袁　浩，戴恩虎，王小明，房　煒

(1.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.溧陽市宏大機械設備有限公司，江蘇 常州 213331)

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環(huán)模輾環(huán)成形工藝參數(shù)仿真分析

袁浩1，戴恩虎1，王小明2，房煒1

(1.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.溧陽市宏大機械設備有限公司，江蘇 常州 213331)

芯輥進給速度和驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速對輾環(huán)工藝有著直接影響，環(huán)模輾環(huán)成形變形行為復雜，通過傳統(tǒng)的物理實驗進行芯輥進給速度和驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速設計成本高昂、效率低下。文中討論了輾環(huán)成形的有限元建模技術，基于塑性成形軟件Simufact對環(huán)模輾環(huán)工藝進行有限元模擬，分析了芯輥進給速度和驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速對軋制力和等效塑性應變的影響。結(jié)果表明，當芯輥進給速度為2mm/s時，驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速在2.5～3.3rad/s，環(huán)模變形充分、均勻，軋制力合適，成型效果較好。仿真結(jié)果為環(huán)模輾環(huán)成形工藝參數(shù)擬定和改良提供了參考。

環(huán)模；輾環(huán)成形；數(shù)值模擬；芯輥進給速度；驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速

環(huán)模是生物質(zhì)成型機的核心部件[1-2]，形狀為中間凹的環(huán)形件，中間布滿制?？?，如圖1所示。環(huán)模傳統(tǒng)制造工藝是先鍛造獲得毛坯，再通過機械切削加工而成。該加工方法材料利用率低，原始金屬流線被破壞，嚴重影響了產(chǎn)品的機械性能。采用輾環(huán)工藝制造，僅需對軋制后的環(huán)件進行少量的切削加工，即可達到產(chǎn)品規(guī)格，提高了材料的利用率，減少了零件的加工工時，同時提高了后期?？准庸ぶ锌妆诘膹姸取?/p>

芯輥進給速度和驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速對環(huán)模成型效果有較大影響，是環(huán)模輾環(huán)過程中主要工藝參數(shù)。環(huán)模屬于外溝形截面異形環(huán)，與一般的矩形截面環(huán)件相比更難確定合適的工藝參數(shù)。在實際生產(chǎn)中，通常要經(jīng)過多次的試制，造成時間成本和資源成本的增加。而軟件仿真是一種高效的產(chǎn)品開發(fā)手段，其利用數(shù)值模擬的方法，在計算機上模擬輾環(huán)成型的過程，分析并確定工藝參數(shù)，從而節(jié)省時間成本和資源成本。

圖1　環(huán)模

對輾環(huán)工藝參數(shù)的仿真分析一直是金屬成型領域的研究熱點。文獻[3]運用Abaqus軟件仿真分析了驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速對矩形截面環(huán)件輾環(huán)工藝端面質(zhì)量的影響。文獻[4]通過有限元法分析了芯輥進給速度對高頸法蘭臺階面展寬量的影響，得到了理想進給速度。文獻[5]對階梯型軸承內(nèi)圈有限元分析，對工藝參數(shù)進行了優(yōu)化設計。然而針對外溝形截面異形環(huán)輾環(huán)工藝的仿真研究仍較少發(fā)現(xiàn)，尤其是將輾環(huán)工藝仿真分析應用在環(huán)模的制造工藝中。本文基于Simufact.forming建立了環(huán)模有限元模型，分析了芯輥進給速度和驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速對輾環(huán)過程的影響，為環(huán)模工藝參數(shù)制定和環(huán)模仿真分析的研究打下基礎。

1　環(huán)模有限元模型的建立

1.1輾環(huán)工藝中的一些關鍵設計參數(shù)

