張楠 李煜彤 王昱 李曉帥

摘 要：利用有限元法模擬了軋輥在寬平砧高溫強壓法（WHF）在粗鍛過程中送進量的改變對軋輥殘余應力應變的影響。首先利用專業(yè)的鍛造模擬軟件DEFORM建立了軋輥粗鍛過程的有限元模型，并基于WHF鍛造法的送進量進行了軋輥粗鍛過程中的殘余應力應變分析，得出了在鍛造工藝范圍內送進量對軋輥殘余應力應變的影響。結果表明：送進量越小，釋放砧鐵后坯料承受的殘余應力就越小，于后繼加工有利；而與殘余應力不同的是，隨送進量越大，坯料受壓端的中部和邊緣產生的殘余應變就越大，有利于坯料中的空洞和孔隙鍛合。

關鍵詞：軋輥 鍛造 殘余應力 殘余應變

中圖分類號：TG31 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）08（a）-0070-03

軋輥制備過程中產生的殘余應力會導致軋輥表面斷裂和內部開裂的現(xiàn)象，影響其使用壽命，同時軋輥失效會嚴重影響軋制的效率和質量[1]。所以軋輥殘余應力和殘余應變的研究是成為軋輥研究的重點和熱點。H.Cho等通過比較主軸變形量和最大成型載荷的模擬值和實驗值，評測了3D有限元分析的正確性[3]。S.K.Choi等計算出鍛造過程中的最佳進給速度和旋轉角，提出了自由鍛鍛造環(huán)狀鍛件時使尺寸精度達到最優(yōu)的生產工藝條件[4]。Kiefer 和Shah研究了用平砧對鋼錠塊進行自由鍛時，砧寬比對下壓量的影響[5]。S.K. Choi等人深入研究了八棱柱滾圓過程中下壓量、進給速率和旋轉角度對滾圓結果的影響[6]。Evans等人為了進一步了解熱加工過程中微觀結構的變化情況，對鍛造過程中的金屬流動情況和微觀結構做出了分析[7]。廖培根等人針對大型鍛件生產中使用中心壓實法會產生中心缺陷的問題，建立了有限元模型，分析了溫度對鍛件內部應力場和應變場的影響[8]。但是因為軋輥的制造成本較高尤其是當軋輥的型號較大時，一般都會根據(jù)客戶需要定制，采用實驗方法對軋輥的殘余應力和應變研究需要花費大量的人力和物力、具有周期長、成本高的缺點；而理論解則因為鍛造過程中的多變量和非線性的存在亦難以得到，所以數(shù)值模擬技術成為軋輥鍛造研究的主要和必然手段。

該文利用專業(yè)的鍛造模擬軟件DEFORM建立了軋輥粗鍛過程，即圓柱坯料和砧鐵的有限元模型，研究了同一坯料模型分別取不同送進量時，鍛造過程中應力應變隨時間的變化情況以及卸載后殘余應力應變場與送進量大小的關系，為實際軋輥的粗鍛過程的工藝設計提供理論依據(jù)。

1 軋輥鍛造的基本理論

WHF鍛造法是自由鍛中應用最廣泛的方式之一，此方法在高溫條件下利用寬平砧使坯料產生大變形，從而有效鍛合鋼錠中的缺陷。WHF鍛造法的最佳工藝參數(shù)：砧寬比為0.6～0.8，壓下率為20%～25%。研究采用的坯料始鍛造時H=1 500 mm，所以合適的模型首次送進量為900～1 200 mm，下壓量為300～375 mm。

軋輥在粗鍛過程中會產生較大的塑性變形，所以軋輥粗鍛的數(shù)值模擬應同時考慮金屬材料的彈性形變與塑性形變，既可分析塑性成形的加載過程，又可以分析卸載過程以及鍛件內部的殘余應力、應變、工件的回彈以及鍛件與砧鐵的相互作用。

當坯料上某點的等效應力達到屈服極限時，該點進入塑性狀態(tài)，此時的變形包括彈性變形和塑性變形兩部分，如式（1.1）所示。

（1.1）

式中，下標e表示彈性，p表示塑性。

在彈性階段，應力與應變呈線性關系，符合胡克定律，即最終的應變僅取決于最后的應力狀態(tài)，與變形過程無關。到了彈塑性階段，當?shù)刃_到屈服極限時，應力與應變之間的關系開始與變形過程有關。

2 坯料鍛造的有限元分析模型

根據(jù)對稱性原理，建立了軋輥坯料粗鍛的四分之一建立有限元模型，如圖1所示，其中砧鐵尺寸為1 200 mm×1 000 mm×100mm，坯料尺寸為φ1 500 mm×2 000 mm。軋輥坯料的各項力學性能如表1所示：

