环件径轴向轧制中轴向爬升机制与抑制方法研究

彭亚亚 宋亚东 曾旭东 钱东升

1.武汉理工大学，武汉，430070

2.张家港海陆环形锻件有限公司，苏州，215626

0 引言

环件轧制是一种先进的无缝环形零件连续的塑性回转成形工艺，相比于其他的环件制造技术有着节能、省材、精度高和内部组织致密的优点［1］。环件轧制分为径向轧制和径轴向轧制，其中，大型环件的生产都采用径轴向轧制技术。径轴向轧制工艺过程是由芯辊和驱动辊组成的径向孔型和上下两个锥辊组成的轴向孔型来实现的，芯辊直线进给，使环件壁厚减小，上锥辊向下进给，使环件高度降低，在径轴向孔型共同作用下，环件的外径增大。由于径轴向轧制的环件尺寸大，所以大型环件均采用卧式轧制的方式进行轧制。

由于径轴向轧制生产的环件尺寸较大，在重力和变形力的相互作用下，易使环件受力不均，导致轧制过程不稳定，主要表现为环件左右晃动和在径向孔型中向上爬升，其中后者称为爬辊现象。环件晃动会导致环件出现较大的圆度误差，而爬辊现象轻则使环件形位精度大幅降低，重则使环件产生扭曲变形而报废。由于轧制过程的稳定性直接影响生产出的环件是否合格，所以国内外学者在这方面做了大量的研究。Choi等［2－3］对轴向轧制过程中几何参量的控制进行了研究，提出了自适应优化方法；张淑莲等［4］对爬辊现象进行了初步的分析，提出了优化毛坯、调整设备和优化轧制工艺三种解决方案；Pan等［5］建立了导向辊运动的控制数学模型，为模拟轧制过程环件在水平面内稳定性控制提供了基础；Guo等［6］和Li等［7］在ABAQUS环境下建立了热力耦合模型，并通过液压力实现了对环件在水平面内晃动的实时柔性抑制。上述研究都集中于解决环件左右晃动问题方面，而有关解决爬辊问题的研究报道资料甚少。但在实际生产中，爬辊现象经常发生，浪费了大量的原材料、能源和人力，因此，对于爬辊现象的深入研究和有效抑制非常必要。

基于上述现状，本文对环件径轴向轧制过程爬辊产生机制和抑制方法开展理论研究，为实际生产避免产生爬辊提供科学依据。

1 环件受力分析

1.1 静态受力分析

径轴向轧制原理如图1所示。在实际环件径轴向轧制中，由于环件有自身的质量，所以会在轧制设备的芯辊两侧设置一个工作台来承载环件，相当于将环件放置在一个平面上。从其轧制原理图可知，轧制过程中，轴向孔型中的环件会受到来自上锥辊的一个向下的力Pa的作用，同时下锥辊对环件施加反作用力，在这两个力的共同作用下，环件局部产生塑性变形，降低了高度，而环件其他部分都未受到该作用力的影响。因此，轴向孔型中的环件部分存在变形量，该处的高度均低于其他部分，所以环件会以工作台上靠近锥辊这部分的边缘为支点，形成一个翻转力矩，其受力原理如图2所示。根据力学平衡原理，在位于径向孔型一端的环件部分上会产生一个向上的作用力，使环件在径向孔型中产生向上运动的趋势，促使环件沿轴向方向爬升。

图1 径轴向轧制原理图

图2 环件在静态下的受力示意图

1.2 旋转状态下的受力分析

环件的径轴向轧制成形过程是：驱动辊旋转，芯辊直线进给，在环件被不断咬入到径向孔型中的同时，上下锥辊共同旋转，上锥辊向下进给，不断地将环件咬入轴向孔型中。由此可知，环件是边旋转边长大的，并且依靠旋转速度和驱动辊及锥辊的转速配合来避免环件的中心偏离驱动辊和芯辊的连心线。

环件在出轴向孔型时，由于上锥辊的进给，使环件的高度降低，并且会在环件的径向上产生宽展，环件在被推出轴向孔型后，先推出部分的高度要大于后推出部分的高度，即图3a所示的H3＞H2＞H1，表明连续的径向宽展形成了螺旋向上运动的效果。同时，左右导向辊会根据环件中心偏离程度来对其施加作用力，确保环件在长大过程中的圆度。在径向孔型入口侧，环件的宽展部分受到导向作用力的影响，会产生一个向上的滑动摩擦力Fa，如图3b所示，使环件产生螺旋向上运动的趋势。而环件经过径向孔型后，径向宽展完全被整平，所以在径向孔型出口侧，环件和导向辊之间几乎没有向上的摩擦力。

