楊 帆，龔小濤

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089）

1 引言

異形環(huán)件軋制是在矩形截面環(huán)件軋制基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)精密軋制技術(shù)。和矩形截面環(huán)件軋制相比，異形環(huán)件軋制變形過程中材料流動(dòng)更為復(fù)雜，截面變形以及直徑增長(zhǎng)規(guī)律更加難以掌握，成形過程中軋輥的控制更加困難。因此，復(fù)雜異形環(huán)件軋制成為塑性成形領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性和最有吸引力的方向之一。

矩形截面環(huán)件軋制過程中，一般采用徑向軋制的方法成形，對(duì)于異形環(huán)件軋制，由于沿著環(huán)件徑向方向受力較小，材料流動(dòng)較為困難，異形截面較難填充，因此，軋制過程中采用徑—軸向聯(lián)合軋制的方法成形。軋制過程中，驅(qū)動(dòng)輥連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，環(huán)件在芯輥的直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)作用下，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，芯輥和驅(qū)動(dòng)輥之間為環(huán)件軋制的主變形區(qū)，環(huán)件壁厚減小、直徑增加、界面輪廓逐漸成形。在成形過程中，為了避免環(huán)件由于轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的波動(dòng)，導(dǎo)向輥按照一定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，保證環(huán)件始終保持較好的圓度，上下錐輥在繞著自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)向后移動(dòng)，限制環(huán)件在軸向方向的材料流動(dòng)，保證截面輪廓填充。

2 異形環(huán)件分類

異形環(huán)件軋制過程一般采用熱軋方式進(jìn)行。成形前后，由于截面變化較大，截面形狀較難填充，通常將環(huán)形坯料加熱到材料的可鍛溫度進(jìn)行軋制變形。零件成形工藝流程為：下料—加熱—除銹皮—鐓粗—沖孔—中間熱處理—熱軋—冷卻后熱處理—校準(zhǔn)和加工—淬火熱處理—回火。

異形環(huán)件根據(jù)環(huán)件截面形狀不同可以分為徑向異形環(huán)件、薄壁異形環(huán)件、厚壁異形環(huán)件和復(fù)雜異形環(huán)件等，如圖1所示。

圖1 異形環(huán)件的分類

3 異形環(huán)件軋制的主要難點(diǎn)

3.1 毛坯優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

異形環(huán)件軋制過程中，合理的毛坯形狀是決定軋制是否能夠進(jìn)行的關(guān)鍵因素之一。軋制過程中，環(huán)件受到驅(qū)動(dòng)輥和芯輥的軸向軋制力而發(fā)生塑性變形，在沿著環(huán)件徑向方向，環(huán)件受到的力較小，變形較為困難，在軋制過程中，經(jīng)常發(fā)生由于毛坯設(shè)計(jì)不合理而產(chǎn)生的截面填充不完整或者截面填充完整而環(huán)件直徑未達(dá)到要求的現(xiàn)象。

圖2 毛坯設(shè)計(jì)示意圖

龔小濤等[1]根據(jù)異形環(huán)件軋制過程中材料流動(dòng)規(guī)律，以臺(tái)階錐形環(huán)件為例，提出了毛坯設(shè)計(jì)的定性原則，即：體積不變、截面相等、形狀相似三項(xiàng)原則，如圖2所示。體積不變?cè)瓌t是指，按照異形環(huán)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將其劃分為形狀較為規(guī)格的幾部分，在毛坯形狀的設(shè)計(jì)過程中，保證軋制前后毛坯體積不變，同時(shí)被劃分的單元體積不變；截面相等原則是指環(huán)件軋制前后，毛坯同一高度位置軋制前后徑向橫截面積保持不變；形狀相似原則是指為了減小軋制前后材料變形量，便于成形截面填充，軋制前后環(huán)件毛坯軸向形狀設(shè)計(jì)盡可能相似。

對(duì)于異形環(huán)件軋制所需要的坯料，由于形狀為非矩形，靠簡(jiǎn)單的擴(kuò)孔無法實(shí)現(xiàn)，通過模鍛等方法完成坯料的設(shè)計(jì)和制造。Harboard和Hall[2]通過鑄造的方式來完成環(huán)形坯料的制作。Kang和Kobyashi[3]建立剛粘性模型，通過回溯方法建立獨(dú)立計(jì)算和存儲(chǔ)單元網(wǎng)格對(duì)C形和T形環(huán)件進(jìn)行軋制分析，設(shè)計(jì)出異形環(huán)件毛坯形狀和尺寸。Kopp[4]等設(shè)計(jì)了一套CAD程序?qū)Ξ愋苇h(huán)件毛坯進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。YanXiang[5]等介紹了一種生產(chǎn)軸承套的毛坯預(yù)成形方法，可以有效提高材料利用率，毛坯成形工藝過程采用鐓粗—沖孔—擴(kuò)孔—模鍛的生產(chǎn)工藝來完成，如圖3所示。

