彭亞亞 宋亞東 曾旭東 錢東升

1.武漢理工大學，武漢，430070

2.張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司，蘇州，215626

0 引言

環(huán)件軋制是一種先進的無縫環(huán)形零件連續(xù)的塑性回轉(zhuǎn)成形工藝，相比于其他的環(huán)件制造技術有著節(jié)能、省材、精度高和內(nèi)部組織致密的優(yōu)點［1］。環(huán)件軋制分為徑向軋制和徑軸向軋制，其中，大型環(huán)件的生產(chǎn)都采用徑軸向軋制技術。徑軸向軋制工藝過程是由芯輥和驅(qū)動輥組成的徑向孔型和上下兩個錐輥組成的軸向孔型來實現(xiàn)的，芯輥直線進給，使環(huán)件壁厚減小，上錐輥向下進給，使環(huán)件高度降低，在徑軸向孔型共同作用下，環(huán)件的外徑增大。由于徑軸向軋制的環(huán)件尺寸大，所以大型環(huán)件均采用臥式軋制的方式進行軋制。

由于徑軸向軋制生產(chǎn)的環(huán)件尺寸較大，在重力和變形力的相互作用下，易使環(huán)件受力不均，導致軋制過程不穩(wěn)定，主要表現(xiàn)為環(huán)件左右晃動和在徑向孔型中向上爬升，其中后者稱為爬輥現(xiàn)象。環(huán)件晃動會導致環(huán)件出現(xiàn)較大的圓度誤差，而爬輥現(xiàn)象輕則使環(huán)件形位精度大幅降低，重則使環(huán)件產(chǎn)生扭曲變形而報廢。由于軋制過程的穩(wěn)定性直接影響生產(chǎn)出的環(huán)件是否合格，所以國內(nèi)外學者在這方面做了大量的研究。Choi等［2－3］對軸向軋制過程中幾何參量的控制進行了研究，提出了自適應優(yōu)化方法；張淑蓮等［4］對爬輥現(xiàn)象進行了初步的分析，提出了優(yōu)化毛坯、調(diào)整設備和優(yōu)化軋制工藝三種解決方案；Pan等［5］建立了導向輥運動的控制數(shù)學模型，為模擬軋制過程環(huán)件在水平面內(nèi)穩(wěn)定性控制提供了基礎；Guo等［6］和Li等［7］在ABAQUS環(huán)境下建立了熱力耦合模型，并通過液壓力實現(xiàn)了對環(huán)件在水平面內(nèi)晃動的實時柔性抑制。上述研究都集中于解決環(huán)件左右晃動問題方面，而有關解決爬輥問題的研究報道資料甚少。但在實際生產(chǎn)中，爬輥現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，浪費了大量的原材料、能源和人力，因此，對于爬輥現(xiàn)象的深入研究和有效抑制非常必要。

基于上述現(xiàn)狀，本文對環(huán)件徑軸向軋制過程爬輥產(chǎn)生機制和抑制方法開展理論研究，為實際生產(chǎn)避免產(chǎn)生爬輥提供科學依據(jù)。

1 環(huán)件受力分析

1.1 靜態(tài)受力分析

徑軸向軋制原理如圖1所示。在實際環(huán)件徑軸向軋制中，由于環(huán)件有自身的質(zhì)量，所以會在軋制設備的芯輥兩側(cè)設置一個工作臺來承載環(huán)件，相當于將環(huán)件放置在一個平面上。從其軋制原理圖可知，軋制過程中，軸向孔型中的環(huán)件會受到來自上錐輥的一個向下的力Pa的作用，同時下錐輥對環(huán)件施加反作用力，在這兩個力的共同作用下，環(huán)件局部產(chǎn)生塑性變形，降低了高度，而環(huán)件其他部分都未受到該作用力的影響。因此，軸向孔型中的環(huán)件部分存在變形量，該處的高度均低于其他部分，所以環(huán)件會以工作臺上靠近錐輥這部分的邊緣為支點，形成一個翻轉(zhuǎn)力矩，其受力原理如圖2所示。根據(jù)力學平衡原理，在位于徑向孔型一端的環(huán)件部分上會產(chǎn)生一個向上的作用力，使環(huán)件在徑向孔型中產(chǎn)生向上運動的趨勢，促使環(huán)件沿軸向方向爬升。