图3 环件和导向辊作用示意图

此外，旋转状态下的环件在轴向孔型中的变形区分布在两锥辊之间平行母线的靠咬入方向一侧，如图4所示。由图4可知，环件在出径向孔型和咬入轴向孔型之间的部分，会被上下锥辊共同施加的作用力压住，使环件在该侧的轴向窜动受到有效的抑制，而处于轴向孔型出口侧至径向孔型入口侧之间的环件未受到类似作用力的影响。

图4 轴向孔型对环件作用示意图

1.3 抑制方法分析

由上述环件的静态和动态受力分析可知，在径轴向轧制过程中，环件会受到由上锥辊向下进给产生的翻转力、径向宽展和导向辊之间的摩擦力，以及锥辊旋转咬入环件时的压力的综合作用，该合力的作用点在径向孔型入口侧附近，方向向上。因此，将径向孔型入口侧的导向辊设计成有一定向下倾斜角度的锥辊（图5），使导向辊产生向下的分力Py，以便有效抵消上述合力，抑制环件的爬辊现象。

图5 有倾角的导向辊示意图

2 建立有限元仿真模型

2.1 模拟条件及模型

在ABAQUS/Explicit模块下建立有限元仿真模型，如图6所示。模型中的各项参数设置如表1所示。该模型中使用的材料是一种被广泛用于大型环件径轴向轧制成形的42Cr Mo钢，其物理属性在文献［8］中有详细描述，本构方程在文献［9］中列出。

图6 有限元仿真模型

表1 模型参数设置

2.2 模型的实验验证

为了验证所建立的有限元模型的可靠性，在张家港海陆环形锻件有限公司的RAM2000型径轴向轧环机上进行了环件径轴向轧制仿真模型的验证实验，如图7所示。实验过程中的轧制参数与模拟过程中的轧制参数一致。

图7 验证实验现场

整个轧制过程中的径轴向轧制力F的实验值和模拟值变化情况如图8所示。从图8中可以看出，实验所获得的数据与模拟值较符合，且变化趋势基本一致，两者在大部分轧制时间内的相对误差都不超过10%，最大相对误差分别为18.95%、18.45%，说明了该有限元仿真模型是可靠实用的。

图8 环件尺寸变化的模拟和实验结果比较

3 模拟结果分析与讨论

在环件径轴向轧制成形过程中，若控制稍有不当，就易出现爬辊现象，这种情况在数值仿真模拟中也经常出现，如图9所示。一旦出现爬辊，必然使环件出现扭曲，导致尺寸误差过大或报废。解决爬辊问题的方法是通过分析比较环件平整度、轴向稳定性和圆度的变化，获得最优的导向辊分布方式和形状。

图9 模拟过程中的环件爬辊现象

3.1 不同导向辊分布方式对轧制成形的影响

为了验证环件爬辊现象产生的力学机制，研究导向辊倾角对环件径轴向轧制过程的影响规律，设置了一组除导向辊倾角外，其他各个参数一样的模拟模型。具体的4种分布方式为：①径向孔型两侧导向辊的倾角都为0°；②径向孔型两侧导向辊的倾角都为5°；③径向孔型进口侧导向辊的倾角为5°，出口侧导向辊的倾角为0°；④径向孔型进口侧导向辊的倾角为0°，出口侧导向辊的倾角为5°。下面通过数值模拟来分析比较这4种导向辊分布方式对环件径轴向轧制过程的影响，从而获得最优的分布方式。

（1）环件平整度变化。环件的平整度p是指轧制完成后，环件上端面外径处y坐标的最大值与最小值之差，即平整度p＝max（y）－min（y），该值越小，说明环件越平整。通过对模拟结果的分析，整理得到的不同导向辊分布方式下的环件平整度数据如表2所示。由表2数据可知，导向辊组合方式①、④和②、③的环件平整度大小基本相同，但方式②、③的平整度要远优于①、④的平整度，导向辊组合方式②、③轧制出的环件精度要明显优于方式①、④的环件精度。

表2 不同导向辊分布方式下的环件平整度

（2）对环件轴向稳定性的影响。环件轧制过程的轴向稳定性可以用环件上端面外径处任意一点的y值在轧制过程中的变化情况来体现。不同组合方式的导向辊对环件轴向的稳定性影响明显，如图10所示。在轧制过程中，环件上某点的坐标值y都是先减小后增大的，因为该点在每次经过轴向孔型时，其位置最低，出轴向孔型后，环件逐渐会被托支撑往上翘，环件直径越大，这种往上翘的现象越明显，其变化规律在图10中表现得尤其明显。在轧制前期，不同轧制方式下的环件某点的坐标值y变化情况基本一致；但在轧制的后期，尤其是环件直径迅速长大的时候，方式①、④的y值波动非常大，说明此阶段环件上下窜动比较严重；但方式②、③变化情况和轧制前期差别不大，表明在径向孔径入口侧的导向辊只要有倾角就能有效抑制环件向上运动的趋势。

