鄧潮鴻，杜詩文，巨 麗，李永堂，董棚帥

（1.太原科技大學 材料科學與工程學院，山西 太原030024；2.太原科技大學 金屬材料成形理論與技術(shù)山西省重點實驗室，山西 太原030024）

0 引言

基于環(huán)形鑄坯的徑軸向輾擴成形工藝是一項全新的輾擴成形工藝（圖1），與目前常用的環(huán)類零件生產(chǎn)工藝（鋼錠開坯-鍛造-沖孔-輾擴成形）相比，具有流程短、節(jié)能、節(jié)材、高效、低成本、環(huán)保等優(yōu)勢。徑軸向輾擴速度是輾擴成形中重要的工藝參數(shù)，作為環(huán)件輾擴的核心控制技術(shù)，直接影響到環(huán)件的宏觀成形質(zhì)量和微觀組織變化。因此，研究徑軸向輾擴速度的控制方法對保證環(huán)件的成形質(zhì)量并滿足環(huán)件的工業(yè)使用要求具有十分重要的意義。

圖1 基于鑄環(huán)坯的鑄輾復合成形工藝流程圖

目前，國內(nèi)外學者利用先進的方法對環(huán)件輾擴成形工藝參數(shù)和微觀組織演變進行了研究。ZHANG[1-2]等人基于DEFORM-3D 軟件平臺，針對42CrMo 鋼環(huán)形鑄坯徑向輾擴過程，模擬分析了芯輥進給速度變化對動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸與體積分數(shù)分布的影響規(guī)律。歐新哲[3]等人分析了熱輾擴成形主要工藝參數(shù)（輾擴初始溫度、驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速、芯輥速度）對40Cr 鋼組織動態(tài)再結(jié)晶的影響，獲得了工藝參數(shù)對動態(tài)再結(jié)晶比例及其晶粒尺寸的影響規(guī)律。華林[4-5]等人研究了大型環(huán)件的徑軸向軋制工藝，利用有限元模擬實驗對具體的大型環(huán)件產(chǎn)品進行模擬軋制，找出了工藝參數(shù)選取與控制的基本方法和規(guī)律。鑄環(huán)坯的初始晶粒尺寸粗大，不同的輾擴工藝(這里主要指輾擴速度控制)在輾擴過程中能夠使鑄環(huán)件的性能即微觀組織具有很大的差別。但對于鑄環(huán)件徑軸向輾擴的不同速度控制方案對微觀組織影響的對比研究卻未有報道。本文基于Simufact.forming 軟件平臺，建立了25Mn鋼鑄坯環(huán)件徑軸向熱輾擴過程的宏微觀耦合有限元模型，針對相同尺寸環(huán)件的軋制過程，在相同軋制時間和效率情況下，通過設(shè)計不同的速度控制方案，模擬揭示了不同速度控制方案對25Mn 鑄坯環(huán)件的輾擴成形微觀組織的晶粒尺寸大小的影響規(guī)律，為基于鑄環(huán)坯的輾擴成形進給速度工藝參數(shù)的選擇提供一定的理論指導。

1 模擬仿真

1.1 宏微觀耦合有限元模型

大型數(shù)值模擬分析軟件Simufact.forming 是基于原Superform 和Superforge 開發(fā)出來的先進的材料加工及熱處理工藝仿真優(yōu)化平臺，可以快速模擬各種冷熱成形、擠壓、軋制等塑性成形過程的工藝成形專用軟件，可實現(xiàn)對具有高度組合的非線性體成形過程的全自動數(shù)值模擬。

本文運用Simufact.forming 中Bulk Forming 下的Ring Rolling 模塊和UG 三維制圖軟件可方便快速建立25Mn 鑄坯環(huán)件徑軸向軋制過程的三維宏觀耦合有限元模型（如圖2），表1 給出了設(shè)備參數(shù)、工藝參數(shù)、熱力參數(shù)以及環(huán)坯尺寸。

圖2 環(huán)件徑軸向熱輾擴有限元模型

表1 軋輥尺寸及關(guān)鍵工藝參數(shù)

1.2 模擬速度控制方法

兩種不同的速度控制方案如下：

（1）通過調(diào)整進給速度來控制整個軋制過程：軋制階段徑向以恒定值進給，同時軸向以另一恒定值進給，當環(huán)件接近成品尺寸時，徑軸向同時以較小的進給量整圓。速度控制方案如圖3a 所示。

（2）通過調(diào)整環(huán)件直徑增長速度來控制進給量：初軋階段環(huán)件直徑增長速度不斷變大，穩(wěn)定階段環(huán)件直徑以恒定的速度增長，整圓階段環(huán)件直徑以較小的速度增長。速度控制如圖3b 所示。

圖3 環(huán)件徑軸向輾擴速度控制方法

不同方案環(huán)件的直徑大小和時間的關(guān)系圖由圖4 所示。

圖4 環(huán)件外徑大小時間圖

2 模擬結(jié)果與討論

圖5 為通過調(diào)整進給速度來控制整個軋制過程的晶粒尺寸分布云圖。從圖中可以看出，在輾擴進行到10%（圖5a）時，環(huán)件外層晶粒尺寸細化明顯，內(nèi)層晶粒尺寸次之，環(huán)件上層、下層及芯部大部分區(qū)域晶粒未得到細化，同時環(huán)件芯部少數(shù)區(qū)域晶粒尺寸略微增大。輾擴進行到40%（圖5b）時，環(huán)件外層、內(nèi)層晶粒進一步細化，上層、下層次之，芯部區(qū)域晶粒尺寸細化最弱，同時芯部少部分區(qū)域晶粒尺寸仍存在長大現(xiàn)象。輾擴進行到70%（圖5c）時，環(huán)件所有區(qū)域都得到了細化，不存在晶粒長大現(xiàn)象，其中，內(nèi)外層細化最明顯，上下層次之，芯部細化最弱。輾擴進行到100%（圖5d）時，環(huán)件所有區(qū)域得到進一步的細化，環(huán)件最大晶粒尺寸為167μm，最小晶粒尺寸為21μm。