(1)毛坯及模具設計。根據(jù)環(huán)模具體的實際尺寸，設計環(huán)模鍛件，由軋制比，得到毛坯尺寸，根據(jù)特定型號環(huán)模零件留出適當?shù)募庸び嗔吭O計出鍛件圖，毛坯的設計是依據(jù)環(huán)模鍛件圖，遵守體積不變原則，計算出毛坯的重量，設定毛坯與最終鍛件的軸向長度相等，環(huán)模內(nèi)外徑的尺寸依據(jù)預定軋制比，以此確定初始毛坯。環(huán)模輾環(huán)工藝屬于異形環(huán)軋制，異形環(huán)在軋制時，易出現(xiàn)充形不滿的缺陷，研究發(fā)現(xiàn)直接將毛坯設計成異形截面能有效解決此問題[6]。驅(qū)動輥選用半閉式孔型作為其軋制孔型，同時為使毛坯易進出孔型，減少毛坯與孔型間的刮擦，取驅(qū)動輥斜槽斜度為2°。依據(jù)鍛件尺寸和可用生產(chǎn)設備規(guī)格，確定環(huán)模輾環(huán)成形方案的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1所示。

在Solidworks中建模，對輾環(huán)機進行裝配，保存成stl格式，導入到Simufact中，建立仿真模型，如圖2所示。

表1　結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2　環(huán)模輾環(huán)模型

(2)芯輥進給速度和驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速的選取。一個穩(wěn)定輾環(huán)工藝需滿足咬入條件和鍛透條件，矩形截面環(huán)件軋制芯輥進給速度和驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速的極限范圍[7-8]如下

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，β為輾環(huán)成形的摩擦角；R和r分別為環(huán)件的外半徑與內(nèi)半徑；R1和n1分別為驅(qū)動輥工作半徑與轉(zhuǎn)速；R2為芯輥半徑；n1 max和n1 min分別為驅(qū)動輥的最大轉(zhuǎn)速和最小轉(zhuǎn)速；vmax和vmin分別為最大進給速度和最小進給速度。

為保證軋制過程的穩(wěn)定進行，驅(qū)動輥線速度應當保持在0.4～1.6 mm/s[9]。因此，驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速范圍為

(5)

式中，R1為驅(qū)動輥半徑。

環(huán)模的成形過程可近似看做多個矩形截面的環(huán)件組合而成，要求每個矩形環(huán)件滿足咬入條件和鍛透條件，即芯輥進給速度和驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速要滿足式(1)～式(5)。

綜上所述可知：當驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速為2.5 rad/s時，芯輥進給速度范圍1.01～19.97 mm/s；當芯輥進給速度2 mm/s時，驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速范圍0.25～4.97 rad/s。

1.2主要建模技術和方法

(1)屬性定義。定義驅(qū)動輥、芯輥和導向輥為剛性體，認為其不發(fā)生變形，并忽略模具溫度變化，選用軟件默認材料H13模具鋼。定義毛坯為可變溫變形體，選為不銹鋼材料4Cr13，對應軟件材料庫中德國牌號X40Cr13。熱邊界條件控制中，定義環(huán)境溫度30 ℃，各模具初始溫度為25 ℃，毛坯環(huán)件的初始溫度為1 180 ℃；

(2)接觸定義。輾環(huán)過程產(chǎn)生較大的接觸應力，定義各模具和環(huán)件的摩擦類型為剪切摩擦，摩擦系數(shù)設置0.7。在工件和模具接觸工作中，存在兩者之間以及二者與外界環(huán)境之間的熱傳遞，因此定義熱傳導和熱輻射；

(3)運動設置。將驅(qū)動輥旋轉(zhuǎn)和芯輥進給定義為設備驅(qū)動并定義速度和時間點，最后設計驅(qū)動輥旋轉(zhuǎn)時間比芯輥進給時間長10 s，完成環(huán)件的整圓，使產(chǎn)品更趨于合格。參考實際輾環(huán)機尺寸設置導向輥中心和控制臂。Simufact軟件能較精確地自動控制導向輥的移動，從而省去了繁瑣的導向輥運動軌跡的計算，這是相比其他輾環(huán)仿真軟件的一大優(yōu)勢；

