厚壁空心件辊锻工艺的模拟及应用

文/刘化民，王磊·吉林大学辊锻工艺研究所

厚壁空心件辊锻工艺的模拟及应用

文/刘化民，王磊·吉林大学辊锻工艺研究所

辊锻是指将模具装在一对相向旋转的锻辊上，借助模具型槽对坯料作用使其产生塑性变形，从而获得所需形状的零件的加工方法，该方法具有设备吨位小，生产效率高，工件尺寸稳定等优点。近些年，对辊锻工艺的研究及其数值模拟研究已成为热点。刘桂华等通过对坯料在圆-椭圆-圆型槽系中的制坯辊锻变形过程的模拟，分析不同变形参数和型槽结构对应力应变的影响。朱春东、王辉借助有限元软件模拟拉杆辊锻制坯全过程，模拟结果表示辊锻过程预锻力、终锻力和应变均不大，成形了无飞边、无毛刺的坯料，证明辊锻制坯是一种高效率、低投资的制坯手段。S.Urankar等对空心件楔横轧的临界摩擦值进行讨论，得出管坯被压碎与管坯材料、壁厚和断面收缩率有关系。秦敏、李继光等通过DEFORM-3D有限元模拟分析了空心车轴的径向锻造。

随着市场对空心件需求的增多，人们正在寻求一种高效率、低投资的厚壁空心件成形方法。但目前对厚壁空心件辊锻工艺的研究仍较少，相关文章还未见报道。本文采用DEFORM-3D有限元软件对厚壁空心件的辊锻过程进行数值模拟，为厚壁空心件辊锻生产提供参考。

模拟参数设置

模拟是借助DEFORM-3D有限元软件完成的，几何模型是在CATIA中构建的。管坯材料为40Cr，模具材料为SCrNiMo。毛坯与模具之间的摩擦类型为剪摩擦，摩擦因子取0.25。为了模拟实际操作的机械手，设置管坯只沿X轴方向运动。工件的初始温度为1050℃，壁厚为4mm，辊锻模温度为20℃，坯料的初始网格单元42636个，节点10183个。辊缝距离为2mm，公称直径是400mm，锻辊的角速度为4.19rad/s，模拟共两道次，且每道次辊锻后工件需翻转90°后方可进入下一道次。

如图1a所示为第二道辊锻件形状，可以看出方截面或圆截面在Z轴方向的尺寸较Y轴方向大，表1同样显示工件方截面或圆截面在Z轴方向的尺寸较Y轴方向大约2mm。

图1 工件成形效果图

为了解决典型截面形状在Y轴与Z轴方向尺寸不一致问题，消除辊缝对空心件辊锻过程的影响，增加整形辊锻，即第二道辊锻后使工件沿轴线翻转90°后重新进入第二道辊锻模的型槽，并保持与模具的接触位置与前两道次一致，从而提高辊锻件尺寸的精度，如图1b所示整形后的辊锻件形状，典型截面形状在Y轴与Z轴方向的尺寸问题有明显的改善，详细见表1。

■表1 典型截面几何尺寸对比 （单位：mm）

模拟结果分析与讨论

成形质量及等效应变分析

⑴第一道次辊锻。圆管坯通过椭圆型槽成形，沿着管坯的长度方向对毛坯进行体积分配。圆-椭圆的型槽周边均由弧线构成，能使管坯周边和截面形状平稳的转变，有效防止局部应力和缺陷的发生。同时，在辊锻时，由于工件内表面与模具不接触而处于自由状态，管坯辊锻的延伸率很小。因此，在椭圆型槽中辊锻圆管坯时延伸系数很小。图2a所示成形后辊锻件形状，从图中可看出管坯内外表面成形尺寸合理，成形效果较好，圆截面与椭圆截面的过渡段均匀光滑，但管坯长度几乎没有变化，延伸量约0.58mm。图3a所示椭圆截面的等效应变分布状态，等效应变值都在0.1mm/mm左右。

图2 各道次工件效果图

⑵第二道次辊锻。辊锻件沿轴线旋转90°后进入第二道模具型槽，并保持辊锻件与模具的接触位置与第一道次的接触位置一致，工件前端同样必须加以约束，否则辊锻件会发生弯曲，如图2b所示第二道次的辊锻件。如图3b所示圆截面等效应变分布状态。可以看出变形较大的区域发生在贴近辊缝的内表面附近，等效应变最大可达0.6mm/mm；从方截面等效应变分布状态可以看出，变形较大部位在工件内表面四个圆角处，最大等效应变值为0.75mm/mm，如图3c所示。第二道次管坯的延伸量较大，约5mm。

⑶整形辊锻。内表面随着外表面成形而进一步成形，不同截面间的过渡光滑，且成形精度较高，如图2c所示整形后辊锻件。如图3d所示圆截面的等效应变分布状态，可以看出变形较大的区域依然发生在贴近辊缝的内表面附近，最大等效应变值0.6mm/mm。如图3e所示，方截面等效应变分布状态表明变形较大区域发生在工件的四个圆角处，变形最大的是贴近辊缝的两个圆角处，最大等效应变值0.9mm/mm，等效应变最大区域也是最容易产生缺陷区域，这对于实际生产中缺陷的预测是有帮助的。

图3 典型截面的等效应变分布状态

辊锻工步分析

管坯以中间咬入方式开始第一道次辊锻，由于管坯刚开始和轧辊的接触位置是近似线接触，摩擦力很小，难以产生纵向延伸变形，所以管坯最早发生压扁变形。压扁变形的过程中，管坯横截面积并没有变化，仅是在模具的径向压力下管坯径向高度减小，在横向上宽度增加，而壁厚没有发生变化，如图4a所示。

