关于大径高比环件辗扩数值模拟研究

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1、大径高比环件辗扩数值模拟研究李洪伟作者简介：李洪伟，男，（1979—），天津人，工学硕士，助教，研究方向：模具摘要：针对大径高比的矩形截面环件，本文采用DEFORM-3D有限元软件对辗扩过程进行了数值模拟，分析了以小设备生产大尺寸环件的可行性，为实际生产提供了依据。关键词：大高径比；辗扩；数值模拟环件辗扩又称环件轧制或扩孔,它是一种生产无缝环件的有效方法。作为一种特种轧制技术，由于其材料利用率高，产品质量好，劳动条件好，生产成本低等优点，它的应用范围越来越广，如轴承环、齿轮环、法兰环、火车车轮和轮箍、燃气轮机环等无缝环形零件[1]。由

2、于近年来风电法兰需求大量增加,大型矩形截面法兰的热辗扩加工越发受到重视，大型环件辗扩技术也是该领域的发展趋势之一，而目前国内一般的厂家生产的无缝环件直径一般在1000mm~2000mm，由于设备、工艺等条件的不足很难加工更大直径的产品，本文针对小设备试加工大直径、大径高比的环件的可行性进行数值仿真模拟，为实际生产提供依据。一、环件辗扩原理环件辗扩原理见图1。驱动辊为主动辊，沿固定轴线做旋转运动，驱动辊和环件之间的摩擦力带动环件旋转；芯辊为从动辊，它在环件的作用下做旋转运动并且连续进给，趋近于大直径的驱动辊，使环件产生壁厚减薄、直径增大

3、的变形。导向辊定位角为60°[2，3]。两个导向辊以一定的约束力抱住环件，起定心和防振作用。环件反复通过驱动辊和芯辊构成的孔型产生壁厚减薄、直径扩大的辗扩变形，最终成为具有一定几何尺寸和截面轮廓的环形零件图1环件辗扩简图51-环件2-驱动辊3-芯辊4-导向辊二、计算条件及模具参数厂家需要的环件尺寸规格：外径4108mm，内径3348mm，高110mm。锻件图如图2所示：图2锻件图图3毛坯图提供的毛坯尺寸见表1，毛坯图见图3。表1初始毛坯尺寸外径（mm）内径（mm）高（mm）33772300105实际生产数据：初始温度：工件950～12

4、00，模具20；毛坯材料：42CrMo；芯辊进给速度：2mm/s；驱动辊转速：7.68rad/s。设备尺寸：驱动辊直径700mm，芯辊直径390mm，导向辊直径350mm，径向轧制力2000KN,最大加工环件直径2500mm，对直径4108mm环件生产试加工成功率为14.3%。采用DEFORM-3D有限元分析软件对此加工过程进行数值模拟，辗扩温度定为1050℃。对于大型环件热辗扩模拟，通过大量实验表明驱动辊与环件接触位摩擦系数应在1.5～2.0之间选取，越大越有利于环件的咬入。驱动辊线速度在0.4~1.6m/s较合适，这里取1.3m/

5、s，如果太大会导致整个轧制过程不稳定；如果太小则会使环件单位时间内转速变小，导致每转进给量增大从而无法满足咬入条件。芯辊进给速度应在1.5~2.5mm/s范围内较好[4、5]。三、数值模拟（一）根据厂家提供的生产数据模拟摩擦系数取2.0，芯辊进给速度取2mm/s，恒速进给，模拟结果如图4、图5所示；等效应变B=0.765C=1.18D=1.55E=2.00F=2.41G=2.82H=3.23I=3.64J=4.055图4环件最终成型质量1图5环件最终等效应变分布1图4为环件最终成型质量图，有图中可以明显看出环件端面有凹坑缺陷产生；引起

6、原因：环件壁厚与接触弧长的比值过大，使轧制变形集中于环件内外表面，经过多转轧制累积导致心部产生周向伸长和轴向压缩；轧制毛坯端面在制坯中产生了原始凹痕。改善措施：适当增大轧制进给速度或设备尺寸使轧制接触弧长增大，塑性变形穿透环件壁厚并分布均匀，从而使环件产生较为均匀的径向壁厚压缩、切向圆周伸长的轧制变形；适当减小轧制比；避免制坯中产生端面原始凹痕。图5为环件最终等效应变分布图，环件外圆等效应变为1.18，内部等效应变为0.765，最大等效应变为驱动辊与环件外圆接触部位，其值达3.23。（二）改变工艺参数后的数值模拟设备尺寸调整：适当增大

7、设备尺寸有利于增大轧制力，确保加工过程顺利进行。驱动辊直径1000mm，芯辊直径500mm，导向辊直径500mm。进给速度以2.5mm/s的初速度变速进给，使辗扩初期更易于咬入，模拟结果如图6、图7所示。等效应变B=0.389C=0.778D=1.17E=1.56F=1.94G=2.33H=2.72I=3.11J=3.50图6环件最终成型质量2图7环件最终等效应变分布2图6为环件最终成型质量图，通过改变工艺参数可以看出最后模拟出的环件端面平整光滑，有效地消除了鱼尾缺陷；图7为环件最终等效应变分布，环件外缘等效应变值为1.17，内部为0

8、.778，与驱动辊和芯辊接触部位等效应变最大值为2.72，分布均匀。5图8芯辊进给曲线图9芯辊辗扩力曲线图8为芯辊进给曲线，初速度为2.5mm/s,到环件辗扩稳定阶段，芯辊进给速度逐渐减小，至圆整阶段降为0。图9为芯辊辗