一道亟须解决的技术瓶颈[2]。

环模是生物质颗粒固体成型机的关键部件[3]，形状为中间凹的环形件，中间表面布满制粒孔，如图1所示。环模不但要求表面硬度高，还要求芯部拥有较好的质量与强度，其质量好坏直接影响颗粒成型机的使用寿命。环模传统制造工艺首先通过锻造获得毛坯，然后通過机械切削的手段加工成外沟形截面的环形件。这种加工方法材料利用率较低，并且原始金属流线被破坏，严重影响了环模最后的机械性能。若采用辗环工艺制造，只需对轧制后的环件进行少量的切削加工，很大程度上提高了材料的利用率，减少了零件的加工工时，同时获得的环模内部材料致密，在后期模孔的加工中能很好地提高孔壁的强度和硬度，从而提高环模的使用寿命。本研究对新工艺中辗环部分进行研究，提出了一种生物质燃料颗粒成型机用环模成型新工艺，以期为环模锻件的精确辗环成形提供指导。

1 初始方案设计与数值模拟

1.1 锻件毛坯设计

根据某一型号环模零件留出适当的加工余量设计锻件，如图2所示。毛坯的设计是依据环模锻件来进行的，遵守体积不变原则计算得到毛坯的重量，设定毛坯与最终锻件的轴向长度相等，环模内外径的尺寸依据预定轧制比，初始毛坯如图3所示。

1.2 工艺参数的设计

为了解决生物质燃料制粒环模易磨损、寿命低的问题，本研究环模材料采用的是高合金不锈钢材料4Cr13[4]。依据锻件尺寸和实际可用生产设备使用情况，设计驱动辊大径750 mm，驱动辊小径696 mm，芯辊170 mm，摩擦因数0.70。为了保证轧制过程的顺利进行，驱动辊线速度一般保持在0.4～1.6 m/s[5]，驱动辊转速范围：

式中，R1为驱动辊半径，预设驱动辊外径为750 mm，代入式（1）得驱动辊转速n取值范围0.17 r/s

矩形截面环件轧制直线进给速度的极限范围[6]：

式中，？茁为环件轧制的摩擦角，R1、n1分别为驱动辊工作半径和转速，R2为芯辊半径，R、r分别为环件的外半径和内半径，vmin、vmax分别为最小、最大进给速度。

结合曾旭东[7]的研究，可将外沟形截面环件轧制看作两个阶段。第一阶段：外沟槽成形阶段，环件截面成形，最大厚度保持不变；第二阶段：直径扩大阶段，环件直径变大，壁厚减小。在第一阶段环件开始轧制时，只需满足驱动辊大工作半径处轧制条件，于是，v1min≈0.60 mm/s，v1max≈12.09 mm/s，因此可以得到

v1min

式中，v1是第一阶段芯辊进给速度，v1min、v1max分别为第一阶段芯辊进给速度的最小、最大值。在第二阶段环件开始轧制时，需驱动辊大小工作半径处同时满足轧制条件，即

[vbmin，vsmin]max

式中，vb为驱动辊大工作半径处对应的芯辊进给速度，vs为驱动辊小工作半径处对应的芯辊进给速度，v2是第二阶段芯辊进给速度。结合公式（2）、（3）计算得到vsmin≈0.63 mm/s，vsmax≈12.09 mm/s，vbmin≈0.55 mm/s，vbmax≈15.30 mm/s。

为了简化速度进程设计，使稳定轧制阶段芯辊进给速度始终如一，综合两阶段得到芯辊进给速度范围0.63

1.3 初始方案模拟

环模截面为外沟形，属于复杂截面，选用封闭式孔型作为其轧制孔型[9]。为了使毛坯容易进出孔型斜槽，减少毛坯与孔型间的刮擦，取驱动辊斜槽斜度为2 °。运用大型塑性成形分析软件Simufact建立仿真模型，如图4（a）所示。对初始方案进行数值模拟，分析辗环结束后环件成形情况，发现环件内孔孔缘出现严重毛刺，同时材料未充满孔型，如图4（b）所示。因此，初始方案无法满足成形要求，应对初始方案进行改进。

2 辗环工艺改进方案设计与仿真分析

2.1 3种改进方案

1）方案一：改变模具结构。驱动辊孔型改为半闭式，芯辊长度加长。初始方案中，由于轧制过程中金属发生轴向流动，毛坯与驱动辊挡板间存有一定的间隙，并且芯辊长度跟毛坯相等，不能很好地限制材料的流动范围，部分金属隆起后被挡板挤到芯辊上下端面位置发生折叠，最后出现较严重的毛刺缺陷。加长芯辊长度与半闭式孔型的配合使用，可以抑制毛坯金属先隆起后退后的趋势，如图5（a）所示。

