肖 峰，沈曉輝，趙 慧，張 磊

(1.馬鞍山鋼鐵股份有限公司輪軸事業(yè)部，安徽馬鞍山243010；2.安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽馬鞍山243032)

車(chē)輪軋制是輾鋼車(chē)輪熱成形的關(guān)鍵工步。車(chē)輪坯模鍛預(yù)成形之后，通過(guò)車(chē)輪軋制擴(kuò)大外徑，延展輻板并完成輪輞及輪緣最終成形，其變形過(guò)程十分復(fù)雜。車(chē)輪軋制分為臥式和立式兩種形式[1]。秦國(guó)慶等[2]從幾何學(xué)、靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)等角度對(duì)臥式軋制的相關(guān)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了初步解析，并得出輻板輥、車(chē)輪與主輥間的速度關(guān)系。鄧加?xùn)|等[3]使用Abaqus有限元軟件對(duì)車(chē)輪臥式軋制過(guò)程進(jìn)行了有限元分析，考察了軋制過(guò)程力能參數(shù)的變化和應(yīng)力應(yīng)變分布。馬鋼目前兩條車(chē)輪生產(chǎn)線(xiàn)都采用立式軋制[4]，工具主要包括1 個(gè)主輥、2 個(gè)輻板輥、2個(gè)軋邊輥、2個(gè)對(duì)中輥和2個(gè)導(dǎo)輥，車(chē)輪軋制工具的配置、運(yùn)動(dòng)以及輪輞的變形模式都比較復(fù)雜。對(duì)此沈曉輝等[4-8]對(duì)立式車(chē)輪軋制的成形條件進(jìn)行了理論分析，給出了道次進(jìn)給量在輻板輥和主輥側(cè)的分配比例關(guān)系，探討了立式軋制徑向變形區(qū)的輪輞擴(kuò)徑條件，并基于Marc/SuperForm平臺(tái)對(duì)車(chē)輪立式軋制過(guò)程進(jìn)行了有限元仿真，分析了車(chē)輪軋制過(guò)程的應(yīng)變分布和輪輞軋制擴(kuò)徑機(jī)理以及輻板拉薄現(xiàn)象。武勝飛等[9]采用Deform 軟件也對(duì)車(chē)輪立式軋制過(guò)程進(jìn)行了分析，探討了力能參數(shù)變化和金屬變形特點(diǎn)。英國(guó)學(xué)者Davey等[10]為了控制車(chē)輪模鍛預(yù)成形過(guò)程中金屬的合理流動(dòng)，基于有限元模擬對(duì)初鍛坯形狀進(jìn)行了優(yōu)化，還將車(chē)輪軋制簡(jiǎn)化為平面變形問(wèn)題，分析了金屬在徑向平面內(nèi)的流動(dòng)。俄羅斯Kushnarev等[11-12]對(duì)車(chē)輪模鍛預(yù)成形進(jìn)行了三維模擬，對(duì)影響預(yù)成形坯形狀和尺寸的因素進(jìn)行了較為全面的分析，并通過(guò)車(chē)輪立式軋制實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)了車(chē)輪軋制工藝設(shè)計(jì)方法。

由于車(chē)輪立式軋制變形的高度復(fù)雜性，車(chē)輪軋制變形仍有待于深入研究。HDSA車(chē)輪是一種用量較大的貨車(chē)輪，文中基于有限元法，以HDSA車(chē)輪軋制為研究對(duì)象，進(jìn)一步分析車(chē)輪軋制過(guò)程的擴(kuò)徑、寬展及應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律，以期為合理制定和優(yōu)化車(chē)輪軋制工藝提供理論支撐。

1 仿真計(jì)算條件

車(chē)輪立式軋制時(shí)，輪輞在徑向變形區(qū)和軸向變形區(qū)中連續(xù)多道次變形。徑向變形區(qū)位于由主輥與輻板輥構(gòu)成的輥縫區(qū)域，軸向變形區(qū)位于兩個(gè)軋邊輥之間的輥縫區(qū)域。軋制時(shí)，左右輻板輥驅(qū)動(dòng)輪坯旋轉(zhuǎn)，主輥向車(chē)輪方向進(jìn)給，輻板輥位置基本不變。左右導(dǎo)輥和上下對(duì)中輥的作用是保證車(chē)輪在軋制過(guò)程中穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，軋邊輥、導(dǎo)輥及對(duì)中輥的位置隨著輪徑變化而實(shí)時(shí)調(diào)整。文中借助Marc/SuperForm有限元軟件，在前期開(kāi)發(fā)的仿真模型[7]基礎(chǔ)上，對(duì)HDSA車(chē)輪的軋制過(guò)程進(jìn)行模擬。