圖5 芯輥上錐輥勻速進給環(huán)件晶粒大小圖

圖6 環(huán)件勻速長大晶粒大小分布圖

圖6 為通過調(diào)整環(huán)件直徑增長速度來控制進給量的輾擴的晶粒尺寸分布云圖，從圖中可以看出，在輾擴進行到10%（圖6a）時，環(huán)件所有區(qū)域晶粒都得到細化。其中，環(huán)件外層晶粒尺寸細化明顯，內(nèi)層晶粒尺寸次之，環(huán)件上層、下層及芯部區(qū)域都得到了較小的細化；輾擴進行到40%（圖6b）時，環(huán)件外層、內(nèi)層晶粒細化最強，上層、下層次之，芯部區(qū)域晶粒尺寸細化較明顯；輾擴進行到70%（圖6c）時，環(huán)件所有區(qū)域晶粒尺寸得到了進一步的細化，其中，內(nèi)外層細化最明顯，上下層次之，芯部細化最弱；輾擴進行到100%（圖6d）時，環(huán)件所有區(qū)域得到進一步的細化，晶粒尺寸從環(huán)件表面到芯部呈遞增趨勢，環(huán)件最大晶粒尺寸為114μm，最小晶粒尺寸為24μm。

圖5 給出了芯輥勻速進給同時上錐輥勻速下壓情況下，環(huán)形鑄坯熱輾擴不同時期的晶粒尺寸大小的分布情況。圖6 給出了環(huán)件直徑勻速長大情況下，環(huán)形鑄坯熱輾擴不同時期的晶粒尺寸大小的分布情況。從兩圖中都可以看出環(huán)件的平均晶粒尺寸呈現(xiàn)環(huán)帶狀分布，外層內(nèi)層平均晶粒尺寸細化最明顯，上層與下層平均晶粒尺寸也得到了較大細化，而芯部的晶粒尺寸相對粗大，但與初始晶粒尺寸200μm 相比還是具有明顯的改善。

這是因為環(huán)件徑軸向熱輾擴成形是一個連續(xù)局部塑性擠壓成形過程，和驅(qū)動輥與芯輥接觸的環(huán)件外層和內(nèi)層變形量最大，同時和上下錐輥接觸的環(huán)件上層與下層變形量也比較大，同時位錯密度大，再結(jié)晶的驅(qū)動力大，有利于環(huán)件再結(jié)晶形核，容易發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，故晶粒細化明顯。另一方面，環(huán)件內(nèi)外層和上下層在連續(xù)反復的成形過程中，不斷有動態(tài)再結(jié)晶晶粒生成，使產(chǎn)生的晶粒來不及長大，導致晶粒尺寸細小。同時晶粒在大的變形程度情況下也很容易破碎。而在變形量比較小的芯部層，動態(tài)再結(jié)晶的臨界條件不容易達到，只能發(fā)生少量的靜態(tài)再結(jié)晶，并且晶粒在芯部高溫下容易長大，使其平均晶粒尺寸相對比較粗大。

對比圖5 和圖6 可以看出，通過直徑增長速度控制軋制過程方案得到的環(huán)件晶粒尺寸小于通過進給速度控制軋制過程方案。這是由于環(huán)形鑄坯在熱輾擴過程中發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的臨界條件不僅受到變形程度和溫度的影響，而且與應變速率也有較大的關(guān)系。在輾擴前中后期通過直徑增長控制軋制過程方案晶粒都能得到很好的細化；而通過進給速度控制軋制過程方案在碾擴的前中期變形量小，芯部晶粒先變大后變小，晶粒細化不明顯，輾擴后期具有較大的變形速率，但由于變形時間短，晶粒細化不明顯。

4 結(jié)論

（1）模擬了25Mn鋼鑄環(huán)坯的徑軸向熱輾擴過程中的微觀組織變化行為，發(fā)現(xiàn)輾擴環(huán)件晶粒尺寸細化程度具有從環(huán)件表面區(qū)域到芯部區(qū)域遞減的趨勢，平均晶粒尺寸具有從環(huán)件表面區(qū)域到芯部區(qū)域遞增的趨勢。

（2）根據(jù)環(huán)件直徑增長速度控制進給量的環(huán)件輾擴控制方法，能夠使環(huán)件輾擴平穩(wěn)且勻速長大，使晶粒尺寸在輾擴初期就得到細化，隨著輾擴的進行，晶粒尺寸進一步得到細化，環(huán)件性能得到提升，而通過徑軸向進給量來控制輾擴過程的速度控制方法，環(huán)件直徑加速變大，在輾擴初期環(huán)件晶粒大小細化不明顯，芯部晶粒尺寸反而增大，在輾擴中期晶粒尺寸得到細化，但是到了后期晶粒尺寸細化不明顯。

（3）對比兩種環(huán)件輾擴速度控制方案，根據(jù)環(huán)件直徑增長速度控制輾擴進給量的速度控制方案優(yōu)于通過徑軸向進給量來控制輾擴過程的速度控制方案。

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