空心薄壁細長軸旋轉鍛造過程材料流動規律研究

王聚存，田天泰，吳學深，曹苗，張以升，李雙全，張琦

空心薄壁細長軸旋轉鍛造過程材料流動規律研究

王聚存1，田天泰2，吳學深3，曹苗2，張以升2，李雙全1，張琦2

（1. 中國航發南方工業有限公司，湖南 株洲 412002；2. 西安交通大學 機械工程學院，西安 710049；3. 駐株洲地區航空軍代室，湖南 株洲 412002）

為了準確地設計帶內臺階的薄壁細長軸類零件的旋轉鍛造用管坯，研究縮徑過程中金屬材料的流動規律。針對薄壁細長軸內臺階孔，采用有限元模擬與實驗驗證相結合的方法，研究管坯旋轉鍛造過程中，毛坯外徑/內徑之比、模具入角和摩擦條件對縮徑過程金屬流動的影響規律。管料外徑和內徑之比越大，金屬的厚向應變越小；摩擦因數越大，金屬的厚向應變越大；模具入角越大，金屬的厚向應變越小。實驗和模擬結果獲得的規律基本一致，有效驗證了模擬結果的正確性。

旋轉鍛造；薄壁細長軸；內臺階孔；金屬流動規律

隨著航空事業的發展，對航空發動機的制造效率、質量和成本都提出了更高的要求[1]。大深徑比薄壁細長軸類零件，尤其帶有臺階內孔的細長軸類零件在中小型航空發動機中占有重要位置，是航空發動機中動力傳輸的關鍵部件。由于該類零件具有深徑比大、管壁薄、內孔結構復雜、尺寸精度要求高等特點，給內孔加工帶來極大的挑戰。目前，常采用深孔鉆技術進行加工[2]，主要包括內排屑深孔鉆、噴吸鉆、雙進油內排屑鉆削、精密鏜削等加工手段[3—5]，主要存在加工周期長和廢品率高的問題。

旋轉鍛造成形技術簡稱旋鍛，是一種用于軸類和管類零件的回轉漸進式塑性成形工藝。旋轉鍛造過程中，一般使用2～8個模具，通過高頻徑向鍛打來保證工件表面質量，具有加工效率極高、加工精度高和產品性能好[6—8]等優點，在臺階軸加工、復雜內孔零件加工方面占有很大優勢[9]，近年來逐漸被用來替代空心薄壁細長軸的深孔鉆技術。

薄壁細長軸類零件旋轉鍛造過程實際上為坯料在模具鍛打作用下的縮徑過程，坯料在鍛錘的作用下逐漸縮小至設定尺寸。在旋轉鍛造過程中，金屬變形量大，材料流動較劇烈。對于管類零件，材料的流動規律較難掌握，需要進行大量的實驗探索。文中針對薄壁細長軸零件，通過有限元數值模擬技術研究其旋鍛縮徑過程中金屬流動規律[10—11]，對旋鍛毛坯設計具有重要的指導意義。

1 有限元模型建立

1.1 材料

材料選用45#鋼材料。彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3。塑性階段硬化方程為：

1.2 旋鍛縮徑過程中影響金屬流動的主要因素

可能影響管料無芯軸旋鍛過程金屬流動規律的因素主要有管料內外徑之比（其中，為管料的外直徑尺寸，為管料的內直徑尺寸）、模具入角、模具與坯料之間的摩擦因數。

旋鍛過程中，由于模具與工件之間存在激烈的碰撞，工件發生較大的塑性變形，牛頓摩擦準則已經不再適用，需要采用組合摩擦準則進行摩擦設置，如圖1所示，需要設置工件與模具之間、工件和操作手之間的摩擦。坯料和模具之間的摩擦因數，分別設置低、中和高3種不同的摩擦。組合摩擦準則[12—13]公式如下，其中為庫倫摩擦因數，為剪切摩擦因數：

1.3 旋轉鍛造有限元模型建立

旋轉鍛造工藝過程中錘頭的運動復雜，錘頭在繞著主軸旋轉的同時還在做高頻的徑向鍛打運動；毛坯在進給機構的作用下不斷進給。為了通過有限元方法對旋鍛工藝進行模擬，必須對該復雜運動進行簡化。

圖1 組合摩擦準則

Fig.1 Combined friction criterion

由于旋鍛過程4個錘頭同時鍛打，毛坯變形基本對稱，故在實際中為了提高計算效率，采用2D有限元模型[14—15]對此工藝進行分析。建立2D模型過程中，將模具的運動簡化為沿著毛坯徑向的一種直線運動，將毛坯的進給運動設置為間歇性的軸向位移進給，如圖2所示，為工件外徑，為內徑。