軋制擴(kuò)徑量(內(nèi)徑單邊擴(kuò)徑量)為63 mm，輪輞厚度減薄量(主輥進(jìn)給量)為29 mm，軋制目標(biāo)內(nèi)徑和外徑分別設(shè)定為738，860 mm，仿真模型如圖1。建模方法及主輥進(jìn)速度參照文獻(xiàn)[7]。本研究中，通過(guò)下支撐輥的高度調(diào)整(子程序motion.f 控制)保持車(chē)輪軸線(xiàn)高度不變。模型加載時(shí)間21 s，設(shè)置8 400增量步。

圖1 車(chē)輪軋制仿真模型Fig.1 Simulation model of wheel rolling

2 仿真模擬結(jié)果與分析

2.1 軋制過(guò)程車(chē)輪直徑變化

車(chē)輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)(或道次數(shù))與軋制時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系的仿真結(jié)果如圖3。由圖3 可見(jiàn)，軋制21 s，車(chē)輪旋轉(zhuǎn)了21 圈。通過(guò)仿真模型中測(cè)量輥的位移和主輥進(jìn)給量，計(jì)算得出軋制過(guò)程中輪輞內(nèi)外徑的變化并與實(shí)測(cè)內(nèi)外徑進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4。由圖4 可看出：輪輞內(nèi)外徑的模擬值與實(shí)測(cè)值基本一致，軋制初期，輪輞外徑變化速度很小，而輪輞內(nèi)徑有較大的增長(zhǎng)速度；軋制中期(4～16 s)，輪輞擴(kuò)徑速度明顯增大；軋制末期，由于道次進(jìn)給量的減小，輪輞內(nèi)外徑增長(zhǎng)較小；軋制結(jié)束時(shí)，輪輞內(nèi)外徑分別達(dá)到737.6，858.9 mm，基本達(dá)到目標(biāo)要求(內(nèi)、外徑的目標(biāo)分別為738，860 mm)。

圖2 車(chē)輪軋制不同階段的斷面形狀Fig.2 Section shape of wheel rolling in different stages

圖3 車(chē)輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)與時(shí)間的關(guān)系Fig.3 Relation between wheel rotations and time

圖4 軋制過(guò)程中輪輞內(nèi)外徑的變化Fig.4 Change of inner and outer diameter of wheel rim during the rolling

軋制過(guò)程每圈的進(jìn)給量(即道次進(jìn)給量)和輪輞外徑的增加量如圖5。由圖5可看出：軋制第一圈道次進(jìn)給量最大，2.5 mm；隨后道次進(jìn)給量逐道減小，前6圈中每圈的徑向壓下量都大于2 mm。整個(gè)軋制過(guò)程中，道次相對(duì)壓下率只有3%左右，前13圈軋制中盡管主輥進(jìn)給量逐圈降低，但是車(chē)輪外徑的增長(zhǎng)速度基本呈增加趨勢(shì)，第13 圈的單圈外徑增長(zhǎng)量達(dá)到最大值，為5.1 mm/圈。圖5 中顯示：第2 圈軋制中踏面外徑稍有減少，原因是第2圈軋制中，車(chē)輪踏面的斜度與軋輥趨于一致，而軋輥踏面斜度較小，導(dǎo)致測(cè)量輥測(cè)出的數(shù)據(jù)偏??；前3 圈徑向變形區(qū)輾壓的金屬有相當(dāng)一部分流向輪輞角部區(qū)域和對(duì)輪緣部位，導(dǎo)致該階段外徑增長(zhǎng)緩慢；軋制第4圈后，輪緣和輪輞角部區(qū)域金屬趨于填滿(mǎn)，輪輞外徑增長(zhǎng)達(dá)到較高速度；車(chē)輪旋轉(zhuǎn)13 圈之后，輪輞外徑增長(zhǎng)速度逐漸降低，第21圈輪輞外徑增長(zhǎng)速度只有1.3 mm/圈。