(4)網(wǎng)格劃分與求解。采用軟件自帶的專門針對環(huán)形件劃分方式 Ringmesh進行網(wǎng)格劃分，定義單元尺寸6 mm，細化等級設置為2，Strain change設置0.2。選用隱式求解算法來避免累積誤差?？紤]計算的精度和效率，對軟件生成的分析步數(shù)做適當調(diào)整。

2　仿真分析

芯輥進給速度和驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速是輾環(huán)過程中最重要的兩個工藝參數(shù)，基于所建立的有限元模型，采用控制變量法分別對這兩個參數(shù)進行研究，分析各自變化對輾環(huán)工藝的影響。

圖3為Origin軟件平滑處理后軋制力時間歷程圖，開始階段軋制力急劇增加，到達穩(wěn)定軋制階段時軋制力在一定區(qū)間內(nèi)平穩(wěn)波動。根據(jù)軋制力的時間歷程圖研究芯輥進給速度和驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速對軋制力的影響，難以看出二者之間的關系。為方便研究，取軋制力的平均值作為分析對象，并用等效應變平均值表達整體變形程度，用等效應變標準差表達整體變形不均勻程度。等效塑性應變平均值越大，表明環(huán)件長大趨勢越明顯，材料變形越充分，工件內(nèi)部晶粒越細小，最總產(chǎn)品質(zhì)量越好。等效塑性應變標準差越大，不均勻程度越高，力學性能也不均勻，產(chǎn)品質(zhì)量越差。

圖3　軋制力時間歷程圖

2.1芯輥進給速度對軋制過程的影響

(1)芯輥進給速度對軋制力的影響。圖4所示為軋制力平均值隨進給速度變化曲線。由圖可知，當驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速為2.5 rad/s，隨著芯輥進給速度的增加，軋制力逐漸增大。原因是每轉(zhuǎn)進給量增加，達到每轉(zhuǎn)變形所需的變形力越大，因此軋制力也越大。軋制力過大會提高對輾環(huán)機的力能要求，增加設備成本，因此軋制力應控制在一定范圍內(nèi)；

(2)芯輥進給速度對等效塑性應變的影響。圖5為芯輥進給速度對等效塑性變形影響曲線，可看出，等效塑性變形平均值和標準差隨芯輥進給速度增大而減小。原因是芯輥進給速度越大，輾環(huán)每轉(zhuǎn)的進給量越大，達到所要求環(huán)件尺寸的時間越短，對環(huán)件整體來講變形程度減小，因此，等效塑性應變平均值也減小。同時，芯輥進給速度增大，每轉(zhuǎn)咬入量增加，應變不會僅集中金屬表層，內(nèi)外應變差距縮減，因此等效塑性應變標準差減小。

圖4　平均軋制力隨芯輥進給速度變化曲線

圖5　等效塑性應變隨芯輥進給速度變化曲線

2.2驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速對軋制過程的影響

(1)驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速對軋制力的影響。圖6為驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速對軋制力平均值的影響曲線，當芯輥進給速度為2 mm/s時，軋制力平均值隨著驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速的增加逐漸減小，這是因芯輥進給速度不變的情況下，每轉(zhuǎn)進給量隨著驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速增加而減小，即每轉(zhuǎn)進給所需要的克服的變形力也減小，因此設備平均軋制力為減小趨勢；

(2)驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速對等效塑性應變的影響。圖7為驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速對等效塑性應變的影響曲線，隨著驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速的增加等效塑性應變平均值逐漸變大，原因是總軋制時間不變，相同進給量下咬入次數(shù)增多，環(huán)件表層總體金屬咬入量增加，表層應變加劇，使得平均值增大。與此同時，轉(zhuǎn)速增加表層金屬應變急劇增加，較之內(nèi)部金屬變化程度較大，差距也增大。于是，等效應變標準差增大。

