外方内圆型锻件环轧工艺研究

赵晓光，肖 佳，张明桥，杜力军，张 令

（贵州航天新力铸锻有限责任公司，贵州 遵义 563003）

如图1所示外方内圆型零件是石化行业某类压力容器中的重要零件，处于高温高压强腐蚀的工作环境中，随着压力容器设计要求的不断提高，对外方内圆型零件的综合性能提出了更高的要求。长期以来，对于该零件一直采用锻造成大余量的环形零件，然后通过机械加工的方法进行生产制造，这种方法不仅材料浪费极大，加工工时较长，而且造成了锻件金属流线被切断，零件内外相对较致密的区域被加工掉，造成零件的综合力学性能降低，使用寿命减短等问题，生产效率极低，难以满足压力容器的设计要求和工程进度要求。为了解决现有工艺方法存在的不足，本文提出一种全新的工艺思路，通过锻压机出坯，然后借助模具，利用辗环机进行轧制，从而实现该零件金属随产品形状分布，减少机械加工余量，提高产品质量，减少机械加工工时，提高生产效率。

图1 外方内圆零件图

1 外方内圆型零件的技术要求

外方内圆型零件的力学性能如表1所示。其金相检验标准，锻件晶粒度要求为3～5级；非金属夹杂物要求：A类≤1.5级，B类≤1.0级，C类≤1.0级，D类≤1.0级，A+B+C+D≤3.5级。其无损检验之液体渗透检验验收标准（出现下列缺陷判为不合格）：①线性迹痕；②尺寸超过3mm的非线性迹痕；③边缘间距小于3mm的3个或3个以上排列成行的迹痕；④在100cm的矩形表面上有5个或5个以上密集型迹痕。超声波检验验收标准：①直波检验：可记录信号范围和合格界限应为NF A 04-308当量直径法规定的质量3级要求。②斜波检验：回波幅度超过参考高度50%的任何信号予以记录；回波幅度超过参考高度的任何信号判为不合格。

表1 锻件力学性能

2 成形工艺方案的制定

2.1 锻件图及坯料的确定

从图1形状尺寸和材料性能等方面分析，该锻件利用环轧成形存在两方面的难度，一方面是在轧制过程中锻件的充满情况，由于材料为耐热合金，变形温度范围窄，变形抗力大，可能会存在四角不容易充满的情况；另一方面是零件的厚度不均匀，在轧制过程中可能会存在旋转不平稳的现象。针对此种情况，制定出如图2所示坯料。

图2 坯料图

2.2 轧制模具尺寸的设计

由于零件形状为外方内圆，要实现在辗环机上旋转，必须使坯料与主辊和芯辊接触部分为圆形，因此，设计出如图3所示模具图。

图3 模具图

3 辗环工艺数值模拟

3.1 建模

根据模具设计和坯料制定出的具体尺寸，对模具和坯料进行实体建模。首先在SolidWorks 2011中建立坯料和模具的三维图形并事先完成坯料和模具之间的装配，然后将图形保存为stl格式文件，最终导入DEFORM 3D。由于轧制过程时间较短，因此本文简化建模模型，不考虑坯料和环境、坯料和模具之间的热交换。

3.2 DEFORM 3D参数设置

3.2.1 网格划分

合理的网格划分可以提高求解的精度并有效的降低运算量，网格大小的选择以保证精度、尽量降低运算量为原则。基于此，选择1/4模型进行网格划分和模拟运算，使用系统自动划分网格功能，将坯料划分为25000个网格。

3.2.2 材料属性

DEFORM 3D有较完整的材料数据库，根据工厂实际生产经验，选择与该零件材料性能和流动性接近的316LN不锈钢作为坯料的材料，温度设置为1150℃，模具设置为不产生形变的刚体。

3.2.3 对象间的关系

摩擦方式设置为剪摩擦，取摩擦系数为0.7，模具同坯料之间的容差设置为0.0001

3.2.4 控制的设置

模拟过程中，模拟计算步长的设置是很关键的，DEFORM 3D规定了两种计算步长的方式，分别由时间和模具行程来决定。根据产品的变形特性，本文采用模具行程来控制。

完成建模后，生成数据库文件，退出前处理模块，进行模拟计算。

从第一次模拟结果看，坯料的流动性和模具的充填性比较好，但是过程中存在模具和坯料旋转不平稳的现象，尤其是当旋转至四角位置时，会出现比较大的抖动，从最终的模拟结果来看，四角存在局部凹坑的现象。经过分析，认为这与轧制速度和芯辊直径的大小存在关系，因此，增大轧制速度，同时在芯辊上增加模套，增大芯辊直径进行第二次模拟，从最终模拟结果来看，比较有效的解决了第一次模拟过程中存在的问题。

4 工程试验验证

由于轧制成形过程的计算机模拟是在理想状态下进行的，坯料和模具之间的摩擦系数、高温下的材料特性和实际情况有一定的差异，所以计算机模拟并不能完全取代工程试验验证，只有通过工程试验验证才能说明模拟结果是否可靠，并根据工程试验来修正工艺参数，达到指导产品生产的目的。

按照计算机模拟结果，制定出模具尺寸和坯料尺寸，在公司4000t水压机上进行出坯，然后在数控辗环机上进行辗轧制。

经检验发现，试验件存在一些小的缺陷，高度上轧制出了飞边，导致锻件出模存在困难，同时锻件四角缺少材料，由于缺料情况并不严重，致使在进行数值模拟时没有表现出来，由于轧制参数控制的不好，导致试验件轧制出飞边。

5 参数优化并批产

根据计算机模拟和工程试验的结果，修正了模具倒角和轧制速度参数，然后又进行一件生产，经检查，尺寸满足要求，随后进行了性能分析和探伤检查，结果满足要求，由此定型工艺，开始批量化生产。

6 结论

（1）通过利用DEFORM 3D软件进行数值模拟，大大减少了工程试验的周期，大大提高了工程试验成功的可能性，对生产实际起到了比较重要的指导作用，同时也节省了生产成本，但不能完全取代工程试验的验证。

（2）利用辗环机环轧的原理，辅助工装模具，实现了方形件的环轧工艺，对锻件的生产是一种全新的工艺思路，大大提高了产品的质量，提高了生产效率，降低了生产成本。

[1]华 林，主编.环件轧制理论和技术.北京：机械工业出版社，2001.

[2]中国锻压协会，编.特种合金及其锻造.北京：国防工业出版社，2010.

[3]张清玉，等.稳压器下封头成形工艺的研究.锻压技术，2002，（4）.

[4]姜 涛，等.基于DEFORM的大型封头整体锻造工艺数值模拟.压力容器，2005，26（2）.

[5]刘飞飞，等.基于DEFORM的异种金属管复合塑性流动连接过程数值模拟.热加工工艺，2010，39（7）.

[6]付有余，等.压力容器用大型锥形环锻件自由锻造新工艺.大型铸锻件，2010，（1）.

[7]杨立权.衬套冷挤压成形数值模拟分析与模具设计.煤矿机械，2012，（7）.

[8]许 雯.计算机技术在环件轧制中的应用.锻压装备与制造技术，2004，39（6）.

[9]丁隆飞.大型环形件轧制工艺的新发展.锻压装备与制造技术，1987，22（6）