圖1 徑軸向軋制原理圖

圖2 環(huán)件在靜態(tài)下的受力示意圖

1.2 旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的受力分析

環(huán)件的徑軸向軋制成形過程是：驅(qū)動輥旋轉(zhuǎn)，芯輥直線進給，在環(huán)件被不斷咬入到徑向孔型中的同時，上下錐輥共同旋轉(zhuǎn)，上錐輥向下進給，不斷地將環(huán)件咬入軸向孔型中。由此可知，環(huán)件是邊旋轉(zhuǎn)邊長大的，并且依靠旋轉(zhuǎn)速度和驅(qū)動輥及錐輥的轉(zhuǎn)速配合來避免環(huán)件的中心偏離驅(qū)動輥和芯輥的連心線。

環(huán)件在出軸向孔型時，由于上錐輥的進給，使環(huán)件的高度降低，并且會在環(huán)件的徑向上產(chǎn)生寬展，環(huán)件在被推出軸向孔型后，先推出部分的高度要大于后推出部分的高度，即圖3a所示的H3＞H2＞H1，表明連續(xù)的徑向?qū)捳剐纬闪寺菪蛏线\動的效果。同時，左右導向輥會根據(jù)環(huán)件中心偏離程度來對其施加作用力，確保環(huán)件在長大過程中的圓度。在徑向孔型入口側(cè)，環(huán)件的寬展部分受到導向作用力的影響，會產(chǎn)生一個向上的滑動摩擦力Fa，如圖3b所示，使環(huán)件產(chǎn)生螺旋向上運動的趨勢。而環(huán)件經(jīng)過徑向孔型后，徑向?qū)捳雇耆徽?，所以在徑向孔型出口?cè)，環(huán)件和導向輥之間幾乎沒有向上的摩擦力。

圖3 環(huán)件和導向輥作用示意圖

此外，旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的環(huán)件在軸向孔型中的變形區(qū)分布在兩錐輥之間平行母線的靠咬入方向一側(cè)，如圖4所示。由圖4可知，環(huán)件在出徑向孔型和咬入軸向孔型之間的部分，會被上下錐輥共同施加的作用力壓住，使環(huán)件在該側(cè)的軸向竄動受到有效的抑制，而處于軸向孔型出口側(cè)至徑向孔型入口側(cè)之間的環(huán)件未受到類似作用力的影響。

圖4 軸向孔型對環(huán)件作用示意圖

1.3 抑制方法分析

由上述環(huán)件的靜態(tài)和動態(tài)受力分析可知，在徑軸向軋制過程中，環(huán)件會受到由上錐輥向下進給產(chǎn)生的翻轉(zhuǎn)力、徑向?qū)捳购蛯蜉佒g的摩擦力，以及錐輥旋轉(zhuǎn)咬入環(huán)件時的壓力的綜合作用，該合力的作用點在徑向孔型入口側(cè)附近，方向向上。因此，將徑向孔型入口側(cè)的導向輥設計成有一定向下傾斜角度的錐輥（圖5），使導向輥產(chǎn)生向下的分力Py，以便有效抵消上述合力，抑制環(huán)件的爬輥現(xiàn)象。

圖5 有傾角的導向輥示意圖

2 建立有限元仿真模型

2.1 模擬條件及模型

在ABAQUS/Explicit模塊下建立有限元仿真模型，如圖6所示。模型中的各項參數(shù)設置如表1所示。該模型中使用的材料是一種被廣泛用于大型環(huán)件徑軸向軋制成形的42Cr Mo鋼，其物理屬性在文獻［8］中有詳細描述，本構方程在文獻［9］中列出。

