厚壁空心件輥鍛工藝模擬研究

文/劉化民，王磊·吉林大學輥鍛工藝研究所

厚壁空心件輥鍛工藝模擬研究

文/劉化民，王磊·吉林大學輥鍛工藝研究所

基于剛塑性有限元軟件DEFORM-3D，模擬了厚壁空心件輥鍛的成形過程，分析了變形區特點、金屬流動規律及等效應變場分布狀態，研究了摩擦系數、壓下量對厚壁空心件輥鍛的影響，揭示厚壁空心件與實心件輥鍛過程兩者延伸量、展寬量及上模載荷的差異。對比分析實驗結果和模擬結果，表明借助DEFORM-3D的數值模擬可準確地預測輥鍛件的成形效果。增加整形輥鍛道次后，圓斷面的橢圓度已經消失，獲得了高質量的成形件，為指導厚壁空心件的實際生產提供參考依據。

輥鍛是采用軋輥作為工具，通過軋制工藝生產鍛造工件。它具有設備噸位小、生產效率高、工件尺寸穩定等優點。近些年，國內外對輥鍛工藝的模擬做了大量研究，通過模擬坯料在圓—橢圓—圓型槽系中的制坯輥鍛變形過程，分析不同變形參數和型槽結構對應力應變的影響，證明輥鍛制坯是一種高效率、低投資的制坯手段。王華君等模擬前軸輥鍛成形，對比模擬結果與實驗結果，顯示二者金屬流動的一致性。蔣鵬等模擬鐵路貨車鉤尾框精密輥鍛過程,對輥鍛成形的各道次模具載荷等情況進行分析，為精密輥鍛工藝及模具設計提供參考依據。隨著市場對空心件需求的增多，人們正在尋求一種高效率、低投資的厚壁空心件成形方法。S.Urankar等討論空心件楔橫軋的臨界摩擦值，得出管坯被壓碎與管坯材料、壁厚和斷面收縮率有關系。秦敏、李繼光等通過DEFORM-3D模擬分析了空心車軸的徑向鍛造。

目前，對厚壁空心件輥鍛工藝的研究仍較少，本文采用DEFORM-3D有限元軟件對厚壁空心件的輥鍛過程進行數值模擬，并進行了試驗研究，為厚壁空心件輥鍛工藝開發提供參考。

輥鍛工藝模擬參數設置

模擬采用的是DEFORM-3D軟件，幾何模型是在CATIA中構建的。管坯材料為40 Cr，管坯外徑40mm，壁厚為4mm，模具材料為5CrNiMo。毛坯與模具之間的摩擦類型采用剪切摩擦，摩擦因子取0.25。為了模擬實際操作的機械手，定義管坯運動方向只為X軸方向。坯料的初始網格單元42636個，10183個節點。工件的初始溫度為1050 ℃，輥鍛模溫度為室溫，輥縫距離為2mm，輥鍛模公稱直徑是400mm，鍛輥的角速度為4.19rad/s，模擬共2道次，且每道次模擬步數均為100步，步長為0.003s，且每道次輥鍛后工件需翻轉90°后方可進入下一道次。

圖1所示為工件成形效果圖,表1所示為典型截面尺寸對比表.如圖1(a)所示為第二道輥鍛件整形前的形狀，表1數據顯示工件方截面或圓截面在Z軸方向的尺寸較Y軸方向約大2mm。原因是輥縫的方向是Z軸方向，由于貼近輥縫處的金屬不受模具的約束，處于自由狀態，在模具徑向壓力和摩擦力的作用下，根據最小阻力定律，金屬會向輥縫里流動，從而引起上述情況。

圖1 工件成形效果圖

表1 典型截面幾何尺寸對比

為了解決典型截面形狀在Y軸與Z軸方向尺寸不一致問題，消除輥縫對空心件輥鍛過程的影響，增加整形輥鍛，即第二道輥鍛后使工件沿軸線翻轉90°后重新進入第二道輥鍛模的型槽，并保持與模具的接觸位置與前兩道次一致，從而提高輥鍛件尺寸的精度.如圖1(b)所示為整形后的輥鍛件形狀，從表1中可以看出,典型截面形狀在Y軸與Z軸方向的尺寸問題有明顯的改善。

工藝參數對空心件輥鍛變形的影響

壓下量對空心件輥鍛工藝的影響

圖2所示為壓下量與空心件延伸量、展寬量的關系.圓管坯在橢圓型槽內完成第一道次輥鍛，以壓下量為變量，模擬研究壓下量對坯料展寬和延伸的影響，如圖2(a)所示。隨著壓下量的增加，坯料的展寬量呈線性增加，延伸量略有增加。

橢圓管坯在第二道型槽輥鍛，壓下量對展寬量及延伸量的影響曲線如圖2(b)所示。隨著壓下量的增加，展寬量開始緩慢增加，當壓下量為10.5mm時，展寬量驟然增加；隨著壓下量的增加，開始延伸量同樣緩慢增加，當壓下量為8.5mm時，延伸量呈大幅增加趨勢。因此，在橢圓型槽輥鍛時，以展寬為主；在圓形型槽輥鍛橢圓管坯時，展寬和延伸均有臨界點。

