文/徐光順，劉巧紅·張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司

通過(guò)仿真模擬技術(shù)研發(fā)大型環(huán)鍛件

文/徐光順，劉巧紅·張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司

高校研究人員利用計(jì)算機(jī)，通過(guò)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示的方法模擬鍛件的軋制過(guò)程，可以直觀動(dòng)態(tài)地觀察整個(gè)虛擬軋制的過(guò)程；企業(yè)工作人員利用高校的模擬結(jié)果，縮短軋制環(huán)件的研發(fā)周期、降低能源和材料消耗、提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

大型環(huán)件廣泛應(yīng)用于大型風(fēng)電機(jī)組軸承、核電機(jī)組容器、運(yùn)載火箭艙體等，是能源、機(jī)械、武器裝備的核心零件。近些年來(lái)隨著工業(yè)的發(fā)展，各行業(yè)對(duì)大型環(huán)件的需求量越來(lái)越大、性能要求也越來(lái)越高，這對(duì)大型環(huán)件的制造工藝提出了更高的要求。另一方面，對(duì)比于矩形環(huán)件而言，異形環(huán)件的成形過(guò)程更為復(fù)雜，應(yīng)用也更加廣泛。目前，工業(yè)上應(yīng)用較多的典型異形截面環(huán)件有溝槽截面環(huán)件（內(nèi)溝槽、外溝槽、雙溝槽截面環(huán)件等）和臺(tái)階截面環(huán)件（外臺(tái)階、內(nèi)臺(tái)階、外凸臺(tái)、內(nèi)凸臺(tái)截面環(huán)件等），這些產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)械、航空航天、能源等眾多工業(yè)領(lǐng)域。

我國(guó)環(huán)鍛件的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，我國(guó)制造環(huán)件的方法主要還是鑄造和焊接，但二者均存在不同程度的缺陷。例如，鑄造成形的環(huán)件晶粒粗大，組織分布不均勻，而且還存在疏松、氣孔等空隙缺陷，產(chǎn)品機(jī)械性能差；焊接成形的環(huán)件，焊縫區(qū)的材料組織為鑄態(tài)，產(chǎn)品性能和使用壽命明顯比鍛造的低。

德國(guó)、美國(guó)、日本等工業(yè)先進(jìn)國(guó)家，早在20世紀(jì)80年代就開(kāi)始致力于大型環(huán)件徑軸向軋制技術(shù)和裝備的研發(fā)。世界上最大的環(huán)件徑軸向軋制設(shè)備制造商德國(guó)蒂森機(jī)器瓦格納公司開(kāi)發(fā)了φ1～8m的數(shù)控徑軸向軋環(huán)機(jī)，以及與之匹配的工藝設(shè)計(jì)和控制技術(shù)，基本上實(shí)現(xiàn)了環(huán)件產(chǎn)品的軋制工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)、過(guò)程參數(shù)存儲(chǔ)匹配、軋制過(guò)程在線測(cè)量與反饋控制等功能，其軋制環(huán)件的直徑誤差控制在±1‰以內(nèi)，基本滿足了近凈成形的要求，代表了當(dāng)今環(huán)件徑軸向軋制技術(shù)的最高水平。

我國(guó)環(huán)件的軋制通過(guò)引進(jìn)國(guó)外的工藝和設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，并且在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了簡(jiǎn)單的技術(shù)開(kāi)發(fā)和設(shè)備仿制工作。20世紀(jì)90年代初武漢理工大學(xué)的華林教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了環(huán)件軋制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并在D52-160A立式環(huán)軋?jiān)O(shè)備上進(jìn)行了軋制實(shí)驗(yàn)，建立了環(huán)件軋制靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、咬入條件、剛度穩(wěn)定條件以及動(dòng)力學(xué)、幾何學(xué)等模型，從本質(zhì)上揭示了環(huán)件軋制的成形原理。1994年，學(xué)者管海燕等人結(jié)合從德國(guó)瓦格納公司引進(jìn)的徑軸向軋制設(shè)備，制定了大型環(huán)鍛件徑軸向軋制工藝的基礎(chǔ)條件、工藝原理和路線以及毛坯的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

校企合作開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品

我公司設(shè)有研究生工作站，通過(guò)與江蘇大學(xué)、武漢理工大學(xué)和上海交通大學(xué)的合作，利用高校的科研和理論優(yōu)勢(shì)，結(jié)合我公司的設(shè)備優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)出了多種新型環(huán)鍛件產(chǎn)品，包括多種用途的工程機(jī)械用鍛件，其中φ9m大型環(huán)鍛件的軋制技術(shù)獲得了國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

30t大型筒形環(huán)鍛件軋制技術(shù)與裝備

此鍛件重達(dá)30t，直徑為4.5m，高厚比為1.73，屬于大直徑超重薄壁筒形環(huán)鍛件，在軋制工藝設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮設(shè)備的性能，還要考慮鍛件的成形質(zhì)量、成形技術(shù)難度等方面。我公司和武漢理工大學(xué)的相關(guān)人員進(jìn)行了軋制理論分析，然后結(jié)合有限元軟件進(jìn)行模擬分析確定工藝參數(shù)，最后進(jìn)行了實(shí)際軋制生產(chǎn)，獲得了性能良好的大型環(huán)鍛件。圖1為軋制原理圖。

圖1 軋制原理圖

環(huán)件徑軸向軋制過(guò)程中，環(huán)件運(yùn)動(dòng)與軋輥旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)三者之間相互影響，成形過(guò)程具有以下特點(diǎn)：