圖6 有限元仿真模型

表1 模型參數(shù)設置

2.2 模型的實驗驗證

為了驗證所建立的有限元模型的可靠性，在張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司的RAM2000型徑軸向軋環(huán)機上進行了環(huán)件徑軸向軋制仿真模型的驗證實驗，如圖7所示。實驗過程中的軋制參數(shù)與模擬過程中的軋制參數(shù)一致。

圖7 驗證實驗現(xiàn)場

整個軋制過程中的徑軸向軋制力F的實驗值和模擬值變化情況如圖8所示。從圖8中可以看出，實驗所獲得的數(shù)據(jù)與模擬值較符合，且變化趨勢基本一致，兩者在大部分軋制時間內(nèi)的相對誤差都不超過10%，最大相對誤差分別為18.95%、18.45%，說明了該有限元仿真模型是可靠實用的。

圖8 環(huán)件尺寸變化的模擬和實驗結(jié)果比較

3 模擬結(jié)果分析與討論

在環(huán)件徑軸向軋制成形過程中，若控制稍有不當，就易出現(xiàn)爬輥現(xiàn)象，這種情況在數(shù)值仿真模擬中也經(jīng)常出現(xiàn)，如圖9所示。一旦出現(xiàn)爬輥，必然使環(huán)件出現(xiàn)扭曲，導致尺寸誤差過大或報廢。解決爬輥問題的方法是通過分析比較環(huán)件平整度、軸向穩(wěn)定性和圓度的變化，獲得最優(yōu)的導向輥分布方式和形狀。

圖9 模擬過程中的環(huán)件爬輥現(xiàn)象

3.1 不同導向輥分布方式對軋制成形的影響

為了驗證環(huán)件爬輥現(xiàn)象產(chǎn)生的力學機制，研究導向輥傾角對環(huán)件徑軸向軋制過程的影響規(guī)律，設置了一組除導向輥傾角外，其他各個參數(shù)一樣的模擬模型。具體的4種分布方式為：①徑向孔型兩側(cè)導向輥的傾角都為0°；②徑向孔型兩側(cè)導向輥的傾角都為5°；③徑向孔型進口側(cè)導向輥的傾角為5°，出口側(cè)導向輥的傾角為0°；④徑向孔型進口側(cè)導向輥的傾角為0°，出口側(cè)導向輥的傾角為5°。下面通過數(shù)值模擬來分析比較這4種導向輥分布方式對環(huán)件徑軸向軋制過程的影響，從而獲得最優(yōu)的分布方式。

（1）環(huán)件平整度變化。環(huán)件的平整度p是指軋制完成后，環(huán)件上端面外徑處y坐標的最大值與最小值之差，即平整度p＝max（y）－min（y），該值越小，說明環(huán)件越平整。通過對模擬結(jié)果的分析，整理得到的不同導向輥分布方式下的環(huán)件平整度數(shù)據(jù)如表2所示。由表2數(shù)據(jù)可知，導向輥組合方式①、④和②、③的環(huán)件平整度大小基本相同，但方式②、③的平整度要遠優(yōu)于①、④的平整度，導向輥組合方式②、③軋制出的環(huán)件精度要明顯優(yōu)于方式①、④的環(huán)件精度。

表2 不同導向輥分布方式下的環(huán)件平整度

（2）對環(huán)件軸向穩(wěn)定性的影響。環(huán)件軋制過程的軸向穩(wěn)定性可以用環(huán)件上端面外徑處任意一點的y值在軋制過程中的變化情況來體現(xiàn)。不同組合方式的導向輥對環(huán)件軸向的穩(wěn)定性影響明顯，如圖10所示。在軋制過程中，環(huán)件上某點的坐標值y都是先減小后增大的，因為該點在每次經(jīng)過軸向孔型時，其位置最低，出軸向孔型后，環(huán)件逐漸會被托支撐往上翹，環(huán)件直徑越大，這種往上翹的現(xiàn)象越明顯，其變化規(guī)律在圖10中表現(xiàn)得尤其明顯。在軋制前期，不同軋制方式下的環(huán)件某點的坐標值y變化情況基本一致；但在軋制的后期，尤其是環(huán)件直徑迅速長大的時候，方式①、④的y值波動非常大，說明此階段環(huán)件上下竄動比較嚴重；但方式②、③變化情況和軋制前期差別不大，表明在徑向孔徑入口側(cè)的導向輥只要有傾角就能有效抑制環(huán)件向上運動的趨勢。

