趙 杰，趙景存

（石鋼京誠裝備技術(shù)有限公司，遼寧 營口 115000）

齒輪鋼圓鋼橫斷面成分分布不均對加工成齒時的熱處理變形有重要影響，齒輪中部碳分布不均勻是引起齒輪嚙合度差的主要原因[1]。石鋼京誠裝備技術(shù)有限公司采用圓坯生產(chǎn)齒輪鋼棒材，本次試驗的軋制工藝為：Φ450 mm連鑄坯→加熱爐加熱→開坯機(jī)軋制成中間坯（272 mm×272 mm）→連軋機(jī)組6個道次軋制（Φ160 mm）→橫移→鋸切→冷卻→收集→緩冷→精整。開坯機(jī)為箱型孔，連軋機(jī)組為橢圓-圓孔型系統(tǒng)。圓坯在軋制后錠型偏析的形狀變?yōu)槠綑E圓，幾何對稱性變差，本研究是通過數(shù)值模擬和實物對比，分析軋制過程對錠型偏析形狀變化的影響。

1 實驗材料與實驗方法

1.1 數(shù)值模擬實驗

采用有限元軟件進(jìn)行模型建立，由于棒材軋制過程屬于大變形的金屬塑性成形問題，因此采用剛塑性材料模型。軋件為塑性材料，模擬用材料為AISI4140鋼，其泊松比為0.3，楊氏模量為210 MPa，熱膨脹系數(shù)為1.2×10-5/℃，摩擦系數(shù)為0.5，軋輥為剛性材料。棒材的軋制過程屬于對稱軋制，可選取原模型的1/4進(jìn)行模擬研究，如圖1所示，模擬過程采用四面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。軋件與空氣的對流換熱系數(shù)取0.015 kW/（m2·K），軋件的輻射率為0.75。

圖1 軋制模型

本次模擬實驗研究連軋機(jī)組對錠型偏析的影響，使用點追蹤功能追蹤1/4處點的位移和等效應(yīng)變變化情況，如圖2所示，P1和P2的初始位置距離中心均是68 mm，然后對比分析上下和兩側(cè)的位移和等效應(yīng)變變化，并分析產(chǎn)生的原因。272mm×272mm的中間坯初始溫度為1 050℃，為更好地與實際情況相符合，中間坯先在空氣中冷卻120 s，然后進(jìn)入連軋機(jī)組，經(jīng)過6道次軋制成Φ160 mm。

圖2 P1和P2的位置

1.2 實物對比實驗

將4支同鋼種同澆次的Φ450 mm連鑄坯經(jīng)過開坯機(jī)軋制成272 mm×272 mm的中間坯，然后經(jīng)過連軋機(jī)組6道次軋制成Φ160 mm圓鋼。軋制時不同爐號同流節(jié)號的連鑄坯軋制相同的面，兩支內(nèi)弧向上軋制，兩支側(cè)面向上軋制，分別在中間坯和軋材上取樣，標(biāo)定內(nèi)外弧和南北面的位置，對比分析中間坯的錠型偏析和軋材的錠型偏析的框型位置。

2 結(jié)果與討論

2.1 數(shù)值模擬實驗結(jié)果分析

采用點追蹤功能得到的P1和P2的位移圖如下頁圖3所示。

從圖3可以看出，第2道次、第4道次、第6道次的P2和P1兩點的位移差值分別為2.38mm、4.34 mm、2.27 mm。經(jīng)過6道次軋制，P2點向中心移動的位移比P1點的位移大2.27 mm，即：P2點向中心移動的位移較大，出現(xiàn)了長軸和短軸，錠型偏析的形狀成由圓形成為平橢圓形。方件進(jìn)橢圓以及橢圓-圓孔型系統(tǒng)中軋制時由于不同位置壓下量的不同，存在變形的不均勻性。

