英语原文共 10 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

---

厚壁与深槽环件的新型制造方法--复合轧制

钱东升，张志强，华林。

武汉理工大学材料科学与工程学院，邮编：430070

关键词：制造业、环件、复合轧制、塑性成形、有限元模拟

摘要

环形零件如双齿轮，双侧法兰和高压阀体，被广泛应用于工程机械中，其具有厚壁，小孔和表面深沟等共同几何特征。这种环件的传统制造技术为锻造成形技术，但其存在着能耗大、材料利用率低、产品性能比较差等缺点。在本文中，这种新的制造方法基于零件轧制成形原理，首先提出了环件复合轧制（CRR）成形技术，并介绍其成型技术原理。然后，确定了CRR合理的成形范围参数，通过有限元建模对环件复合轧制成形过程进行了仿真模拟分析，分析了环件复合轧制成形的可行性。通过实验有效的证明了有限元模拟CRR技术的可行性并且对CRR实验过程环件基本热变形规律的探究有效证明了有限元仿真模型的真实性。

1.引言

环件是机械部件的基础，在机床，汽车，铁路，能源，航空等许多行业领域得到广泛应用。环轧作为旋转成形技术，适用于生产各种无缝环件（如轴环，法兰环和齿圈）的先进制造技术，可通过连续局部塑性变形获得具有精确几何形状和良好显微组织的高性能环件。针对环轧技术，许多学者已经对理论，技术，模具和设备等各方面进行了研究，如分析（Lugora和Bramley，1987）和实验测试（Johnson和Needham，1968）。 在Allwood等人的论文中可以查阅有关环轧技术的信息和以前的研究。其在2004年对环

轧工作进行了全面的调查，包括环轧设备的设计演变，调查过程的方法，获得的过程控

制和运行的见解和发展。特别是对于环轧产品和设备配置的应用，这两篇论文作了系统的描述，这对于开发其他新型轧制方法是非常有益的。

对于环件轧制已经有不少学者探索了不同的有限元建模方法来研究轧制过程。其中 Joun等人在1998年提出了一种轴对称刚性 - 粘弹性有限元法来预测环轧中材料的变形。Lim等人在1998使用了弹塑性有限

元法模拟环轧这种混合网格技术。Utsunomiya等人在2002通过常规隐式弹塑性有限元方法在非稳态方案上研究了冷环轧制过程。宋J.L等人在2002年建立了IN718环热轧过程中发生变形的耦合热机械二维有限元模型。 Yea等人在2003年使用商业刚塑性有限元法预测环轧过程中的扩散，压力分布和轧制力。 Wang等人在2006年实现采用弹塑性动力学方法取代静态隐式方法来解决热环轧制过程，大大提高了计算效率。

关于环轧过程中技术参数的控制，已经对许多方面进行了一些研究。 Szabo和Dittrich在1996年描述了用于生产无缝轧制环的最先进的制造系统。Forouzan等人在2003年提出了一种模拟环轧过程有限元分析中导辊效应的热辐条法.Goo and Yang在2006年使用了3D动态显式有限元法研究了成型辊尺寸对冷环轧制的影响。 Li等人在2008年探讨了3D-FE环轧模型中的液压调整机理，提出了液压油缸的关键技术参数设计。杨等人在2008年研究了矩形截面坯料对钛合金大环热轧过程中应变和温度分布均匀性的影响。这些工作有力地揭示了环轧的形成机理和变形规律，促进了环轧技术的发展和应用。

