环模辗环成形工艺参数仿真分析

袁　浩，戴恩虎，王小明，房　炜

(1.江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212013；2.溧阳市宏大机械设备有限公司，江苏 常州 213331)



环模辗环成形工艺参数仿真分析

袁浩1，戴恩虎1，王小明2，房炜1

(1.江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212013；2.溧阳市宏大机械设备有限公司，江苏 常州 213331)

芯辊进给速度和驱动辊转速对辗环工艺有着直接影响，环模辗环成形变形行为复杂，通过传统的物理实验进行芯辊进给速度和驱动辊转速设计成本高昂、效率低下。文中讨论了辗环成形的有限元建模技术，基于塑性成形软件Simufact对环模辗环工艺进行有限元模拟，分析了芯辊进给速度和驱动辊转速对轧制力和等效塑性应变的影响。结果表明，当芯辊进给速度为2mm/s时，驱动辊转速在2.5～3.3rad/s，环模变形充分、均匀，轧制力合适，成型效果较好。仿真结果为环模辗环成形工艺参数拟定和改良提供了参考。

环模；辗环成形；数值模拟；芯辊进给速度；驱动辊转速

环模是生物质成型机的核心部件[1-2]，形状为中间凹的环形件，中间布满制粒孔，如图1所示。环模传统制造工艺是先锻造获得毛坯，再通过机械切削加工而成。该加工方法材料利用率低，原始金属流线被破坏，严重影响了产品的机械性能。采用辗环工艺制造，仅需对轧制后的环件进行少量的切削加工，即可达到产品规格，提高了材料的利用率，减少了零件的加工工时，同时提高了后期模孔加工中孔壁的强度。

芯辊进给速度和驱动辊转速对环模成型效果有较大影响，是环模辗环过程中主要工艺参数。环模属于外沟形截面异形环，与一般的矩形截面环件相比更难确定合适的工艺参数。在实际生产中，通常要经过多次的试制，造成时间成本和资源成本的增加。而软件仿真是一种高效的产品开发手段，其利用数值模拟的方法，在计算机上模拟辗环成型的过程，分析并确定工艺参数，从而节省时间成本和资源成本。

图1　环模

对辗环工艺参数的仿真分析一直是金属成型领域的研究热点。文献[3]运用Abaqus软件仿真分析了驱动辊转速对矩形截面环件辗环工艺端面质量的影响。文献[4]通过有限元法分析了芯辊进给速度对高颈法兰台阶面展宽量的影响，得到了理想进给速度。文献[5]对阶梯型轴承内圈有限元分析，对工艺参数进行了优化设计。然而针对外沟形截面异形环辗环工艺的仿真研究仍较少发现，尤其是将辗环工艺仿真分析应用在环模的制造工艺中。本文基于Simufact.forming建立了环模有限元模型，分析了芯辊进给速度和驱动辊转速对辗环过程的影响，为环模工艺参数制定和环模仿真分析的研究打下基础。

1　环模有限元模型的建立

1.1辗环工艺中的一些关键设计参数

(1)毛坯及模具设计。根据环模具体的实际尺寸，设计环模锻件，由轧制比，得到毛坯尺寸，根据特定型号环模零件留出适当的加工余量设计出锻件图，毛坯的设计是依据环模锻件图，遵守体积不变原则，计算出毛坯的重量，设定毛坯与最终锻件的轴向长度相等，环模内外径的尺寸依据预定轧制比，以此确定初始毛坯。环模辗环工艺属于异形环轧制，异形环在轧制时，易出现充形不满的缺陷，研究发现直接将毛坯设计成异形截面能有效解决此问题[6]。驱动辊选用半闭式孔型作为其轧制孔型，同时为使毛坯易进出孔型，减少毛坯与孔型间的刮擦，取驱动辊斜槽斜度为2°。依据锻件尺寸和可用生产设备规格，确定环模辗环成形方案的结构参数，如表1所示。

在Solidworks中建模，对辗环机进行装配，保存成stl格式，导入到Simufact中，建立仿真模型，如图2所示。

表1　结构参数

图2　环模辗环模型

(2)芯辊进给速度和驱动辊转速的选取。一个稳定辗环工艺需满足咬入条件和锻透条件，矩形截面环件轧制芯辊进给速度和驱动辊转速的极限范围[7-8]如下

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，β为辗环成形的摩擦角；R和r分别为环件的外半径与内半径；R1和n1分别为驱动辊工作半径与转速；R2为芯辊半径；n1 max和n1 min分别为驱动辊的最大转速和最小转速；vmax和vmin分别为最大进给速度和最小进给速度。