分析圖7可以看出，轉(zhuǎn)速在2.5～3.3 rad/s區(qū)間內(nèi)，等效塑性應變標準差基本保持不變，甚至有略微下降的趨勢。究其原因，由于轉(zhuǎn)速的增加環(huán)件與模具接觸頻率加大，導致溫度升高，使得金屬塑性得到增強，此區(qū)間抵消一部分不均勻程度，標準差基本保持不變。該區(qū)間內(nèi)，環(huán)件等效塑性變形標準差較小，變形均勻；等效塑性應變平均值較大，變形較充分，金屬內(nèi)部晶粒較細小，質(zhì)量較好；同時軋制力也在一個較小的范圍內(nèi)，對設備要求低，為理想的驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速。

圖6　平均軋制力隨驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速變化曲線

圖7　等效塑性應變隨驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速變化曲線

2.3工藝參數(shù)的分析驗證

驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速在2.5～3.3 rad/s間取值2.6 rad/s，取芯輥進給速度2 mm/s，對環(huán)模輾環(huán)成形進行仿真，判斷該區(qū)間下的工藝參數(shù)是否滿足環(huán)模輾環(huán)成形要求。圖8為環(huán)模輾環(huán)結(jié)束后的截面變形圖，由圖可知，環(huán)模變形均勻，孔型填充效果好無明顯成型缺陷。某公司用該工藝參數(shù)對環(huán)模輾環(huán)生產(chǎn)，產(chǎn)品合格，圖9所示為環(huán)模輾環(huán)產(chǎn)品圖。

圖8　輾環(huán)結(jié)束后環(huán)件截面變形圖

圖9　輾環(huán)結(jié)束后的環(huán)模產(chǎn)品

3　結(jié)束語

分析了芯輥進給速度和驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速對環(huán)模輾環(huán)成形工藝的影響。研究發(fā)現(xiàn)：隨著芯輥進給速度的增加，軋制力呈增長趨勢，等效塑性應變平均值和標準差呈減小趨勢；隨著驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速的增加，軋制力呈減小趨勢，等效塑性應變平均值和標準差總體呈增長趨勢；驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速在2.5～3.3 rad/s區(qū)間內(nèi)，變形較平穩(wěn)，試驗結(jié)果證明了在此區(qū)間內(nèi)的環(huán)模成形效果較好，產(chǎn)品合格。

本文研究了芯輥進給速度和驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速這兩種工藝參數(shù)對輾環(huán)工藝的影響，然而溫度、摩擦等也是影響環(huán)模輾環(huán)成形的重要工藝參數(shù)，其對環(huán)模輾環(huán)工藝的影響還有待后續(xù)研究。

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Simulation Analysis of Ring Rolling Process Parameters of Ring Die

YUAN Hao1, DAI Enhu1, WANG Xiaoming2, FANG Wei1

(1. School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China;2. Liyang Hongda Mechanical Equipment Co., Ltd., Changzhou 213331, China)

The Mandrel radial speed and driving roll rotational speed have a directly influence on the complex ring rolling process. The design of Mandrel radial speed and driving roll rotational speed through traditional physical experiments is expensive and inefficient. This study discusses the finite element modeling technology about ring rolling process, performs the simulation based on the Simufact software, and analyzes the influence of Mandrel radial speed and driving roll rotational speed on rolling force and equivalent plastic strain. The results show that the deformation of ring die is adequate and uniform at a mandrel radial speed of 2mm/s and a driving roll rotational speed between 2.5rad/s-3.3rad/s, where the rolling force is suitable with good forming effect. Result of simulation will provide a reference for the design and improvement of process parameters of ring rolling process.

ring die; ring rolling; FEA simulation; mandrel radial speed; driving roll rotational speed

2015- 12- 18

袁浩(1975-)，男，博士，副教授。研究方向：計算機輔助設計等。戴恩虎(1991-)，男，碩士研究生。研究方向：機械設計。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.09.023

TG372

A

1007-7820(2016)09-083-04