經過不同大小單元邊長的驗算，最終選定邊長為16 mm的四面體單元。建立四分之一坯料和砧鐵的有限元模型如圖2所示。

3 不同送進量對殘余應力值影響的研究

在軋輥坯料受砧鐵擠壓變形的過程中，其各個部位產生的應力和應變都不相同。為了更好的展示在不同送進量下，坯料的橫截面上不同位置的應力應變變化情況，在橫截面上選取P1、P2、P3三點如圖2所示。P1點直接接觸砧鐵，受到的應力和應變均最大；P2點為坯料的受壓端中心，它受到的殘余應力應變決定了坯料中缺陷能不能被有效鍛合；P3點是坯料受壓端的外邊緣，最容易在自由鍛中產生拉應力。

在DEFORM軟件中，將下壓量定為300 mm，設置每步的下壓量為10mm，所以需要設置每次下壓30步，30步之后釋放砧鐵?？紤]在其他條件相同的情況下，不同送進量對鍛造過程中軋輥內部殘余應力場的影響。選取送進量分別為700 mm、800 mm和900 mm三種情況用有限元軟件DEFORM分析所得的P1、P2、P3三個點的應力隨步數(shù)的變化曲線如圖3所示。

由圖3可以看出，送進量為800 mm和900 mm的模型上P1點的應力增加幅度分別在第24步和第26步之后明顯增大，而700 mm送進量模型P1點的應力基本是均勻上升的，三者的應力都在第30步時達到最大。卸載后，900 mm送進量的模型中P1點的殘余應力值為68.39 MPa，比最大值減小了69.6%；800 mm送進量的模型中P1點的殘余應力值為64.43 MPa，比最大值減小了46.7%；700 mm送進量的模型中P1點的殘余應力值為39.2 MPa，比最大值減小了72.3%。對比模型上應力最大值的減小百分比可以發(fā)現(xiàn)，釋放砧鐵后700 mm送進量的模型中P1點應力值的減小趨勢更大。

三種送進量模型在鍛壓時受壓端中心點P2的應力值大小和變化趨勢幾乎相同，最大應力都是59.2 MPa。從曲線斜率可以看出，釋放砧鐵之后，900 mm送進量模型P2點的應力值降低速度最快，700 mm送進量模型P2點應力值的降低速度最慢，三者的應力值都在第34步時達到最小值，之后三種模型P2點應力值的上升速度相同。40步時，900 mm送進量模型P2點的殘余應力值為33.01MPa，比第30步釋放砧鐵時降低了44.3%；800 mm送進量模型P2點的殘余應力值為35.42 MPa，比第30步時降低了40.2%；700 mm送進量模型P2點的殘余應力值為47.78 MPa，比第30步時降低了19.3%。

三種模型中P3點的應力值在鍛壓時均持續(xù)增加，釋放砧鐵后都出現(xiàn)小幅下降，然后因為彈性形變的作用繼續(xù)增加，且各階段的應力值大小相差不大，說明送進量對P3點應力值的影響較小。

可以看出，就整體而言，送進量越小，釋放砧鐵后坯料產生的殘余應力就越小。

4 不同送進量對殘余應變值影響的研究

分析不同送進量對殘余應變的影響，取相同位置的三個追蹤點P1、P2、P3進行模擬計算分析，得到這三個點的應變值隨步數(shù)的變化曲線如圖4所示。

由圖4可以看出，三種送進量情形下模型受壓端邊緣P1點的應變值均逐漸上升，卸載之后，最終的殘余應變值大小趨于相同?？梢娝瓦M量的大小對P1點的殘余應變值影響很小。

900 mm送進量模型受壓端中心P2點的殘余應變值最大，為0.301 m，700 mm送進量模型P2點的殘余應變值最小，為0.273 m。可以看出，殘余應變值大小與送進量大小的關系約成正比。

900 mm送進量模型受壓端外邊緣P3點的殘余應變值最大，為0.0134 m，700 mm送進量模型P3點的殘余應變值最小，為0.0112 m，殘余應變值大小與送進量大小的關系同樣約成正比。

有限元軟件DEFORM中的應變值采用的是真實應變值，反映了模型中真實的形變情況，所以由以上三個追蹤點的應變變化曲線可以看出，模型上P1點的殘余應變值與送進量大小關系不大，而P2和P3兩點的殘余應變與送進量的大小成正比，送進量越大，殘余應變也越大。所以想要得到更大的內部變形量來鍛合坯料中的空洞和孔隙，就需要選擇較大的送進量。

5 結論

該文利用有限元軟件DEFORM模擬了采用WHF鍛造法粗鍛軋輥的過程，得到了在其它參數(shù)取最佳工藝值的范圍內時送進量的變化對殘余應力和殘余應變的影響，結果表明：送進量越小，釋放砧鐵后坯料承受的殘余應力就越小，于后繼加工有利；送進量越大，坯料受壓端的中部和邊緣受到的殘余應變就越大，有利于鍛合坯料中的空洞和孔隙。所以，在滿足對送進量最基本要求的同時，需要選擇合適的送進量來保證鍛件在殘余應力較小的同時獲得鍛件內部更好的變形量。

參考文獻

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