旋鍛2D有限元模型中包含有3個部件，分別是毛坯、模具和操作手，其中毛坯只采用實際毛坯的截面形狀即可，操作手與毛坯左端固連，模具沿著方向做鍛打運動。實際旋鍛成形中，芯軸的主要作用是保證內孔尺寸，成形內臺階孔時，往往也需要多道次、漸進式縮徑。在這個過程中，主要的縮徑過程發生在未與芯軸接觸時，因此有限元模擬主要針對坯料還未接觸芯軸、處于縮徑成形區域中的狀態進行材料流動分析。

網格劃分：工件設置彈塑性網格，并采用分區域網格劃分技術。圖2中黑色虛線框標注的區域，在鍛造區域網格很細，網格大小尺度為0.5 mm，保證計算精度；在非鍛造區域網格較粗，網格大小尺度為0.94 mm，以提高計算效率。模具設置為剛性網格，操作手同樣設置為剛性網格。

對BIM信息在項目全生命周期有效傳遞和共享的探討………………………………………………… 周艷，張志（9-257）

運動設置：模具鍛打速度設置為50 mm/s，模具初始高度設置為毛坯的外徑尺寸，徑縮量為坯料外直徑縮小量，終止高度根據徑縮量進行設置，采用組合摩擦準則。

為了研究，，對金屬流動的影響規律，分別建立4組有限元模型，參數如表1所示。其中，對于管料內外徑之比，分別設置等于1.5，2，2.5，每組模擬分別設置3種不同尺寸的管料；對于模具入角，分別設置為0°，4°和8°；摩擦分別設置低、中和高3種，其中低摩擦條件下，=0.02，=0.05，中摩擦條件下，=0.05，=0.1，高摩擦條件下，=0.1，=0.2。

圖2 旋鍛2D有限元模型

表1 旋鍛前后內孔直線度誤差與內孔直徑

Tab.1 Straightness error and diameter of inner hole before and after swaging

2 結果與分析

2.1 旋鍛應變

在旋鍛縮徑過程中，金屬材料會沿著軸向、徑向和環向流動。為了定量研究坯料旋鍛過程中的金屬應變，忽略薄壁細長軸類零件彈性體積變形，做出以下定義：

式中：ε為管料軸向應變；ε為管料厚向應變；

ε為管料環向應變；0為管料初始長度（mm）；為管料鍛后長度（mm）；0為管料初始壁厚（mm）；為管料鍛后壁厚（mm）；0為管料初始中徑（mm）；為管料鍛后中徑（mm）。

在管料旋鍛過程中，材料環向應變為負，即ε<0，環向受壓縮；厚向和軸向應變為正，即>0，ε>0，材料在厚向和軸向被拉長。

文中在研究坯料縮徑過程中材料的應力狀態時，沿著壁厚方向由外向內取3個點，如圖3所示，3個點分別取自徑縮區外表面、中間和內表面。通過對比著3個點的應力狀態，能夠對金屬在不同區域的變形行為進行合理解釋。

圖3 旋轉鍛造典型節點位置

Fig.3 Typical node position of rotary forging

通過Forge數值模擬可以得到鍛打過程中坯料徑縮區材料的三向應力分布情況，如圖4所示。其中，，這3個方向分別代表有限元軟件坐標中的徑向、環向和軸向。可以看出：①徑向應力，外壁處有較大的壓應力，由外向內壓應力逐漸減小，到內部幾乎為0，這是由于鍛打過程中外壁直接受到模具的下壓作用，導致存在較大的徑向壓應力；②軸向應力，外部與內部均存在較大的壓應力，中間的壓應力很小，幾乎為0；③環向應力，3個點均為壓應力，外部與內部壓應力較大，中間較小。

2.2 內外徑之比

如圖5所示為3種不同尺寸的坯料在縮徑過程中三向應變的變化情況，用這種形式來表示金屬流動規律。雖然具體尺寸不相同，但是3種坯料具有相同的變和軸向應變均逐漸增加，軸向應變略大于厚向應值，均為1.2。可以看出3種坯料在縮徑過程中表現出相近的金屬流動規律：隨著徑縮量增加，厚向應變；環向應變逐漸減小，其減小速度大于軸向和厚向應變的變化速度。說明在縮徑過程中金屬坯料的壁厚增加，長度增加，坯料中徑減小。