一些学者在轮廓滚动方面已经做了一些研究。Allwood等人在2005年总结了剖面和横截面的范围，包括了径向剖面，薄截面环和厚截面环，但没有引入具有较厚截面的径向剖面.Mamalis 1975年发现，对于某些值的进料速率，槽和形状因子，当环形壁厚度大幅度减小时，滚动T形环时会形成特定形式的空腔。 YANG在1991年使用3D刚塑性有限元从最初的矩形横截面模拟了T形截面的开通轮廓环轧。 Hahn和Yang在1994年提出了上限元素技术（UBET），用于预测具有任意形状轮廓的环的滚动中的扭矩和变形模式。 Davey和Ward在2002年开发了一种模型，包括有限元流动公式，ALE更新策略和称为连续预处理共轭梯度法的新型迭代解决方案，以分析异型环轧制。Kim等人在2007年通过使用MSC.SuperForm和有限元模拟实验分析了具有位于外部不对称的圆形凹槽的轮廓环的滚动过程。 Hua在L型截面型冷环轧制中建立了塑性渗透的有限元模型，研究了轧制间隙塑性带的扩大规律。

通过对实际生产的研究成果和调查的综合分析，可以知道，环轧技术更适合于制造具有简单横截面形状和薄壁的环件，因为它们易于在环轧中形成。而对于具有复杂截面形状的一些环件，其效果是不利的。这是因为环形轧制过程中的金属圆周流动和径向流动之间的差异总是导致直径扩大和型材形成之间的不一致性，因此所需的直径尺寸和横截面形状不能同时获得。

图1：小型厚壁深槽环件

如图1所示的环件其具有以下特征：表面厚壁，小孔和深槽。广泛应用于工程机械中的重型齿轮，双面法兰，高压阀体等环形件都有类似如上所述的几何特征。目前这种环件是通过锻造和线切割制造的。例如，在双面法兰中，在其制造过程中，首先用锤锻来简单地形成表面凹槽，然后使用大量的切割来获得所需的横截面，如图2所示。在这些环件的常规制造技术中存在高能量和材料消耗多，产品生产率低和性能差。在工程设计中，除非可以简单有效地制造这种环件，否则应避免这种环。因此，有必要开发新的先进制造技术来制造厚壁和深槽环件。

图2：壁深槽环件传统工艺生产过程

Allwood（2007）提出了102个“元素”环轧机的“周期表”。 可以看出，上述环的约束类型与I-0中的第71个类似。 然而，该环不适于通过普通环轧制造，因为其直径达到一定尺寸时，其深槽不能成形。对于一般的环轧，轧制比可以描述如下：

(1)

其中lambda;是一般环轧的轧制比,H₀和H分别是坯料和成型环件的径向厚度,如图2所示.

为了建立稳定的轧制过程，必须满足以下轧制条件:

(2)

(3)

其中Delta;h为环件轧制中每转壁厚减小量。

Delta;h_max和Delta;h_min分别为环件最大每转壁厚减小量和环件最小每转壁厚减小量，beta;为环件与轧辊之间的摩擦角，R₁和R₂分别为驱动辊和心辊的工作半径，R_t和r_t分别是环件的外径和内径。

从公式（2）和（3）可以知道可进行轧制的条件为：

（4）

根据公式（1）和（4），通过推导，可以得到：

(5)

从公式（5）中，也可以知道，对于厚壁和深槽环件的轧制，为了满足轧制条件，轧制比应小，因为轧制比越大，环坯的厚度越大 ，轧制条件可能不满足。

通过分析可以发现，厚壁深槽环件在轧制过程中由于沿圆周方向的金属流动在轧制过程中占据主导地位，因此环件内径的扩大比沟槽成形更快，当获得所需要的直径尺寸是时不能形成深槽，具有较小的滚动比。因此，对沿圆周方向金属流动的控制是厚壁深槽环件轧制成形的关键。

在本文中，首先提出了一种新型的称为复合轧制（CRR）的厚壁深槽环件的制造方法。 通过有限元建模仿真模拟和进行复合轧制实验以探究关键的成形参数，确定其合理范围，验证复合轧制的可行性，揭示复合轧制过程中的变形规律。