2.2 輪輞寬展分析

車(chē)輪軋制過(guò)程中，輪輞寬度在兩個(gè)變形區(qū)中發(fā)生復(fù)雜的變化。徑向變形區(qū)中，輪輞金屬在主輥和輻板輥的擠壓下，輪輞寬度增加；軸向變形區(qū)中，輪輞金屬受軋邊輥的壓下，輪輞寬度被壓到設(shè)定值。車(chē)輪立式軋制時(shí)，徑向變形區(qū)中的輪輞變形程度顯著大于軋邊變形區(qū)，其寬展量的大小與擴(kuò)徑效率密切相關(guān)。由于主輥側(cè)與輻板輥側(cè)壓入量的不同以及輪輞斷面的特殊形狀，輪輞不同位置的寬展量也不同。圖6為輪輞3個(gè)位置處的寬展變化及寬展情況。圖6(b)中相鄰的波谷和波峰之差即為徑向變形區(qū)中產(chǎn)生的寬展量，圖6(b)顯示：輪輞寬度在軋制過(guò)程中基本呈矩形波形式變化，C位置靠近輻板，軋制前充滿(mǎn)度不高，前5圈該位置寬度逐道次增加；軋制中期，輪輞寬度的大小順序是A＞C＞B，也即輪輞中間厚度處的寬度最小，說(shuō)明輪輞內(nèi)外側(cè)面呈一定程度的雙鼓形；軋制后期，B，C處的寬度基本相同，但比A位置寬度偏小約2 mm；車(chē)輪軋制結(jié)束時(shí)，輪輞寬度沿周向不等，內(nèi)外側(cè)端面不平整，沿周向輪輞寬度差仍有1.5 mm。

圖5 HDSA車(chē)輪軋制過(guò)程每圈進(jìn)給量和外徑增加量Fig.5 Feeding and outside diameter increasing per round during the rolling of HDSA wheel

圖6 車(chē)輪軋制過(guò)程輪輞寬度變化Fig.6 Width variation of wheel rim during the wheel rolling

車(chē)輪旋轉(zhuǎn)各圈(道次)的輪輞寬展量如圖6(c)。由圖6(c)可見(jiàn)：在前10圈，徑向變形區(qū)中輪輞寬展量較小；14～18圈寬展量達(dá)到峰值，且A位置的寬展量顯著大于B，C位置；A位置的最大寬展量達(dá)到5.5 mm，B，C位置的最大寬展量約3.0 mm；18圈之后，寬展量逐漸減小，但是由于輪輞金屬在兩個(gè)變形區(qū)中分別在厚度和寬度方向的反復(fù)壓縮，徑向變形區(qū)寬展量仍然較大；軋制結(jié)束時(shí)，B，C位置的道次寬展量仍有1.0 mm，A位置約為3.5 mm。根據(jù)寬展規(guī)律可優(yōu)化主變形區(qū)與軋邊變形區(qū)的協(xié)調(diào)變形控制。

2.3 變形分布

為分析不同位置金屬在軋制過(guò)程中的變形程度，對(duì)圖7(a)所示各位置的等效應(yīng)變進(jìn)行分析，其中節(jié)點(diǎn)N18749軋前位于輪輞根部，軋制結(jié)束后位于輻板。圖7(b)所示為輪輞中各跟蹤點(diǎn)在軋制過(guò)程中累積等效應(yīng)變的變化。其中：靠近輪輞外側(cè)面的節(jié)點(diǎn)N53935等效應(yīng)變最大(3.36)，約為靠近內(nèi)側(cè)面的節(jié)點(diǎn)N70563(等效應(yīng)變1.41)的2.4倍；踏面節(jié)點(diǎn)N57309的等效變形也較大(1.50)，踏面下隨著深度的增加，累積等效應(yīng)變迅速減小并達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值(約0.23)。圖7(c)為輻板中各跟蹤點(diǎn)在軋制過(guò)程中的應(yīng)變情況。其中：節(jié)點(diǎn)N12965和N13668位于非軋制段，但由于軋制過(guò)程輻板的拉薄，也發(fā)生了一定程度的塑性變形；由輪輞根部流入輻板的N18749節(jié)點(diǎn)發(fā)生的變形較為劇烈，軋制結(jié)束時(shí)其累積等效應(yīng)變達(dá)到1.1。

圖7 軋制過(guò)程節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)變Fig.7 Effective plastic strain of the tracking node during the rolling

為分析輪輞變形的深透性，仿真分析軋制不同時(shí)刻踏面下不同深度處的等效應(yīng)變分布，結(jié)果如圖8。由圖8可見(jiàn)：軋制過(guò)程中，預(yù)成形坯踏面下25 mm范圍內(nèi)，隨著深度增加，金屬等效應(yīng)變呈線(xiàn)性降低；30 mm深度以下應(yīng)變基本達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值；深度繼續(xù)增加到靠近輪輞和輻板的連接部位時(shí)，由于金屬流動(dòng)的加劇應(yīng)變有所增加，輪輞的變形主要發(fā)生在前13圈，車(chē)輪旋轉(zhuǎn)13圈之后，輪輞內(nèi)部等效應(yīng)變?cè)黾臃群苄。卉堉平Y(jié)束時(shí)，踏面處應(yīng)變最大為1.50，原始深度41 mm處的金屬應(yīng)變最小(0.23)。