2）方案二：改变毛坯截面形状。环模轧制属于异形环轧制，异形环在轧制时，易出现充形不满，造成产品不合格。经深入研究，发现直接将环件毛坯设计成异形截面可以有效解决此类问题[10]。本方案优化了毛坯形状，将毛坯截面设计成与锻件相似的外沟形截面，如图5（b）所示。

3）方案三：同时改变模具结构与毛坯截面形状。本方案采用半闭式孔型驱动辊与加长芯辊，同时采用截面形状与锻件相似的毛坯，如图5（c）所示。

2.2 辗环优化方案的仿真分析

方案一的模拟结果表明，半闭式与加长芯辊能较好地改进毛坯内孔毛刺缺陷，但仍然出现了充不满的问题，如圖6（a）所示。因此，方案一不能满足设计要求。

方案二的模拟结果表明，环件没有达到环模锻件精度要求。虽然孔型充不满问题得到了较大的改良，但同样出现了较严重的毛刺，如图6（b）所示。因此，方案二不能满足设计要求。

方案三的模拟结果表明，采用半闭式孔型驱动辊、加长芯辊与外沟形截面毛坯组合方案，有效避免了毛刺与充不满缺陷，环件产品均匀饱满，满足辗环成形要求，适合批量生产，为合理的辗环改进方案。

方案三环件轧制中，毛坯没有截面成形阶段，直接进入了直径扩大阶段。从轧制一开始，毛坯跟模具就完全接触，整个毛坯内外面受到较均匀的碾压力，轧制稳定，轧制成形结束后，应力应变均匀，孔型充满效果好，如图6（c）所示。配合半闭式孔型，加长芯辊拥有足够的长度可以消除因挡板摩擦滞后的金属毛刺，在芯辊与半闭式孔型的联合作用下，金属轴向流动形成的折叠和毛刺得到了再次地挤压与成形，因此在毛坯内孔孔缘处产生了较大的塑性变形。图7为辗环结束时环件的等效应变结果。

3 验证试验

对以上理论分析与仿真优化的有效性进行了验证试验。图8（a）为试验局部放大图，可以看出毛坯二与驱动辊孔型接触完全，有利于轧制稳定地进行。经过以上工艺生产出来的产品不存在毛刺、充不满等缺陷，质量合格符合环模前期加工质量要求，如图8（b）所示。

4 小结

1）对外沟形截面环模锻件辗环成形机理进行分析，确定了合适的轧制工艺参数。

2）通过对环模辗环成形新工艺数值模拟分析，有效预测了新工艺拟定中产生的缺陷，确定了半闭式孔型驱动辊与外沟形截面毛坯组合的辗环工艺成形方案。

3）通过生产实践，验证了外沟形截面环件成形的合理性与生物质燃料颗粒成型机用环模辗环成形新工艺的可靠性。

参考文献：

[1] 魏 伟，张绪坤.生物质固体成型燃料的发展现状与前景展望[J].广东农业科学，2012，39（5）：135-138.

[2] 张 炜，吴劲锋.苜蓿草粉制粒机环模失效行为研究[J].中国农机化学报，2009，4（4）：59-61.

[3] SINGH R N，BHOI P R，PATEL S R.Modification of commercial briquetting machine to produce 35 mm diameter briquettes suitable for gasification and combustion[J].Renewable Energy，2007，32（3）：474-479.

[4] 杨 毅.环模的制造工艺研究[D].江苏无锡：江南大学，2009.

[5] 华 林.环件轧制成形原理和技术设计方法[D].西安：西安交通大学，2000.

[6] 华 林，黄兴高，朱春东.环件轧制理论和技术[M].北京：机械工业出版社，2001.

[7] 曾旭东.大型内台阶环件径轴向轧制成形技术基础研究[D].武汉：武汉理工大学，2012.

[8] 华 林，梅雪松，吴序堂.环件轧制运动学规律和参数[J].热加工工艺，1998（2）：20-22.

[9] 华 林，曹宏深，赵仲治.阶梯孔环件轧制体积流动和毛坯设计[J].塑性工程学报，1994，1（3）：47-53.

[10] 钱东升.异形截面环件冷轧力学原理和工艺理论研究[D].武汉：武汉理工大学，2009.