異形環軋件表面線狀缺陷分析與仿真優化研究

張國進，孟 陽

（西安航天發動機有限公司，陜西 西安 710021）

1Cr21Ni5Ti 是仿制前蘇聯эи811 不銹鋼生產的奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼，它結合了奧氏體不銹鋼的優良韌性和焊接性與鐵素體不銹鋼的較高強度和耐蝕性能，良好的工藝和力學性能[1]。可替代1Cr18Ni9Ti 應用于耐氧化腐蝕并要求較高強度的設備部件，如航空發動機殼體和火箭發動機燃燒室外壁、法蘭盤、主導桿等關鍵件[2]。該鋼已有多年的使用歷史，大量采用鍛件進行加工，鍛件具有優良的機械性能，可有效改善材料的內部組織，使得零件內部金屬流線能有均勻的隨零件結構分布，充分發揮出材料的各項性能。而異形環件傳統方法通過鍛造擴孔獲得鍛件，再由機械加工手段進行切削成所需形狀，這種方式一方面使得金屬的原始流線被破壞，大大降低了異形環見的機械性能。另一方面降低了材料的利用率，增加了生產周期。若采用異形環輾環工藝成形，最大程度上減少機械加工余量的同時提高了生產效率和材料利用率。同時獲得的異形環件性能較好。

零件為回轉體結構，內外圓均帶有斜度，將鍛件設計為內外圓帶斜度的異性面回轉體，使鍛件結構接近零件結構，減少工藝輔料的分布，前期外協生產時，鍛件表面常有折疊、裂紋等缺陷，廢品率較高，現通過數值模擬分析尋找缺陷產生原因、機理及危險點，通過逆向仿真優化，使材料更易充型，避免折疊、裂紋等缺陷。

1 異形環鍛件結構及缺陷

生產的異形環件在對兩側端面進行機加工時，發現其中4 件零件的一側端面有類似裂紋類線性缺陷存在。該零件材料為：1Cr21Ni5Ti，原材料狀態為?300mm×695mm 棒材，領料檢查后進行鍛造，工藝流程為：鐓粗→沖孔→擴孔→輾環。鍛造工藝為：預熱700℃，加熱1100℃，終鍛溫度≥850℃。鍛件最終狀態如圖1 所示。

異形環鍛件的結構如圖所示，鍛件上端面內外徑分別為?920mm、?1052mm，下端面內外徑分別為?970mm、?1102mm。鍛件總高度為190mm。鍛件在機械加工過程中，上、下端面去除約10mm，上端面外徑單邊約11mm，內徑上端面約單邊8mm。機械加工時在上端面發現缺陷位置見圖1，端面表面肉眼可見的裂紋進行超聲波探傷，發現裂紋可探深度4mm～7.1mm。宏觀形貌如圖2 所示。

圖1 缺陷的產生位置

圖2 缺陷的宏觀形貌

2 成形過程分析及模型簡化

2.1 成形設備及模具裝配

模具包括芯輥、芯輥套、主輥、連接鍵、壓套、壓套螺母等零件，成形設備及裝配、芯輥套和主輥的模具圖如圖3、圖4 所示。

圖3 1M輾環機設備

圖4 模具裝配

2.2 成形過程及模型簡化

制環坯過程為鐓餅—沖孔—擴孔—成形。生產過程中制坯外徑為880mm，高度控制在183mm±2mm。在60kN 自由鍛電液錘鐓餅、沖孔，如圖5 所示，2M雙向輾環機擴孔成形預制坯，該設備可有效控制環件高度尺寸。最終輾壓成形在1M輾環機上進行。現結合實際情況對成形設備及模具進行模型簡化，芯輥套、主輥、制環坯鍛件示意圖如圖6 所示。

圖5 模型簡化裝配圖

圖6 制環坯鍛件圖

采用逆向仿真方法，在滿足實際工況的約束前提下，從鍛件的尺寸和狀態逆向推出成形路徑。本文對缺陷進行分析，并通過DEFORM-3D 軟件進行數值模擬并逆向分析找出原因并優化成形過程，避免該類問題復現并找出成形的最優路徑。

3 分析與討論

3.1 成形中缺陷產生理論分析

通過實際工況可知，鍛件成形過程中，鍛件上端面外沿先與驅動軸接觸，下端面內沿先與芯軸接觸，受力情況如圖7 所示。芯軸向內側擠壓，同時驅動輥逆時針旋轉，形成順時針力矩，他們的綜合作用使得鍛件在成形過稱中有側向上升趨勢，一方面在與驅動輥上沿接觸后產生刮蹭現象；且成形結束容易使得環件端面表面形狀蝶形，出現蝶形缺陷，如圖8 所示。

圖7 環件初始階段受力示意圖

圖8 鍛件圖

由圖8 可知，鍛件的下端面內孔邊緣處出現毛刺缺陷，毛刺缺陷在環件鍛件軋制中較為常見，產生原因較多。該環軋屬于半封閉性軋制，產生毛刺的原因可分為兩方面：①驅動輥與芯軸間隙過大，導致鍛件成形過程中，環件軸向流動進行間隙形成毛刺；②驅動軸進給量相對較小，在環件軋制變形中變形集中于內外表面，金屬流動有軸向趨勢，且設備使用時間過長，放置環件的托料板位置高低不平，如圖9 所示，因各種影響因素相互交錯，致下端面產生較多毛刺缺陷。

圖9 托料板

3.2 優化制坯設計

預制坯設計的依據是環件鍛件圖和體積不變條件及環件軋制金屬流動規律。由于環形鍛件為等壁厚的異形截面環件，金屬的徑向流動可近似為等速等量，可將預制坯設計為矩形截面環件毛坯，預制坯內外徑尺寸依據公式（1）計算獲得：