图10 不同导向辊倾角分布方式下的环件轴向稳定性曲线

（3）椭圆度变化。椭圆度e指在环件轧制过程中的环件外径距离环件等效中心的最大值和最小值之差。在环件径轴向轧制过程中，由于环件的尺寸较大，所以每转的进给量也会较大，这种大进给量会使环件不同部位存在较大的壁厚差，再加上控制误差，会导致环件在轧制过程中存在明显的椭圆度。环件在不同倾角导向辊轧制过程中的椭圆度变化规律如图11所示。图11各曲线的变化显示，环件在轧制过程中椭圆度的变化规律可以分为3个阶段：第1阶段为环件被咬入径轴向孔型，此阶段环件在变形力的作用下，开始产生壁厚差，整个阶段，环件的椭圆度迅速增大；第2阶段为环件稳定轧制阶段，此阶段环件的椭圆度持续增大，但是比较缓慢，而且有呈阶梯式增长的现象，随着椭圆度的增大，导向辊受力增大，促使环件椭圆度减小，从而有效阻止环件椭圆度增大的趋势，但随着环件外径的增大以及外径增速的提升，每转的进给量会逐步增大，因此，椭圆度在被有效抑制后又会缓慢地增大；第3阶段为整圆阶段，此阶段环件径轴向进给速度逐步减小至0，所以环件的椭圆度会迅速减小，最终环件的椭圆度会减小至2～4mm之间。

图11 不同倾角导向辊下的环件轧制椭圆度变化规律

比较图11各曲线可以发现，不同倾斜角度的导向辊分布方式对环件椭圆度的变化影响不大，方式1、4下的环件轧制椭圆度变化相比方式2、3的变化波动稍大。

综上所述，在环件径轴向轧制中，不同分布方式的导向辊，其对轧制过程具有不同的影响，尤其是对环件轴向上的稳定性和精度有较大的影响，验证了前述环件在轴向受力情况的理论分析。

3.2 不同导向辊倾角对轧制过程的影响

径向孔型入口侧的导向辊倾角对环件在轴向上的稳定性和精度控制效果非常明显。为了进一步得到最优的导向辊倾角大小，设置一组其他参数相同，径向入口侧导向辊倾角分别为2.5°、3.5°、5°、6.5°、7.5°的模拟模型。通过模拟分析，比较不同倾角对环件径轴向轧制过程的影响，从而获得最优的导向辊倾角大小范围。

（1）环件平整度变化。图12所示为不同导向辊倾角下的环件平整度曲线。从图中可以看出，当倾角为3.5°时，环件的平整度最好；当倾角小于3.5°时，导向辊对环件的作用力在垂直方向上的分力不足以与环件上向上的合力相抵消，当倾角大于3.5°时，因上述分力过大，锥辊在轴向孔型入口侧的压力会以工作台边缘为支撑点，使环件产生轻微的弯曲形变而降低平整度，且随着倾角的增大，这一效果会更明显。

图12 不同导向辊倾角下的环件平整度曲线

图13 不同导向辊倾角下的环件轴向稳定性

（2）对环件轴向稳定性的影响。从图13所示的各曲线变化情况可以看出，导向辊倾角对环件轧制过程中的轴向稳定性影响作用较小，但是当这个倾角在2.5°时，在轧制不同导向辊倾角下的环件椭圆度变化曲线后期，会由于环件外径的增大以及增大的速度过快而出现比较明显的波动，这表明倾角在2.5°时导向辊产生的垂直向下分力不足以将环件上向上的合力完全抵消。

（3）椭圆度变化。图14所示为不同导向辊倾角下环件椭圆度变化曲线，从图中可以看出不同的导向辊倾角，对环件的椭圆度变化影响不大，也从另一个方面验证了导向辊的倾角有利于轧制过程的稳定性控制。

图14 不同导向辊倾角下的环件椭圆度变化

4 实验验证

如前所述，在张家港海陆环形锻件有限公司进行环件轧制时，在其轧环机入口侧向辊固定支架上增加了一个垫块，使原本垂直水平面的导向辊工作面向内侧倾斜了3.5°左右。图15为实验过程现场。图16为轧制实验获得的环件。实验过程中，径向孔型中的爬辊趋势得到了明显的抑制，轴向振动减小，整个过程稳定可控。表3数据显示，当外径处的椭圆度控制在环件外径的0.1%左右且平整度控制在环件高度的1%左右时，轧机能轧制出形位精度非常高的环件。实验结果再次验证了本文理论分析和模拟结果的正确性。

图15 轧制实验现场

图16 轧制实验产品

表3 实验过程中环件的基本参数 mm

［1］华林，黄兴高，朱春东.环件轧制理论和技术［M］.北京：机械工业出版社，2001.

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