3.2 軋輥運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)

復(fù)雜異形環(huán)件軋制過程中，芯輥、導(dǎo)向輥、驅(qū)動(dòng)輥、上下錐輥的運(yùn)動(dòng)及協(xié)調(diào)控制是影響成形過程及精度的關(guān)鍵。在軋制起始階段，通過控制初始咬入量可以有效避免過多的咬入，避免環(huán)件和軋輥之間的滑動(dòng)。在軋制開始階段，需要對(duì)軋制力和軋制力矩進(jìn)行合理的預(yù)測(cè)以達(dá)到對(duì)軋制反饋信號(hào)的開環(huán)優(yōu)化控制。軋制成形過程，導(dǎo)向輥以及上下錐輥的運(yùn)動(dòng)控制非常重要，導(dǎo)向輥的運(yùn)動(dòng)軌跡必須和環(huán)件的外徑增長(zhǎng)相適應(yīng)，導(dǎo)向輥運(yùn)動(dòng)過快，起不到導(dǎo)向的作用，環(huán)件轉(zhuǎn)動(dòng)過程出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象，影響環(huán)件軋制精度甚至導(dǎo)致軋制無法進(jìn)行；導(dǎo)向輥運(yùn)動(dòng)過慢，使環(huán)件收到徑向力的壓迫，環(huán)件圓度無法保證；上下錐輥在繞著自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)背離環(huán)件中心位置進(jìn)行移動(dòng)，錐輥轉(zhuǎn)動(dòng)速度和環(huán)件的轉(zhuǎn)動(dòng)速度須適應(yīng)，錐輥轉(zhuǎn)動(dòng)過快或過慢，都將在接觸點(diǎn)給環(huán)件切向力，影響環(huán)件運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性；錐輥背離環(huán)件的平移須和環(huán)件直徑的增長(zhǎng)速度相適應(yīng)，過快或過慢的運(yùn)動(dòng)都將使環(huán)件收到徑向的壓力，影響環(huán)件的圓度，降低精度。

圖3 制坯工藝流程

3.3 軋制成形缺陷的控制

為了衡量環(huán)件成形困難程度，Gellhaus[6]提出了利用特征硬度來衡量異形環(huán)件成形的難易，對(duì)于異形環(huán)件，其特征硬度P為：

式中：s——環(huán)件的厚度，mm；

h——環(huán)件的高度，mm；

D——環(huán)件的外徑，mm；

kw——材料的等效流動(dòng)應(yīng)力，MPa。

根據(jù)Gellhaus介紹，當(dāng)P>150kN時(shí)，成形較為容易，環(huán)件截面較為容易填充；P<25kN時(shí)，環(huán)件成形較為困難。

異形環(huán)件軋制過程中材料流動(dòng)較為復(fù)雜，芯輥和驅(qū)動(dòng)輥之間的區(qū)域?yàn)橹髯冃螀^(qū)，上下錐輥之間區(qū)域?yàn)榇巫冃螀^(qū)。由于環(huán)件和軋輥之間的作用界面較為復(fù)雜，軋制過程經(jīng)常出現(xiàn)以下缺陷[7]：截面輪廓填充不滿、橢圓度、魚尾、端面裂紋、蝶形、錐形、孔緣毛刺和折疊等。在成形過程中所出現(xiàn)的缺陷，可以通過工藝優(yōu)化和參數(shù)優(yōu)化的方法來減小成形缺陷，提高環(huán)件精度。

4 有限元分析

對(duì)于異形環(huán)件軋制過程的控制，國內(nèi)外學(xué)者通過利用各種仿真軟件，如 Ansys、Abaqus、Simufact、Deform等對(duì)環(huán)件軋制過程進(jìn)行了有限元分析，重點(diǎn)分析了成形過程中軋輥的運(yùn)動(dòng)、毛坯的設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)的優(yōu)化等。

4.1 毛坯設(shè)計(jì)

美國俄亥俄大學(xué)Warren K.Wray，Dean教授等利用上線法對(duì)異形環(huán)件的毛坯進(jìn)行了分析，自行設(shè)計(jì)出了一套CAD軟件，對(duì)于異形環(huán)件，可以根據(jù)環(huán)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和軋制參數(shù)，設(shè)計(jì)出環(huán)件毛坯的形狀和尺寸。

