变截面椭圆门框无缝热加工工艺的研究及应用

文/孙传金·丹东丰能工业股份有限公司

为了使一种变截面椭圆门框达到快速成形、降低生产成本、提高生产效率和产品合格率的目的。利用锻压成形原理对热加工工艺进行编制，并利用SolidWorks进行锻造前的工艺参数计算以及有限元成形模拟，准确计算下料重量、辗环尺寸以及锻件尺寸。通过此方法不仅提高了原材料的利用率，达到了图纸上的技术要求，而且也实现了批量生产的目的。

随着新能源的不断发展，风力发电技术不断成熟，我国风电装机量不断增加，因此风电塔架门框需求量不断增加，质量要求也不断提高。并且风电塔架主要设置在风量多、风力大的山体以及海上等处，钢结构塔架工作环境恶劣、承受的屈服载荷、抗拉载荷以及冲击载荷较大，容易变形，将导致安装在门框上的门不能正常的打开关闭，影响值班人员及维修人员的通行。

目前变截面门框的制造采用的是钢板切割后焊接成形以及模具成形。焊接成形存在的缺点为：⑴焊接区域存在热影响区，导致焊接后的门框容易变形，废品率高；⑵在焊接区域容易开焊，安全系数较低；⑶钢材被切割后焊接不仅破坏了内部纤维结构，而且导致探伤及机械性能难以满足技术要求。采用锻造成形缺点为：⑴增加了材料成本，采用自由锻造时余量增加；⑵使用模具增加了制造成本。而本工艺在满足产品技术要求的同时还可以降低制造成本，提高原材料的利用率，实现批量生产。

工艺路线

图1 变截面椭圆门框尺寸

变截面椭圆门框尺寸如图1所示，原材料可选用S355NL连铸圆坯，交货状态为正火+回火。

一种变截面椭圆门框无缝热加工工艺路线为：SolidWorks锻件计算→下料→加热→辗环→扩孔（SolidWorks计算尺寸）→锻压成形→正火→火焰切割→回火→车端面→打磨→包装→发货，并利用热轧环形件的主要设备辗环机，以提高生产效率。本文针对正火前热加工工序进行详细说明。

利用SolidWorks进行计算

由于SolidWorks绘图软件对椭圆的周长与重量（选取材料为结构钢S355NL）测量工具使用简单、数值准确，并且能够进行有限元分析，能够直观的看出成形的趋势以及受力情况，并能够准确的预判锻造时会产生的不利影响因素，减少锻造加热次数，降低生产成本，提高生产效率。

辗环尺寸计算

⑴测量门框外轮廓周长L。

利用SolidWorks建模，先按照图1成品尺寸绘制草图，再将内外轮廓进行等距实体，等距数值为Δt，即为内外轮廓的余量，最后将等距实体后的轮廓进行拉伸凸台，拉伸高度H即门框辗环高度，其计算公式为：

式中，H1为门框成品高度；Δt为余量值。

图2 锻件实体图

根据上述公式绘制成图2所示的锻件实体图，利用测量工具测量门框外轮廓周长L。按图1尺寸，选取Δt=40mm，则H=140+40=180mm，测量L=6404.11mm。门框外轮廓周长图如图3所示。

图3 测量门框外轮廓周长图

⑵计算辗环外圆直径ID公式为：

式中，L为门框外轮廓周长；ROUND(L/π/100，0）×100为周长计算后取整。按图2尺寸计算 ID=ROUND(6404.11/3.1415926/100，0）×100-200=1800mm。

⑶计算辗环内圆直径OD公式为：

式中，B为锻件壁厚的最大值，即椭圆顶点处壁厚。在图2中B=380mm。按图2尺寸计算OD=1800-2×380=1040mm。

⑷计算辗环锻件重量W公式为：

式中，ID为辗环外圆直径，OD为辗环内圆直径。

按图2尺寸计算W=(18002-10402）×180×6.16538/1000000=2395kg。

⑸下料重量的计算W0公式为：

式中，W’为冲孔连皮重量；当W＜2700kg，冲孔直径OD3=φ300mm，W’=60kg；当W≥2700 kg，冲孔直径OD3=φ400mm，W’=120kg。v0为烧损率，取v0=0.92。按图2尺寸计算W0=(2395+60）/0.92=2668kg。

计算制坯尺寸

⑴制坯高度H3。

式中，OD为辗环内径尺寸，OD3为冲孔直径，H为辗环高度，λ为调整系数。

⑵制坯锻件重量。

式中，W为辗环锻件重量，v1为烧损率，取v0=0.98。

⑶制坯外径尺寸ID3。

式中，W3为制坯锻件重量。

⑷调整系数λ。

选取调整系数λ值。

式中，B为辗环壁厚，H为辗环高度。

扩孔尺寸

外径OD2= L/π，内径短轴长度L2短=OD2-2B，内孔长轴长度L2长通过SoildWorks草图绘制，使扩孔重量W2=W/v1，v1为烧损率，取v1=0.98。

计算W2=2395/0.98=2444kg。

按重量W2调整尺寸260mm，使扩孔锻件重量等于W2，如图4所示为锻件扩孔图。

图4 锻件扩孔图

锻压成形

将扩孔后的锻件放置在液压机的上下砧板之间，下压高度H3至锻件图短轴长度L1。按图2尺寸，H3=L1=1230mm。图5为锻压成形图。

图5 锻压成形图

利用SolidWorks进行变形过程分析

建模完成后首先添加上下砧板图形（图5）。然后插入SolidWorks Simulation插件，对门框变形过程进行有限元分析。而SolidWorks Simulation插件与ABAQUS相比，其模拟分析结果接近，能够作为结果进行分析。

添加新算例

⑴添加应用材料结构钢S355NL。

⑵添加夹具类型为固定几何体。

⑶添加外部载荷类型力，其值大小根据液压机参数值给定。

⑷进行网格化处理图，如图6所示。

运行

运行计算后查看结果，其中应力分布图，如图7所示；位移趋势图，如图8所示。

结果分析

结果显示锻压后的成形趋势与锻件尺寸一致。通过实际生产验证锻件实际变形趋势与SolidWorks模拟的趋势变化一致，从而验证了SolidWorks模拟的准确性。最终锻件图如图9所示。

图6 网格化处理图

图7 应力分布图

图8 位移趋势图

图9 锻件图

结束语

通过SolidWorks以及相关公式的计算，得到锻造成形所需的各个参数的准确值以及锻造的变形模拟过程，对锻造成形和生产起到了很好的指导作用。不仅降低了生产成本，而且还满足了技术要求，不用模具进行修形，提高了生产效率以及原材料利用率，增强了门框的变形抗力，能够批量的提供优质的门框产品。