圖10 不同導向輥傾角分布方式下的環(huán)件軸向穩(wěn)定性曲線

（3）橢圓度變化。橢圓度e指在環(huán)件軋制過程中的環(huán)件外徑距離環(huán)件等效中心的最大值和最小值之差。在環(huán)件徑軸向軋制過程中，由于環(huán)件的尺寸較大，所以每轉(zhuǎn)的進給量也會較大，這種大進給量會使環(huán)件不同部位存在較大的壁厚差，再加上控制誤差，會導致環(huán)件在軋制過程中存在明顯的橢圓度。環(huán)件在不同傾角導向輥軋制過程中的橢圓度變化規(guī)律如圖11所示。圖11各曲線的變化顯示，環(huán)件在軋制過程中橢圓度的變化規(guī)律可以分為3個階段：第1階段為環(huán)件被咬入徑軸向孔型，此階段環(huán)件在變形力的作用下，開始產(chǎn)生壁厚差，整個階段，環(huán)件的橢圓度迅速增大；第2階段為環(huán)件穩(wěn)定軋制階段，此階段環(huán)件的橢圓度持續(xù)增大，但是比較緩慢，而且有呈階梯式增長的現(xiàn)象，隨著橢圓度的增大，導向輥受力增大，促使環(huán)件橢圓度減小，從而有效阻止環(huán)件橢圓度增大的趨勢，但隨著環(huán)件外徑的增大以及外徑增速的提升，每轉(zhuǎn)的進給量會逐步增大，因此，橢圓度在被有效抑制后又會緩慢地增大；第3階段為整圓階段，此階段環(huán)件徑軸向進給速度逐步減小至0，所以環(huán)件的橢圓度會迅速減小，最終環(huán)件的橢圓度會減小至2～4mm之間。

圖11 不同傾角導向輥下的環(huán)件軋制橢圓度變化規(guī)律

比較圖11各曲線可以發(fā)現(xiàn)，不同傾斜角度的導向輥分布方式對環(huán)件橢圓度的變化影響不大，方式1、4下的環(huán)件軋制橢圓度變化相比方式2、3的變化波動稍大。

綜上所述，在環(huán)件徑軸向軋制中，不同分布方式的導向輥，其對軋制過程具有不同的影響，尤其是對環(huán)件軸向上的穩(wěn)定性和精度有較大的影響，驗證了前述環(huán)件在軸向受力情況的理論分析。

3.2 不同導向輥傾角對軋制過程的影響

徑向孔型入口側(cè)的導向輥傾角對環(huán)件在軸向上的穩(wěn)定性和精度控制效果非常明顯。為了進一步得到最優(yōu)的導向輥傾角大小，設置一組其他參數(shù)相同，徑向入口側(cè)導向輥傾角分別為2.5°、3.5°、5°、6.5°、7.5°的模擬模型。通過模擬分析，比較不同傾角對環(huán)件徑軸向軋制過程的影響，從而獲得最優(yōu)的導向輥傾角大小范圍。

（1）環(huán)件平整度變化。圖12所示為不同導向輥傾角下的環(huán)件平整度曲線。從圖中可以看出，當傾角為3.5°時，環(huán)件的平整度最好；當傾角小于3.5°時，導向輥對環(huán)件的作用力在垂直方向上的分力不足以與環(huán)件上向上的合力相抵消，當傾角大于3.5°時，因上述分力過大，錐輥在軸向孔型入口側(cè)的壓力會以工作臺邊緣為支撐點，使環(huán)件產(chǎn)生輕微的彎曲形變而降低平整度，且隨著傾角的增大，這一效果會更明顯。