圖4 徑縮區應力分布

圖5 λ=1.2金屬流動規律

圖6 λ對坯料厚向應變的影響

以上模擬結果表明，對金屬流動規律有很大的影響，結論如下：①越大，金屬沿著厚向流動的趨勢減小；②相同的情況下，外料外徑越大，金屬沿著厚向流動的趨勢略微減小。

2.3 模具入角

在=1.2、中摩擦條件下對模具入角進行探究，圖7所示為不同對應的坯料厚向應變變化曲線。可以看出模具入角越小，金屬厚向應變越大，金屬更容易沿著徑向流動。在坯料縮徑過程中期望材料能更多地流向徑向，即模具入角要盡量小一些，但是若取值過小，在相同的徑縮量下，模具長度會大大增加，一方面模具尺寸需要增加，另一方面設備噸位也會增加，并且坯料縮徑量會因為模具尺寸受到限制。若取值過大，則旋鍛過程中需要很大的進給力，當進給力不足時，會出現鍛打過程中坯料難進給甚至是無法進給的現象。通常取值在4°～8°，保證金屬較多地沿著壁厚方向流動的同時，進給力不是很大。

圖7 入角對厚向應變的影響

金屬流動中性面是指金屬沿著軸向流動時，速度正負的分界面，中性面在一定程度上能夠反映出金屬流動情況，模具入角對金屬流動中性面有著很大影響。如圖8所示藍色與紅色的交界線即為中性面，速度正方向定義為鍛模運動的反方向，可以看出模具入角越小，中性面偏向水平；模具入角越大，中性面偏向豎直。

2.4 摩擦條件

旋鍛過程中，模具與材料之間有很高的壓力和相對滑動速度，容易產生劇烈的摩擦。摩擦影響整個變形區的應力和應變狀態，也影響變形力和變形功。如圖9所示為3種摩擦條件下的金屬厚向應變變化情況。可以看出，增加摩擦因數有利于金屬的厚向流動。這是因為模具與工件之間的摩擦越大，金屬的軸向流動就會被限制，從而更多的金屬沿著徑向流動。

如果要使金屬更多地向厚向流動，可以通過增加摩擦的方法。如果摩擦過大，在縮徑過程中金屬內壁越容易出現凸起現象。如圖10所示，代表了內壁最低點與最高點（右端邊緣點）之間的距離，能夠反映凸出起象的程度。可以看出，隨著摩擦因數的升高，值越來越大，說明凸起現象越來越嚴重。這是由于高摩擦限制了坯料外壁的金屬流動，但是內壁金屬流動相對自由，因為金屬流動得不均勻，便形成了這樣一種凸起現象。對于坯料無芯軸旋鍛工藝，內壁的凸起現象會嚴重影響成形質量，因此必須在旋鍛過程中降低模具與材料之間的摩擦。

2.5 縮徑過程中金屬流動規律綜合影響

坯料縮徑過程中有3種因素主要影響材料的流動規律，已經分別對3種因素的影響進行了單獨分析。為了能夠更加直觀地顯示3種因素對金屬流動規律的影響情況，可以將3種因素的影響效果綜合起來。

圖8 入角對中性面材料流動速度分布的影響

圖9 摩擦因數μ對金屬厚向應變變化的影響

圖10 縮徑過程中的凸起現象

Fig.10 Bulge in the shrinkage process

經過有限元數值模擬研究，在坯料縮徑過程中，，這3個因數對金屬的流動產生重要影響，圖11所示為3種因素對厚向應變的影響規律總結。可以看出決定了厚向應變曲線所在的區域，決定了該曲線向下部延伸的范圍，決定了向上部延伸的范圍。雖然摩擦與模具入角對于坯料縮徑過程中金屬流動規律有很大的影響，甚至影響范圍都大于坯料本身尺寸內外徑之比對金屬流動規律的影響范圍，但是實際生產中，摩擦條件一般并不會有很大波動，而且模具入角一般為4°左右，所以影響材料流動規律的因素往往就是材料外徑與內徑之比。

圖11 3個因數對金屬的流動影響

3 旋鍛縮徑金屬流動實驗驗證

為了驗證薄壁細長軸類零件縮徑過程中的金屬流動規律，針對數值模擬得到的縮徑過程中值對應變的影響規律，進行了鋼管旋鍛縮徑的實驗研究。

摩擦條件為混合中摩擦條件，模具入角為4°，分別準備不同尺寸的坯料，其中，分別設計2個數值，即1.5和2，當為1.5時，分別采用兩種不同尺寸的坯料。徑縮量分別設計為3%，6%和9%，徑縮量不宜過大，因為徑縮量過大時，材料縮徑過程中內孔表面會出現較為明顯的缺陷，影響測量結果。具體尺寸設計如表2所示。