圖3 P1和P2的位移圖

由圖4可以看出，經(jīng)過6道次的軋制，P2的等效應(yīng)變?yōu)?.95，P1的等效應(yīng)變?yōu)?.88，P2比P1的等效應(yīng)變大0.07。方件進(jìn)橢圓孔后，從兩端開始壓下，越靠近兩端壓下率越大，應(yīng)變也是越靠近端部越大，越接近中間越小。

圖4 P1和P2的各道次等效應(yīng)變圖

圖5—圖10為第1至第6道次軋制完成后得到的等效應(yīng)變圖，可以看出軋件斷面內(nèi)不同位置應(yīng)變的不均勻性，軋制完成后原來中間坯四個角的部分應(yīng)變最大，中心部位應(yīng)變最小，上部的應(yīng)變要大于下部。

圖5 第分1布道云次圖等 效應(yīng)變

圖6 第2道次等效應(yīng)變分布云圖

圖7 第分3布道云次圖等 效應(yīng)變

圖8 第4道次等效應(yīng)變分布云圖

圖9 第分5布道云次圖等效應(yīng)變

圖10 第分6布道云次圖等效應(yīng)變

2.2 實物對比實驗結(jié)果分析

對軋制后的中間坯和軋材分別取樣做低倍觀察，如圖11所示，圖中1、2、3、4分別對應(yīng)連鑄的內(nèi)弧、外弧、北側(cè)、南側(cè)。對其進(jìn)行檢驗分析統(tǒng)計，結(jié)果見表2。

圖11 實物照片

表2 錠型偏析數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

下頁圖12中第一行為中間坯，第二行為軋材，粗實線為錠型偏析形狀。連鑄坯等軸晶/柱狀晶界面區(qū)域的宏觀偏析在軋制過程中沿軋制方向延伸的同時，在橫截面內(nèi)會向軋件表面產(chǎn)生不同程度地流變[2]。由圖12可以看出，軋后錠型偏析形狀均為不規(guī)則的平橢圓形。參照中間坯位置，再根據(jù)相對位置不變得出：4支坯料上下面到中心的距離減小的平均值為3 mm，兩側(cè)到中心的距離增大的平均值為1.15 mm。

圖12 中間坯和軋材錠型偏析示意圖（mm）

2.3 討論

在原始位置時，P1點和P2點到軋件中心的位置是相等的。由數(shù)值模擬結(jié)果顯示：整個斷面內(nèi)總的等效應(yīng)變是不均勻的，經(jīng)過6道次的軋制后，上部的應(yīng)變要大于下部的應(yīng)變，P1點的應(yīng)變大于P2，并且P2點的位移比P1點的位移大2.27 mm，也就是出現(xiàn)了短軸和長軸，圓坯在軋制后錠型偏析的形狀變?yōu)榱似綑E圓形。通過實物對比試驗的結(jié)果表明，軋件1/4處上下面比兩側(cè)面的金屬位移（相對于軋件中心）大4.15mm，如果變形前為圓形，變形后也會成為平橢圓形。

數(shù)值模擬的結(jié)果和實物對比試驗的結(jié)果是一致的，經(jīng)過6道次軋制，P2點（上下面）比P1點（兩側(cè)面）的位移大。在孔型中軋制時，不同位置的金屬流動規(guī)律是不同的，方件進(jìn)橢圓孔后從兩端開始壓下，越靠近兩端壓下率越大，應(yīng)變越靠近端部越大，越接近中間越小[3]。在橢圓-圓孔型系統(tǒng)中軋制時，不同位置的壓下率是不同的，應(yīng)變也是不同的，壓下率大時相應(yīng)的應(yīng)變也大。

3 結(jié)論

1）方件在進(jìn)橢圓以及在橢圓-圓孔型系統(tǒng)軋制時，變形不均勻性較大，金屬流動過程中相對位置會發(fā)生變化，軋制過程變形的不均勻性可以改變錠型偏析的形狀。

2）數(shù)值模擬的結(jié)果和實際生產(chǎn)具有一致性，通過數(shù)值模擬優(yōu)化孔型系統(tǒng)，可為生產(chǎn)高端齒輪鋼提供指導(dǎo)。