⑴鍛件的徑向變形與軸向變形同時(shí)存在，且相互影響。

⑵驅(qū)動(dòng)輥與芯輥直徑相差較大，驅(qū)動(dòng)輥?zhàn)鲋鲃?dòng)旋轉(zhuǎn)軋制運(yùn)動(dòng)，芯輥?zhàn)鰪膭?dòng)旋轉(zhuǎn)軋制運(yùn)動(dòng)，且轉(zhuǎn)速不同。

⑶旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)相互影響。

⑷環(huán)件變形區(qū)幾何邊界復(fù)雜且不穩(wěn)定，熱變形、力變形條件處于動(dòng)態(tài)過(guò)程中。

為了保證環(huán)件正常軋制成形，結(jié)合幾何學(xué)、靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和塑性力學(xué)理論分析，建立大型環(huán)件徑軸向軋制穩(wěn)定條件和力能參數(shù)設(shè)計(jì)方法，為軋制工藝合理設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。根據(jù)環(huán)件徑軸向軋制成形原理，以ABAQUS有限元分析為平臺(tái)，建立了真實(shí)反映環(huán)件徑軸向軋制變形特點(diǎn)的精確、高效熱力耦合三維有限元仿真模型，如圖2所示。

圖2 軋制三維有限元模型

基于以上精確有效的有限元模型，通過(guò)仿真模擬環(huán)鍛件徑軸向軋制過(guò)程中應(yīng)變、溫度、力學(xué)參數(shù)以及軋制成形環(huán)件外形分析，驗(yàn)證了鍛件軋制的可行性，根據(jù)以上各種參數(shù)的模擬結(jié)果，制定了合理的軋制工藝和注意事項(xiàng)，最終軋制出符合要求的鍛件產(chǎn)品。

28t大型滾圈環(huán)件軋制技術(shù)

大型滾圈是一類廣泛應(yīng)用于冶金、風(fēng)電、核電、飛機(jī)、火箭等行業(yè)的大型回轉(zhuǎn)部件。在回轉(zhuǎn)機(jī)械中，滾圈起到傳遞載荷的作用，并在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中受到較大的彎曲應(yīng)力和扭矩。工業(yè)上對(duì)于滾圈的力學(xué)性能要求特別高，不僅要具備較高的剛度和抗疲勞強(qiáng)度，還應(yīng)具備較長(zhǎng)的使用壽命。否則，一旦滾圈發(fā)生損壞，將對(duì)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益造成巨大的損失。因此，有必要對(duì)這類大型環(huán)件的成形進(jìn)行研究，以期獲得良好的使用性能。

經(jīng)過(guò)我公司和武漢理工大學(xué)研發(fā)人員的共同合作，以ABAQUS有限元模擬軟件為平臺(tái)，根據(jù)鍛件的徑軸向軋制成形原理，建立了三維模擬仿真模型，經(jīng)過(guò)計(jì)算建立了實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的比較曲線（圖3）。從圖3中可以看出，模擬的結(jié)果和實(shí)測(cè)的結(jié)果比較吻合，不僅證實(shí)了軋制的可行性，而且還從側(cè)面驗(yàn)證了ABAQUS分析結(jié)果的可靠性。根據(jù)大型環(huán)件徑軸向軋制生產(chǎn)工藝流程，制定了28t環(huán)鍛件生產(chǎn)流程為：原材料→檢驗(yàn)→下料→稱重→加熱→制坯→軋制→熱處理→校正→檢驗(yàn)→發(fā)貨。最終軋制出了符合要求的鍛件（圖4）。

圖3 尺寸和溫度的比較曲線

圖4 軋制成形鍛件

φ5m內(nèi)臺(tái)階環(huán)件軋制

該鍛件重達(dá)12t，且屬于大型異形環(huán)鍛件，成形時(shí)臺(tái)階處的形狀難以成形，軋制過(guò)程中鍛件容易爬輥。我公司技術(shù)人員通過(guò)模擬分析對(duì)環(huán)件進(jìn)行了一定的約束設(shè)置，在實(shí)際軋制過(guò)程中通過(guò)預(yù)制盲孔和兩火軋制等措施，最終軋制出了充形完好，成形合格的鍛件。圖5是利用ABAQUS模擬的軋制過(guò)程。

圖5 模擬的內(nèi)臺(tái)階鍛件軋制過(guò)程

此外，我公司通過(guò)和武漢理工大學(xué)、江蘇大學(xué)等大學(xué)合作，還開(kāi)發(fā)了φ8.3m的大型環(huán)鍛件、φ6m大型側(cè)法蘭環(huán)鍛件、φ1.2m外臺(tái)階環(huán)鍛件，以及各種工程機(jī)械使用的大型、小型具有異形結(jié)構(gòu)的環(huán)鍛件產(chǎn)品。2013年成功開(kāi)發(fā)了廣泛應(yīng)用于石油、天然氣管道的24英寸球閥閥芯異形鍛件。

結(jié)束語(yǔ)

大學(xué)是培養(yǎng)人才的搖籃，更是國(guó)家新技術(shù)、新發(fā)明、新創(chuàng)造的發(fā)源地。大學(xué)里聚集著大量高層次人才，隨著我國(guó)對(duì)于技術(shù)成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際生產(chǎn)力的重視程度越來(lái)越大，這將開(kāi)啟校企合作的新篇章。我公司與國(guó)內(nèi)鍛造專業(yè)較強(qiáng)的知名高校廣泛開(kāi)展合作，不僅發(fā)揮了大學(xué)的理論優(yōu)勢(shì)，還大大挖掘了企業(yè)的技術(shù)潛力，在創(chuàng)造了巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也為國(guó)家的技術(shù)進(jìn)步做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。