图4 各道次工步图

管坯沿轴线翻转90°后进入第二道次辊锻模型槽。该道次椭圆截面的管坯主要经历三种成形过程，一是从椭圆截面段到圆截面段的成形；二是从椭圆截面段到方截面段的成形，最后圆截面和方截面的过渡段成形。从图4b可以看出，管坯同样先发生压扁变形、宽度增加，然后发生延伸变形，延伸量为约5mm，过渡段成形效果较好，但成形段截面在Y轴和Z轴方向尺寸不一致。

整形辊锻，主要针对第二道次辊锻的尺寸精度较低、典型截面形状不规则等缺陷问题进行一些局部的金属体积再次分配，抵消辊缝在Y轴和Z轴方向引起不同影响效果，使尺寸精度提高，典型截面形状更加规则，如图4c所示整形辊锻工步图。

温度的影响

实心件辊锻原理表明，随着辊锻温度的升高，实心件延伸系数会增加，这是由于辊锻过程中温度的变化会导致工件表面氧化层成分的变化，进而引起摩擦系数的变化，最后影响实心辊锻件的延伸量。因此，减少或避免辊锻过程中温度的波动，对稳定辊锻件的长度及宽度尺寸具有重大意义。以温度为变量，模拟厚壁空心件在800℃、900℃、1000℃、1050℃、1200℃下的辊锻情况。对于热辊锻的第一道次，温度几乎不影响空心辊锻件的延伸，而在热辊锻的第二道中，温度对空心辊锻件的延伸有一定的影响，引起辊锻件长度及延伸量的波动，但波动区间较小，延伸量一般在5.5～6.5mm，如图5a所示。图5b所示辊锻温度对空心件展宽量的影响曲线，在第一道次中，温度对空心件的展宽量影响较小；与之相比，在第二道辊锻过程中，温度对空心件的展宽量影响较大，展宽量多数在6～8.5mm波动，当坯料被加热到900℃时，展宽量最大，约8.5mm。

图5 温度对空心件辊锻的影响

图6 壁厚对空心件延伸量、展宽量的影响

壁厚的影响

管坯壁厚与延伸量的关系曲线如图6a所示。在椭圆型槽辊锻过程中，由于壁厚增加，径向及横向阻力增大，展宽量减小，促进金属纵向延伸，从而表现出圆管坯的延伸量随着壁厚增加呈线性增加趋势。在第二道模型槽内辊锻，椭圆管坯的延伸量随着壁厚的增加而增加。壁厚为4～8mm，延伸量增加迅速；壁厚为8～12mm，延伸量增加缓慢。管壁厚与展宽量的关系曲线如图6b所示。在椭圆型槽辊锻过程中，因为金属沿型槽横向流动的阻力增大，展宽量减小，所以圆管坯的展宽量随着壁厚增加而减小，在由圆截面段、方截面段及其过渡段组成的型槽内，椭圆管坯的展宽量随着壁厚的增加而呈线性增加。

摩擦系数对辊锻工艺的影响

对于实心件，延伸量随着摩擦系数增大而减小，且不同的摩擦系数对辊锻件延伸量的影响较大。实际生产时常发现以下两种情况：

⑴使用润滑剂会降低摩擦系数，从而辊锻出延伸较长的工件。

⑵有些辊锻模具由于使用时间较长，型槽磨损严重，导致模具型槽的表面粗糙，摩擦系数增大，导致金属纵向延伸的阻力增大，常会出现辊锻后坯料延伸不足的现象。如图7所示摩擦系数对厚壁空心件延伸量的影响曲线，表明圆管坯在椭圆型槽中辊锻时延伸很小，延伸量均不到1mm；第二道辊锻的延伸量较第一道大，延伸量约5～6mm。

图7 摩擦系数与延伸量的关系

工艺试验

在D42-400双支承辊锻机上进行该厚壁空心件辊锻试验，试验所用的模具，如图8所示。

如图9所示为试验产品与模拟产品，可以看出试验产品的金属在型槽内流动性、均匀性较好，过渡段成形质量良好，没有出现飞边现象，与数值模拟结果基本一致。

图8 厚壁空心件的辊锻模具

图9 试验产品与模拟结果对比

结束语

以上通过DEFORM-3D软件模拟了厚壁空心件的辊锻，通过对比试验结果和模拟结果，表明借助DEFORM-3D的数值模拟可准确地预测空心辊锻件的成形效果，为厚壁空心件辊锻工艺及模具设计提供了有效的参考依据，并形成以下结论供参考：

⑴由于两道次辊锻每道次压下量过大导致工件成形质量差，通过增加整形辊锻，典型截面段的尺寸精度有明显的提高。

⑵第一道次辊锻，管坯延伸量较小，壁厚没有增加。摩擦系数对厚壁空心件及实心件辊锻延伸影响较小，温度几乎不影响空心辊锻件的延伸，随着管坯壁厚的增加，延伸量呈线性增加，而展宽量呈减小趋势。

⑶第二道次辊锻，管坯延伸量较大，约5mm。摩擦系数对实心件延伸量影响较大，随着摩擦系数的增大，实心件延伸量迅速减小，如摩擦系数从0.1增大到0.6时，延伸量相应地从16mm减小到8.5mm，而对空心件的延伸量几乎没有影响；温度对空心辊锻件的延伸有一定的影响，引起辊锻件长度及延伸量的波动，但波动区间较小，延伸量一般在5.5～6.5mm；随着管坯厚壁的增加，延伸量与展宽量均增加。

刘化民，工学博士，中国科学院博士后，吉林大学辊锻工艺研究所教授。主要研究方向为辊锻工艺、锻造工艺、冷弯型钢。共完成国家、部省级科研项目12项，企业委托项目30余项，获部省级二等奖3项。