圖8 軋制不同時(shí)刻的輪輞變形深透性Fig.8 Deep penetration of rim deformation at different rolling times

2.4 輻板受力及厚度變化

車(chē)輪軋制變形過(guò)程中，變形區(qū)內(nèi)外應(yīng)力分布復(fù)雜，而應(yīng)力對(duì)車(chē)輪的變形產(chǎn)生復(fù)雜的影響。圖9為車(chē)輪軋制旋轉(zhuǎn)第9 圈時(shí)徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力分布情況，后處理時(shí)，需根據(jù)輪心位置的變化修改柱坐標(biāo)系的原點(diǎn)位置，并將直角坐標(biāo)系下的應(yīng)力分量轉(zhuǎn)變?yōu)橹鴺?biāo)系下的應(yīng)力。為清晰看出應(yīng)力分布規(guī)律，將拉應(yīng)力和壓應(yīng)力分別在兩個(gè)視圖中顯示。圖9(a)顯示，輻板大部分區(qū)域分布徑向拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力達(dá)到120 MPa。圖9(b)顯示：徑向壓應(yīng)力主要分布在輻板輥和主輥的接觸區(qū)，最大壓應(yīng)力達(dá)到-200 MPa；在變形區(qū)之外的輪輞和輻板部分區(qū)域也分布較小的徑向壓應(yīng)力(小于20 MPa)。圖9(c)顯示，周向拉應(yīng)力也主要分布在輻板區(qū)域，最大達(dá)到95 MPa。圖9(d)顯示，周向壓應(yīng)力主要分布在輪輞，尤其是輻板輥與輪輞的接觸區(qū)域。從軋制過(guò)程中的應(yīng)力分布來(lái)看，輻板大部分區(qū)域承受較強(qiáng)的徑向拉應(yīng)力和周向拉應(yīng)力。

圖9 軋制第9圈時(shí)的應(yīng)力分布Fig.9 Stress distribution for the 9th round of rolling

輻板正是在拉應(yīng)力的作用產(chǎn)生了減薄現(xiàn)象，稱(chēng)之為“拉薄”。輻板拉薄量的大小取決于拉應(yīng)力和金屬變形抗力的大小。圖10為車(chē)輪軋制過(guò)程中輻板不同位置的厚度變情況。由圖10可見(jiàn)：車(chē)輪遠(yuǎn)離輪輞的非軋制區(qū)在2～13圈發(fā)生顯著的減薄現(xiàn)象，14圈之后，隨著擴(kuò)徑速度的減小和輻板溫度的降低，輻板厚度不再減??；軋制結(jié)束后A位置減薄量為1.3 mm，B位置減薄量為3.3 mm，這一結(jié)果與生產(chǎn)實(shí)踐中觀(guān)測(cè)的輻板拉薄量(3～4 mm)基本一致?；谳棸謇×康念A(yù)測(cè)，可在預(yù)成形坯工藝設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)輻板厚度進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償，提高輻板尺寸精度。

圖10 車(chē)輪軋制過(guò)程輻板厚度變化Fig.10 Thickness variation of the web during wheel rolling

3 結(jié) 論

1)車(chē)輪軋制3～13圈時(shí)輪輞擴(kuò)徑速度逐漸增大，第13圈的單圈外徑增長(zhǎng)量達(dá)到最大值5.1 mm/圈，隨后外徑增長(zhǎng)速度逐漸降低，第21圈輪輞外徑增長(zhǎng)速度只有1.3 mm/圈。

2)在車(chē)輪軋制徑向變形區(qū)中，輪輞寬展量在14～18圈時(shí)達(dá)到峰值，沿輪輞厚度方向，輪輞寬度分布不均勻，靠近踏面處寬展量最大，最大道次寬展量達(dá)到5.5 mm。軋制結(jié)束前，盡管進(jìn)給速度降為0，但仍有寬展量，導(dǎo)致終軋后輪輞內(nèi)外側(cè)斷面不平整，沿周向輪輞寬度差可達(dá)到1.5 mm。

3)軋制過(guò)程中，輪輞變形深透性較差，心部區(qū)域變形較小，終軋后，對(duì)于對(duì)初始踏面下25 mm范圍內(nèi)的金屬，隨著深度增加，等效應(yīng)變呈線(xiàn)性降低，31 mm深度處應(yīng)變有最小值0.23。

4)車(chē)輪軋制時(shí)輻板主要承受周向拉應(yīng)力和徑向拉應(yīng)力，拉應(yīng)力導(dǎo)致輻板被拉薄，輻板拉薄主要發(fā)生在2～13圈，輻板最大拉薄量達(dá)到3.3 mm。