華林等對(duì)L形環(huán)件的軋制規(guī)律進(jìn)行了研究，根據(jù)軋制前后體積不變和環(huán)件軸向尺寸相似的特點(diǎn)，結(jié)合軋制過程中材料的流動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)出了L形環(huán)件的環(huán)件毛坯。

4.2 軋輥控制

異形環(huán)件軋制過程中，錐輥的運(yùn)動(dòng)主要有芯輥的直線運(yùn)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)輥的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、導(dǎo)向輥的運(yùn)動(dòng)和上下錐輥的運(yùn)動(dòng)。其中驅(qū)動(dòng)輥的運(yùn)動(dòng)通常為恒定的轉(zhuǎn)動(dòng)。芯輥的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為每轉(zhuǎn)進(jìn)給量或環(huán)件外半徑增張速度為常數(shù)的恒值進(jìn)給，或?qū)⑿据伔殖啥鄠€(gè)恒值進(jìn)給階段。異形環(huán)件軋制過程中，導(dǎo)向輥的運(yùn)動(dòng)對(duì)環(huán)件的圓度和軋制過程的順利進(jìn)行有著重要的影響，其運(yùn)動(dòng)設(shè)置也是模擬的難點(diǎn)和關(guān)鍵，楊合[8]等利用Abaqus軟件，利用液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)軋制過程中導(dǎo)向輥的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了模擬，在保證環(huán)件剛度和圓度的同時(shí)使軋制過程順利進(jìn)行，如圖4所示。龔小濤[9]等以臺(tái)階錐形環(huán)件軋制為例，對(duì)有限元分析軟件Abaqus中VAMP子程序進(jìn)行二次開發(fā)，對(duì)環(huán)件軋制過程中瞬時(shí)的環(huán)件外徑信息進(jìn)行反饋計(jì)算，得出適應(yīng)環(huán)件外徑增長(zhǎng)規(guī)律的導(dǎo)向輥運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)對(duì)異形環(huán)件軋制過程的控制，如圖5所示。

圖4 液壓控制系統(tǒng)示意圖

圖5 臺(tái)階錐形環(huán)件軋制裝配圖

4.3 微觀組織演變仿真

航天航空結(jié)構(gòu)異形環(huán)件，由于特殊需要，要求環(huán)件具有較高的力學(xué)性能和綜合性能，在環(huán)件成形過程中，除了對(duì)環(huán)件形狀和尺寸精度要求外，還對(duì)環(huán)件的微觀組織有著嚴(yán)格的要求。在環(huán)件軋制過程中，微觀組織與材料的熱力學(xué)行為發(fā)生交互作用的同時(shí)，經(jīng)歷著復(fù)雜的演變，這種演變?cè)诤艽蟪潭壬蠜Q定產(chǎn)品的綜合力學(xué)性能。在借助于有限元分析研究圍觀組織演變過程中，在常用的分析軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，可以有效、全面地預(yù)測(cè)成形過程中的組織演變。歐新哲[10]利用Deform－3D內(nèi)置的微觀組織模塊預(yù)測(cè)了40Cr鋼環(huán)在熱輾擴(kuò)過程中的再結(jié)晶晶粒尺寸和體積分?jǐn)?shù)分布等，然而，該微觀組織模塊是以“后處理”程序的形式運(yùn)行，難以實(shí)現(xiàn)微觀組織演變和宏觀熱力行為的耦合模擬。

王敏[11]等在Abaqus/Explicit軟件平臺(tái)基礎(chǔ)上將鈦合金的微觀組織演變模型引入到子程序VUMAT中，研究了鈦合金Ti－6Al－4V的演變機(jī)理和特征，研究發(fā)現(xiàn)，沿著成形環(huán)件的徑向，中間層相對(duì)表層具有較小的β晶粒尺寸和β體積分?jǐn)?shù)。

5 結(jié)束語

異形環(huán)件軋制由于具有材料利用率高、環(huán)件綜合力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在航天航空及機(jī)械、電子等領(lǐng)域。但由于成形過程材料流動(dòng)較為復(fù)雜，毛坯設(shè)計(jì)、軋輥運(yùn)動(dòng)控制等相關(guān)參數(shù)匹配較為復(fù)雜，且影響因素多，導(dǎo)致環(huán)件成形及零件精度不高，隨著異形環(huán)件，特別是復(fù)雜異形環(huán)件、薄壁異形環(huán)件的廣泛應(yīng)用，該領(lǐng)域的研究越來越受到重視。

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