式中：d0、D0、B0分別為預制坯的內徑、外徑和高度；d、D 為成形環件的最小內徑、最大外徑；B 為成形環件的高度；K 為輾擴比。取K 值為1.2，計算得出預制坯的內徑為?660mm，外徑為?880mm，高度為184mm。為防止軋制成形時輾壓輥端蓋刮傷鍛件，及預制坯較易進入輾壓輥，將預制坯高度減小5，最終得到的擴張段I 段外壁后段環形鍛件預制坯尺寸為?940/?732×179mm。

3.3 數值分析

對異形環成形過程進行仿真分析。為深入分析成形過程中鍛件的應力、應變及損傷，在環件毛坯橫截面選擇5 個點進行追蹤以反映異形環件在成形過程中各不同部位的應力、應變及材料流動等，具體分布如圖10 所示。

圖10 環件截面點

圖11 為鍛件成形后與驅動輥和芯軸的接觸狀態及充型狀態，圖中沿邊界不同點為環件與模具接觸節點，由節點可知，工件與模具已完全接觸，中間沒有間隙，其中下面有輕微“魚尾”與實際生產相符，上端面外沿出現凸峰與前分析相吻合，下端面內側有毛刺也和前文分析相一致。

圖11 環件成形接觸關系

圖12、圖13 為該環形鍛件的等效塑性應變變化曲線及截面等效塑性應變分布圖。圖14、圖15 為該環形鍛件的最大主應力變化曲線及截面最大主應力分布圖。通過對環形鍛件進行等效應變分析能夠了解環軋過程中不同部位在軋制中的變形情況，明晰環軋過程中金屬流動過程。所以在該異形截面環件軋制過程中，應變接觸部位主要集中在環件與軋輥接觸的部位。

圖12 環件的等效應變

圖13 截面等效應變分布

圖14 環件的最大主應力

圖15 截面最大主應力分布

由圖可知環件的上端面外測和下端面內側的應變值及最大主應力均較大，由于環件成形過程中，鍛件上端面外沿、下端面內先與芯軸接觸，成形過程中相對位置的應變較大，其他位置相對較小且一致。在軋制初始階段為鍛件整形階段，上端面軸向內側擠壓和旋轉所形成順時針力矩影響，他們的綜合作用使得鍛件在成形過程中有側向上升趨勢，與驅動輥產生摩擦導致壓應力急劇變化。在整形階段完成后進入軋制階段時進入穩定狀態。

圖16～圖19 為該環形鍛件的損傷、折疊角變化曲線及分布圖。對環形鍛件的損傷值及折疊角分析可以了解成形過程中金屬流動的危險點和缺陷易發處。由鍛件的損傷值和折疊角結合實際工況分析可知，軋制初始階段為鍛件整形階段，軸向跳動較大，再加上鍛造因加工或裝配問題導致驅動軸軸向跳動較大，此時若驅動軸進給量相對較小，在環件軋制變形中變形集中于內外表面，金屬流動有軸向趨勢。環件產生毛刺，隨著環軋進行，毛刺積累，下端面損傷值變大，折疊角最大值也存在于該處。實際該異形環鍛件成形時主輥的上蓋板刮傷鍛件上端面現象，毛刺過多，毛刺嵌入鍛件本體，下端面因毛刺產生加上托料板不平整導致端面毛刺淤積，可能影響到后續鍛件的加工。異形環件成形過程金屬流動及環件與模具之間的接觸關系復雜，在實際生產過程中不能達到最理想成形狀態，波浪形（魚尾）、橢圓度、蝶形等缺陷均對材料消耗，如圖20 所示。鍛件在實際生產中的缺陷在實際的生產中可通過后續機械加工予以去除。

圖16 環件的損傷值

圖17 截面損傷分布

圖18 環件的折疊角

圖19 截面折疊角分布

圖20 環件軋制缺陷與材料消耗增加量的關系

經過理論及模擬分析可知，在考慮現有的生產實際工況和成形設備條件等的約束下，因無端軋，鍛件上端面處于自由狀態，所以受到力矩作用，異形環件上端面外沿與驅動輥刮蹭現象無法避免。但通過仿真分析，在保證形狀尺寸能夠保證的前提下，對鍛件中間過渡尺寸進行優化制坯環件時將外徑調整為?940mm，高度不變。可有效減少缺陷產生。對理論分析進行有效性驗證，成形過程如圖21 所示。鍛件冷卻后如圖22 所示。最終經過測量尺寸滿足要求，且上端面刮蹭現象變弱，下毛刺大幅度減少。在余量不變的情況下，機械加工余量充足，性能滿足要求。

圖21 環件的折疊角

圖22 優化后鍛件

4 結論

（1）環件上表面的線狀缺陷為環軋過程中因上端面刮蹭驅動輥導致的折疊缺陷。

（2）折疊缺陷產生于終鍛成形階段，由端面“魚尾”和驅動輥刮蹭交互作用逐步轉變為折疊缺陷。下端面由成形過程中芯軸進給與驅動軸旋轉配合、下端面內側毛刺與托料板不平整交互作用導致有毛刺粘結形狀環狀缺陷。

（3）通過對異形環件輾環成形進行數值模擬分析，有效復現和預測了工藝生產過程中的產生缺陷的原因和金屬材料內部問題，優化了異形環件輾環成形的工藝方案。

（4）通過仿真數值模擬分析，在保證鍛件形狀充滿及性能的前提下優化鍛件過渡尺寸，減少芯軸軸向進給量，可有效減少缺陷產生；再結合粗車后進行超聲波在上下端面檢查等手段，可有效避免此類缺陷導致零件報廢。