壁厚對延伸量、展寬量的影響

圖3所示為壁厚與延伸量、展寬量的關系.管坯壁厚與延伸量的關系曲線如圖3(a)所示。在橢圓型槽輥鍛過程中，圓管坯的延伸量隨著壁厚增加呈線性增加趨勢，這是由于壁厚增加，徑向及橫向阻力增大，展寬量減小，促進金屬縱向延伸。在第二道模型槽內輥鍛，橢圓管坯的延伸量隨著壁厚的增加而增加。壁厚為4mm～8mm，延伸量增加迅速；壁厚為8mm～12mm，延伸量增加緩慢；在工件接近實心棒料時，延伸量不再增加。

管壁厚與展寬量的關系曲線如圖3(b)所示。在橢圓型槽輥鍛過程中，圓管坯的展寬量隨著壁厚增加而減小，這是因為金屬沿型槽橫向流動的阻力增大，展寬量減小。在由圓截面段、方截面段及其過渡段組成的型槽內，橢圓管坯的展寬量隨著壁厚的增加而呈線性增加。

圖2 壓下量與空心件延伸量、展寬量的關系

圖3 壁厚與延伸量、展寬量的關系

摩擦系數對輥鍛工藝的影響

輥鍛模與坯料之間的摩擦系數是影響坯料咬入的主要因素，也是影響前滑的重要因素。對于實心件，延伸量隨著摩擦系數增大而減小，且不同的摩擦系數對輥鍛件延伸量的影響較大。實際生產時常發現兩種情況：⑴使用潤滑劑會降低摩擦系數，從而輥鍛出延伸較長的工件；⑵有些輥鍛模具由于使用時間較長，型槽磨損嚴重，導致模具型槽的表面粗糙，摩擦系數增大，導致金屬縱向延伸的阻力增大，常會出現輥鍛后坯料延伸不足的現象。圖4所示為摩擦系數對厚壁空心件延伸量的影響曲線，從圖中可以看出，圓管坯在橢圓型槽中輥鍛時延伸很小，延伸量均不到1mm；第二道輥鍛的延伸量較第一道大，延伸量約5～6mm，摩擦系數為0.4時，第二道次延伸量最大，約6mm。圖中對比了在相同工況條件下，實心件輥鍛摩擦系數與延伸量的關系，從圖中可以看出，第二道次比第一道次延伸量大，與空心件規律相同，但兩道次延伸量均比空心件大。第二道次，延伸量隨摩擦系數的增加而減小，其變化規律與空心件不同。

圖4 摩擦系數對厚壁空心件延伸量的影響曲線

厚壁空心件與實心件上輥鍛模載荷的對比

輥鍛過程坯料在X軸方向發生延伸變形、Y軸方向發生壓扁變形、Z軸方向發生展寬變形，且每道次輥鍛過程坯料都經歷三個階段：咬入階段、穩定輥鍛階段及與模具分離階段。圖5所示為空心件的三道次輥鍛載荷曲線，圖6所示為相同條件下實心件的上輥鍛模載荷曲線。從圖中可以看出，空心件輥鍛比實心件輥鍛載荷小很多，上述模擬結果對空心件輥鍛設備選型具有參考價值。

圖5 空心件的上輥鍛模載荷曲線（Load Prediction：載荷預測；X load：X軸方向載荷；Y load：Y軸方向載荷；Z load：Z軸方向載荷；step：模擬工步，Top Die：上模）

圖6 實心件的上輥鍛模載荷曲線（Load Prediction：載荷預測；X load：X軸方向載荷；Y load：Y軸方向載荷；Z load：Z軸方向載荷；step：模擬工步，Top Die：上模）

圖7 空心件輥鍛試驗

工藝試驗

在D42-400雙支承輥鍛機上進行厚壁空心件輥鍛的實驗，工藝流程如下：下料φ40mm′4mm′125mm→中頻加熱到1050℃→兩道次輥鍛→整形輥鍛→冷卻。管坯端部留有20mm的夾鉗尺寸，每道次輥鍛后都需要將鍛件沿軸向翻轉90°進入下一道次輥鍛。因為厚壁空心件輥鍛時延伸量較小，所以輥鍛前有必要在模具型槽上涂石墨乳進行潤滑，這不僅能提高輥鍛件的表面質量，減小坯料與模具間的摩擦力，提高模具的使用壽命，還有利于管坯的縱向延伸，圖7所示為空心件輥鍛試驗。

圖8所示為試驗產品，金屬在型槽內流動性好，過渡段成形質量良好，且無飛邊產生，與數值模擬產品基本一致，證明了輥鍛成形厚壁空心件是可行的，為實際應用提供了參考依據。

結論

(1)由于兩道次輥鍛每道次壓下量過大導致工件成形質量差，通過增加整形輥鍛，典型截面段的尺寸精度有明顯的提高。

(2)第一道次輥鍛，摩擦系數對厚壁空心件輥鍛延伸影響較小；隨著壓下量的增加，坯料的展寬量呈線性增加，延伸量略有增加，在橢圓型槽輥鍛時，以展寬為主；隨著壁厚的增加，延伸量呈線性增加，展寬呈線性減小。

圖8 試驗產品

(3)第二道次輥鍛，摩擦系數對實心件延伸量影響較大，而對空心件的延伸量幾乎沒有影響；隨著壓下量的增加，在圓形型槽輥鍛橢圓管坯時，展寬和延伸均有臨界點。隨著壁厚的增加，其延伸與展寬量均呈增大趨勢。

(4)輥鍛空心件所需的成形力較實心件小很多，因此，在實際生產中，對空心件的輥鍛可以使用較實心件小的設備，或用同樣的設備可生產尺寸更大的空心輥鍛件。