圖12 不同導向輥傾角下的環(huán)件平整度曲線

圖13 不同導向輥傾角下的環(huán)件軸向穩(wěn)定性

（2）對環(huán)件軸向穩(wěn)定性的影響。從圖13所示的各曲線變化情況可以看出，導向輥傾角對環(huán)件軋制過程中的軸向穩(wěn)定性影響作用較小，但是當這個傾角在2.5°時，在軋制不同導向輥傾角下的環(huán)件橢圓度變化曲線后期，會由于環(huán)件外徑的增大以及增大的速度過快而出現(xiàn)比較明顯的波動，這表明傾角在2.5°時導向輥產(chǎn)生的垂直向下分力不足以將環(huán)件上向上的合力完全抵消。

（3）橢圓度變化。圖14所示為不同導向輥傾角下環(huán)件橢圓度變化曲線，從圖中可以看出不同的導向輥傾角，對環(huán)件的橢圓度變化影響不大，也從另一個方面驗證了導向輥的傾角有利于軋制過程的穩(wěn)定性控制。

圖14 不同導向輥傾角下的環(huán)件橢圓度變化

4 實驗驗證

如前所述，在張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司進行環(huán)件軋制時，在其軋環(huán)機入口側(cè)向輥固定支架上增加了一個墊塊，使原本垂直水平面的導向輥工作面向內(nèi)側(cè)傾斜了3.5°左右。圖15為實驗過程現(xiàn)場。圖16為軋制實驗獲得的環(huán)件。實驗過程中，徑向孔型中的爬輥趨勢得到了明顯的抑制，軸向振動減小，整個過程穩(wěn)定可控。表3數(shù)據(jù)顯示，當外徑處的橢圓度控制在環(huán)件外徑的0.1%左右且平整度控制在環(huán)件高度的1%左右時，軋機能軋制出形位精度非常高的環(huán)件。實驗結(jié)果再次驗證了本文理論分析和模擬結(jié)果的正確性。

圖15 軋制實驗現(xiàn)場

圖16 軋制實驗產(chǎn)品

表3 實驗過程中環(huán)件的基本參數(shù) mm

［1］華林，黃興高，朱春東.環(huán)件軋制理論和技術［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2001.

［2］Choi H D，Cho H S.An Adaptive Control Approach to the Ring Geometry Control for Radial－axial Ring Rolling Processes［J］.Journal Mechanics Engineering Science，1989，203：243－254.

［3］Choi H D，Cho H S，Lee J S.On the Dynamic Characteristics of Radial－axial Ring Rolling Processes［J］.Journal of Engineering for Industry，1992，114（2）：188－195.

［4］張淑蓮，何養(yǎng)民，楊大祥.大型鋁合金環(huán)形件軋制過程中扭曲爬輥問題研究［J］.有色金屬加工，2007，36（2）：43－44.

Zhang Shulian，He Yangmin，Yang Daxiang.Study on the Creeping and Distortion of Large－size Aluminium Alloy Ring Rolling Process［J］.Nonferrous Metals Processing，2007，36（2）：43－44.

［5］Pan L B，Hua L，Lan J.3－D FE Simulation and Analysis on Radial－axial Large Ring Rolling［J］.Materials Science Forum，2007（561/565）：1903－1906.

［6］Guo L G，Yang H.Key Technologies for 3D－FE Modeling of Radial－axial Ring Rolling Process［J］.Materials Science Forum，2008（575/578）：367－372.

［7］Li L Y，Yang H，Guo L G，et al.A Control Method of Guide Rolls in 3D－FE Simulation of Ring Rolling［J］.Journal of Materials Processing Technology，2008，205：99－110.

［8］潘家禎.壓力容器材料實用手冊［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2000.

［9］Lin Y C，Chen M S，Zhong J.Constitutive Modeling for Elevated Temperature Flow Behavior of 42Cr Mo Steel［J］.Computational Materials Science，2008，42（3）：470－477.