通过仿真模拟技术研发大型环锻件

文/徐光顺，刘巧红·张家港海陆环形锻件有限公司

通过仿真模拟技术研发大型环锻件

文/徐光顺，刘巧红·张家港海陆环形锻件有限公司

高校研究人员利用计算机，通过数值计算和图像显示的方法模拟锻件的轧制过程，可以直观动态地观察整个虚拟轧制的过程；企业工作人员利用高校的模拟结果，缩短轧制环件的研发周期、降低能源和材料消耗、提高企业竞争力。

大型环件广泛应用于大型风电机组轴承、核电机组容器、运载火箭舱体等，是能源、机械、武器装备的核心零件。近些年来随着工业的发展，各行业对大型环件的需求量越来越大、性能要求也越来越高，这对大型环件的制造工艺提出了更高的要求。另一方面，对比于矩形环件而言，异形环件的成形过程更为复杂，应用也更加广泛。目前，工业上应用较多的典型异形截面环件有沟槽截面环件（内沟槽、外沟槽、双沟槽截面环件等）和台阶截面环件（外台阶、内台阶、外凸台、内凸台截面环件等），这些产品已经广泛应用于汽车、机械、航空航天、能源等众多工业领域。

我国环锻件的发展现状

目前，我国制造环件的方法主要还是铸造和焊接，但二者均存在不同程度的缺陷。例如，铸造成形的环件晶粒粗大，组织分布不均匀，而且还存在疏松、气孔等空隙缺陷，产品机械性能差；焊接成形的环件，焊缝区的材料组织为铸态，产品性能和使用寿命明显比锻造的低。

德国、美国、日本等工业先进国家，早在20世纪80年代就开始致力于大型环件径轴向轧制技术和装备的研发。世界上最大的环件径轴向轧制设备制造商德国蒂森机器瓦格纳公司开发了φ1～8m的数控径轴向轧环机，以及与之匹配的工艺设计和控制技术，基本上实现了环件产品的轧制工艺优化设计、过程参数存储匹配、轧制过程在线测量与反馈控制等功能，其轧制环件的直径误差控制在±1‰以内，基本满足了近净成形的要求，代表了当今环件径轴向轧制技术的最高水平。

我国环件的轧制通过引进国外的工艺和设备进行生产，并且在此基础上进行了简单的技术开发和设备仿制工作。20世纪90年代初武汉理工大学的华林教授带领团队设计了环件轧制实验系统，并在D52-160A立式环轧设备上进行了轧制实验，建立了环件轧制静力学、运动学、咬入条件、刚度稳定条件以及动力学、几何学等模型，从本质上揭示了环件轧制的成形原理。1994年，学者管海燕等人结合从德国瓦格纳公司引进的径轴向轧制设备，制定了大型环锻件径轴向轧制工艺的基础条件、工艺原理和路线以及毛坯的优化设计。

校企合作开发新产品

我公司设有研究生工作站，通过与江苏大学、武汉理工大学和上海交通大学的合作，利用高校的科研和理论优势，结合我公司的设备优势，开发出了多种新型环锻件产品，包括多种用途的工程机械用锻件，其中φ9m大型环锻件的轧制技术获得了国家科学技术进步二等奖。

30t大型筒形环锻件轧制技术与装备

此锻件重达30t，直径为4.5m，高厚比为1.73，属于大直径超重薄壁筒形环锻件，在轧制工艺设计时不仅要考虑设备的性能，还要考虑锻件的成形质量、成形技术难度等方面。我公司和武汉理工大学的相关人员进行了轧制理论分析，然后结合有限元软件进行模拟分析确定工艺参数，最后进行了实际轧制生产，获得了性能良好的大型环锻件。图1为轧制原理图。

图1 轧制原理图

环件径轴向轧制过程中，环件运动与轧辊旋转运动、进给运动和导向运动三者之间相互影响，成形过程具有以下特点：

⑴锻件的径向变形与轴向变形同时存在，且相互影响。

⑵驱动辊与芯辊直径相差较大，驱动辊做主动旋转轧制运动，芯辊做从动旋转轧制运动，且转速不同。

⑶旋转运动与直线进给运动相互影响。

⑷环件变形区几何边界复杂且不稳定，热变形、力变形条件处于动态过程中。

为了保证环件正常轧制成形，结合几何学、静力学、运动学和塑性力学理论分析，建立大型环件径轴向轧制稳定条件和力能参数设计方法，为轧制工艺合理设计提供了理论依据。根据环件径轴向轧制成形原理，以ABAQUS有限元分析为平台，建立了真实反映环件径轴向轧制变形特点的精确、高效热力耦合三维有限元仿真模型，如图2所示。

图2 轧制三维有限元模型

基于以上精确有效的有限元模型，通过仿真模拟环锻件径轴向轧制过程中应变、温度、力学参数以及轧制成形环件外形分析，验证了锻件轧制的可行性，根据以上各种参数的模拟结果，制定了合理的轧制工艺和注意事项，最终轧制出符合要求的锻件产品。

28t大型滚圈环件轧制技术

大型滚圈是一类广泛应用于冶金、风电、核电、飞机、火箭等行业的大型回转部件。在回转机械中，滚圈起到传递载荷的作用，并在运转过程中受到较大的弯曲应力和扭矩。工业上对于滚圈的力学性能要求特别高，不仅要具备较高的刚度和抗疲劳强度，还应具备较长的使用寿命。否则，一旦滚圈发生损坏，将对企业的经济效益造成巨大的损失。因此，有必要对这类大型环件的成形进行研究，以期获得良好的使用性能。

经过我公司和武汉理工大学研发人员的共同合作，以ABAQUS有限元模拟软件为平台，根据锻件的径轴向轧制成形原理，建立了三维模拟仿真模型，经过计算建立了实验测试数据与模拟数据的比较曲线（图3）。从图3中可以看出，模拟的结果和实测的结果比较吻合，不仅证实了轧制的可行性，而且还从侧面验证了ABAQUS分析结果的可靠性。根据大型环件径轴向轧制生产工艺流程，制定了28t环锻件生产流程为：原材料→检验→下料→称重→加热→制坯→轧制→热处理→校正→检验→发货。最终轧制出了符合要求的锻件（图4）。

图3 尺寸和温度的比较曲线

图4 轧制成形锻件

φ5m内台阶环件轧制

该锻件重达12t，且属于大型异形环锻件，成形时台阶处的形状难以成形，轧制过程中锻件容易爬辊。我公司技术人员通过模拟分析对环件进行了一定的约束设置，在实际轧制过程中通过预制盲孔和两火轧制等措施，最终轧制出了充形完好，成形合格的锻件。图5是利用ABAQUS模拟的轧制过程。

图5 模拟的内台阶锻件轧制过程

此外，我公司通过和武汉理工大学、江苏大学等大学合作，还开发了φ8.3m的大型环锻件、φ6m大型侧法兰环锻件、φ1.2m外台阶环锻件，以及各种工程机械使用的大型、小型具有异形结构的环锻件产品。2013年成功开发了广泛应用于石油、天然气管道的24英寸球阀阀芯异形锻件。

结束语

大学是培养人才的摇篮，更是国家新技术、新发明、新创造的发源地。大学里聚集着大量高层次人才，随着我国对于技术成果转化为实际生产力的重视程度越来越大，这将开启校企合作的新篇章。我公司与国内锻造专业较强的知名高校广泛开展合作，不仅发挥了大学的理论优势，还大大挖掘了企业的技术潜力，在创造了巨大经济效益的同时，也为国家的技术进步做出了应有的贡献。