为保证轧制过程的稳定进行，驱动辊线速度应当保持在0.4～1.6 mm/s[9]。因此，驱动辊转速范围为

(5)

式中，R1为驱动辊半径。

环模的成形过程可近似看做多个矩形截面的环件组合而成，要求每个矩形环件满足咬入条件和锻透条件，即芯辊进给速度和驱动辊转速要满足式(1)～式(5)。

综上所述可知：当驱动辊转速为2.5 rad/s时，芯辊进给速度范围1.01～19.97 mm/s；当芯辊进给速度2 mm/s时，驱动辊转速范围0.25～4.97 rad/s。

1.2主要建模技术和方法

(1)属性定义。定义驱动辊、芯辊和导向辊为刚性体，认为其不发生变形，并忽略模具温度变化，选用软件默认材料H13模具钢。定义毛坯为可变温变形体，选为不锈钢材料4Cr13，对应软件材料库中德国牌号X40Cr13。热边界条件控制中，定义环境温度30 ℃，各模具初始温度为25 ℃，毛坯环件的初始温度为1 180 ℃；

(2)接触定义。辗环过程产生较大的接触应力，定义各模具和环件的摩擦类型为剪切摩擦，摩擦系数设置0.7。在工件和模具接触工作中，存在两者之间以及二者与外界环境之间的热传递，因此定义热传导和热辐射；

(3)运动设置。将驱动辊旋转和芯辊进给定义为设备驱动并定义速度和时间点，最后设计驱动辊旋转时间比芯辊进给时间长10 s，完成环件的整圆，使产品更趋于合格。参考实际辗环机尺寸设置导向辊中心和控制臂。Simufact软件能较精确地自动控制导向辊的移动，从而省去了繁琐的导向辊运动轨迹的计算，这是相比其他辗环仿真软件的一大优势；

(4)网格划分与求解。采用软件自带的专门针对环形件划分方式 Ringmesh进行网格划分，定义单元尺寸6 mm，细化等级设置为2，Strain change设置0.2。选用隐式求解算法来避免累积误差。考虑计算的精度和效率，对软件生成的分析步数做适当调整。

2　仿真分析

芯辊进给速度和驱动辊转速是辗环过程中最重要的两个工艺参数，基于所建立的有限元模型，采用控制变量法分别对这两个参数进行研究，分析各自变化对辗环工艺的影响。

图3为Origin软件平滑处理后轧制力时间历程图，开始阶段轧制力急剧增加，到达稳定轧制阶段时轧制力在一定区间内平稳波动。根据轧制力的时间历程图研究芯辊进给速度和驱动辊转速对轧制力的影响，难以看出二者之间的关系。为方便研究，取轧制力的平均值作为分析对象，并用等效应变平均值表达整体变形程度，用等效应变标准差表达整体变形不均匀程度。等效塑性应变平均值越大，表明环件长大趋势越明显，材料变形越充分，工件内部晶粒越细小，最总产品质量越好。等效塑性应变标准差越大，不均匀程度越高，力学性能也不均匀，产品质量越差。

图3　轧制力时间历程图

2.1芯辊进给速度对轧制过程的影响

(1)芯辊进给速度对轧制力的影响。图4所示为轧制力平均值随进给速度变化曲线。由图可知，当驱动辊转速为2.5 rad/s，随着芯辊进给速度的增加，轧制力逐渐增大。原因是每转进给量增加，达到每转变形所需的变形力越大，因此轧制力也越大。轧制力过大会提高对辗环机的力能要求，增加设备成本，因此轧制力应控制在一定范围内；

(2)芯辊进给速度对等效塑性应变的影响。图5为芯辊进给速度对等效塑性变形影响曲线，可看出，等效塑性变形平均值和标准差随芯辊进给速度增大而减小。原因是芯辊进给速度越大，辗环每转的进给量越大，达到所要求环件尺寸的时间越短，对环件整体来讲变形程度减小，因此，等效塑性应变平均值也减小。同时，芯辊进给速度增大，每转咬入量增加，应变不会仅集中金属表层，内外应变差距缩减，因此等效塑性应变标准差减小。