表2 實驗坯料尺寸

Tab.2 Experimental billet size

分別測量不同尺寸坯料在3%，6%和9%縮徑量下的外徑與內孔尺寸。利用測量數據分別計算不同徑縮量下的三向應變值，從而得到金屬坯料的流動規律。如圖12所示為/=30/20以及/=18/12兩種不同坯料的金屬流動規律。兩種坯料雖然管徑尺寸不同，但是外徑與內徑之比是相同的。可以看出二者在軸向、環向和徑向的應變變化規律很接近。這一結果驗證了通過有限元模擬方法所得到的結論，即對坯料縮徑過程中金屬流動規律有著重要影響。

圖13給出了/=30/20的情況下實驗和模擬的結果對比，可以看出二者在分布規律上呈現出基本相同的結果，證明了數值模擬中結論的正確性。模擬與實驗曲線之間存在一定的偏差，這是由于實驗材料在客觀上可能存在一定的不均勻性，并且實驗中摩擦條件、進給速度等邊界條件與模擬中的設置還是存在一些差異。

圖12 旋鍛實驗測量結果

圖13 實驗與模擬對比

4 結論

通過有限元仿真和實驗相結合的方法，研究了薄壁細長軸旋鍛縮頸過程中工藝參數對金屬材料的流動的影響規律，為準確設計帶內臺階的薄壁細長軸類零件的旋轉鍛造用管坯提供了指導和依據，主要結論如下。

1）針對薄壁細長軸旋鍛縮徑的主要變形過程，在鍛造區域采用尺度為0.5 mm的細網格保證計算精度，在非鍛造區域采用大小尺度為0.94 mm的粗網格提高計算效率；按照模具鍛打速度50 mm/s，采用組合摩擦準則，在不同外內徑之比、摩擦因數、模具入角的工藝條件下建立了準確的旋轉鍛造2D有限元模型。

2）通過有限元數值模擬獲得3個參數分別對金屬流動的影響規律。其中，管料外徑和內徑之比越大，金屬的厚向應變越小，相同的情況下，外料外徑越大，金屬沿著厚向流動的趨勢略微減小；摩擦因數越大，金屬的厚向應變越大；模具入角越大，金屬的厚向應變越小。

3）采用45#鋼管材料進行旋鍛實驗，驗證了外徑和內徑之比對坯料縮徑過程的金屬流動影響規律，并將實驗結果與有限元模擬結果進行對比，具有非常好的一致性，驗證了模擬結果的正確性。

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Research on the Law of Metal Flow during the Rotary Forging Process of Thin-Walled and Slender Shaft Parts

WANG Ju-cun1, TIAN Tian-tai2, WU Xue-shen3, CAO Miao2, ZHANG Yi-sheng2, LI Shuang-quan1, ZHANG Qi2

(1. AECC South Industry Co., Ltd., Zhuzhou 412002, China; 2. School of Mechanical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China; 3. Military Representative Office of Aviation Stationed in Zhuzhou, Zhuzhou 412002, China)

In order to accurately design the billet for rotary forging of thin-walled slender shaft parts with internal steps, it is necessary to master the flow law of metal materials during the diameter reduction process. Aiming at the stepped hole in the thin-walled slender shaft, the method of combining finite element simulation and experimental verification was used to study the ratio of blank outer diameter/inner diameter, the mold entry angle and the influence law of conditions on the metal flow in the precision machining process of rotary forging. The larger the ratio of the outer diameter to the inner diameter of the pipe material is, the smaller the thickness strain of the metal is; the larger the friction factor is, the greater the thickness strain of the metal is; the larger the mold entry angle is, the smaller the thickness strain of the metal is. The laws obtained from the experiment and simulation results are basically the same, which effectively verifies the correctness of the simulation results.KEY WORDS: rotary forging; thin-walled slender shaft; inner step hole; law of metal flow

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.04.014

TG31

A

1674-6457(2021)04-0102-07

2021-03-29

陜西省自然科學基金青年基金（2019JQ-598）；材料成形與模具技術國家重點實驗室開放課題研究基金（P2020-014）

王聚存（1969—），男，研究員級高級工程師，主要研究方向為薄壁細長軸加工技術。

曹苗（1988—），女，博士，助理教授，主要研究方向為先進成形工藝及裝備。