图4　平均轧制力随芯辊进给速度变化曲线

图5　等效塑性应变随芯辊进给速度变化曲线

2.2驱动辊转速对轧制过程的影响

(1)驱动辊转速对轧制力的影响。图6为驱动辊转速对轧制力平均值的影响曲线，当芯辊进给速度为2 mm/s时，轧制力平均值随着驱动辊转速的增加逐渐减小，这是因芯辊进给速度不变的情况下，每转进给量随着驱动辊转速增加而减小，即每转进给所需要的克服的变形力也减小，因此设备平均轧制力为减小趋势；

(2)驱动辊转速对等效塑性应变的影响。图7为驱动辊转速对等效塑性应变的影响曲线，随着驱动辊转速的增加等效塑性应变平均值逐渐变大，原因是总轧制时间不变，相同进给量下咬入次数增多，环件表层总体金属咬入量增加，表层应变加剧，使得平均值增大。与此同时，转速增加表层金属应变急剧增加，较之内部金属变化程度较大，差距也增大。于是，等效应变标准差增大。

分析图7可以看出，转速在2.5～3.3 rad/s区间内，等效塑性应变标准差基本保持不变，甚至有略微下降的趋势。究其原因，由于转速的增加环件与模具接触频率加大，导致温度升高，使得金属塑性得到增强，此区间抵消一部分不均匀程度，标准差基本保持不变。该区间内，环件等效塑性变形标准差较小，变形均匀；等效塑性应变平均值较大，变形较充分，金属内部晶粒较细小，质量较好；同时轧制力也在一个较小的范围内，对设备要求低，为理想的驱动辊转速。

图6　平均轧制力随驱动辊转速变化曲线

图7　等效塑性应变随驱动辊转速变化曲线

2.3工艺参数的分析验证

驱动辊转速在2.5～3.3 rad/s间取值2.6 rad/s，取芯辊进给速度2 mm/s，对环模辗环成形进行仿真，判断该区间下的工艺参数是否满足环模辗环成形要求。图8为环模辗环结束后的截面变形图，由图可知，环模变形均匀，孔型填充效果好无明显成型缺陷。某公司用该工艺参数对环模辗环生产，产品合格，图9所示为环模辗环产品图。

图8　辗环结束后环件截面变形图

图9　辗环结束后的环模产品

3　结束语

分析了芯辊进给速度和驱动辊转速对环模辗环成形工艺的影响。研究发现：随着芯辊进给速度的增加，轧制力呈增长趋势，等效塑性应变平均值和标准差呈减小趋势；随着驱动辊转速的增加，轧制力呈减小趋势，等效塑性应变平均值和标准差总体呈增长趋势；驱动辊转速在2.5～3.3 rad/s区间内，变形较平稳，试验结果证明了在此区间内的环模成形效果较好，产品合格。

本文研究了芯辊进给速度和驱动辊转速这两种工艺参数对辗环工艺的影响，然而温度、摩擦等也是影响环模辗环成形的重要工艺参数，其对环模辗环工艺的影响还有待后续研究。

[1]施水娟,武凯,蒋爱军.制粒过程中环模力学模型的建立及有限元分析[J].机械设计与制造, 2011(1):38-40.

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[9]华林.环件轧制成形原理和技术设计方法[D].西安:西安交通大学,2000.

Simulation Analysis of Ring Rolling Process Parameters of Ring Die

YUAN Hao1, DAI Enhu1, WANG Xiaoming2, FANG Wei1

(1. School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China;2. Liyang Hongda Mechanical Equipment Co., Ltd., Changzhou 213331, China)

The Mandrel radial speed and driving roll rotational speed have a directly influence on the complex ring rolling process. The design of Mandrel radial speed and driving roll rotational speed through traditional physical experiments is expensive and inefficient. This study discusses the finite element modeling technology about ring rolling process, performs the simulation based on the Simufact software, and analyzes the influence of Mandrel radial speed and driving roll rotational speed on rolling force and equivalent plastic strain. The results show that the deformation of ring die is adequate and uniform at a mandrel radial speed of 2mm/s and a driving roll rotational speed between 2.5rad/s-3.3rad/s, where the rolling force is suitable with good forming effect. Result of simulation will provide a reference for the design and improvement of process parameters of ring rolling process.

ring die; ring rolling; FEA simulation; mandrel radial speed; driving roll rotational speed

2015- 12- 18

袁浩(1975-)，男，博士，副教授。研究方向：计算机辅助设计等。戴恩虎(1991-)，男，硕士研究生。研究方向：机械设计。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.09.023

TG372

A

1007-7820(2016)09-083-04