2.复合轧制成形原理

基于上述分析，提出了复合轧制技术，其形成原理如图3所示。在轧制过程中，主轧辊进行主动旋转和线性进给运动;心辊和两个副轧辊是具有固定轴的空转辊，其在环件的驱动下被动旋转。芯辊的横截面形状沿环件的横截面设计，芯辊的轴向端被设计为半封闭的，以防止金属沿着轴向流动，如图 3（a） - （c）的左视图所示。与Allwood等人的径向轮廓轧制和其他设备配置相比 （2005a），复合轧制的优点是两个固定的副轧辊改变了整个约束条件，从而改善了轧制过程中的金属流动。整个成型过程包括两个阶段：

（1）环轧阶段：在这个阶段，如图3（a）和（b）所示，在主轧辊和心辊的作用下建立一般环轧工艺，工件不接触副轧辊。因此，环的主要变形是直径扩大伴随着轻微的凹槽形成。

（2）表面横轧阶段： 该阶段如图 3（b）和（c）所示。因为副轧辊2更靠近环，随着直径的增加，环件首先接触副轧辊2，以确保过程转变的稳定。当环件外表面接触副轧辊1时，在主轧辊和两个副轧辊的作用下建立表面交叉轧制过程，而心辊几乎不能执行其滚动。在这个阶段，金属周向流动受到限制，通过主辊和两个固定被动辊，金属将沿着径向流动以填充三个辊的轧制道次。 因此，环的主要变形是槽成形，并且当金属完全填充时可以形成深槽。

图3 复合轧制成形原理（a）环轧（b）表面交叉轧制（c）终轧阶段

从复合轧制形成原理可以看出，复合轧制是从环轧开始成形的，因此可以认为是旋转成型技术，与传统制造技术相比，旋转成形技术具有一些共同的优点：复合轧制是连续的局部塑性成形工艺，但常规方法是全球锻造成形，因此复合轧制的力和功耗远远小于传统方法;全球锻造后的工件通常在模具接头处有闪光，在拐角处填充困难，影响产品的准确性，但在旋转成型时可以快速获得具有精确几何形状的轧制环，从而提高成形精度和效率;锻造后续所需切削量大，切断了深槽的金属流动线，而没有大切削余量的轧制环具有良好的金属流动线分布形状。所有这些不仅提高了材料利用率，而且提高产品的结构性能。通过比较可以得出结论，与常规制造技术相比，复合轧制具有低消耗，高效率和良好性能的优点。

1. 复合轧制关键成型参数的合理范围

在复合轧制中，轧制比K是环坯尺寸的决定性因素，它直接反应了复合轧制的变形程度，其定义如下：

（6）

其中d和d₀分别为厚壁深槽环件和环坯内径，如图4所示：

图4（a）环坯和（b）厚壁深槽件横截面

根据金属塑性成型的体积守恒定律，有：

（7）

其中h0和h分别是环件及其沟槽的高度，D0是坯料的外径，D1和D2分别是槽和法兰的外径。

然后，坯料的外径可以推算得：

（8）

复合轧制的初始工件截面为矩形的环形件，第一个轧制阶段为典型的环轧阶段。 因此，应该满足初始轧制条件，即满足公式 （2）和（3）。

通过方程推导 （2） - （4），（6）和（8），得结果如下：

（9）

此外，根据几何关系，轧制比值应大于1.因此，轧制比的值范围可以定义为：

（10）

3.2 转速

每转进给量可以表示为：

(11)

其中n为主轧辊的转速，v为主轧辊的进给速度。

主轧辊转速n有一定的范围如下表示：

（12）

(13)

(14)

对于给定的v，beta;,R1和R2有:

（15）

由于n_min是轧制时间的递减函数，因此在初始时刻具有最大值。

（16）

而且，n_max是轧制时间的增加函数，因此在最后时刻具有最小值。

（17）

因此可获得n值得范围为：

1. lt; n lt; (17) (18)

图5主轧辊和福轧辊之间的几何关系

3.3 进给速度

在等式方面，进给速度也有一定的范围:

（19）

（20）

（21）

对于给定的n,beta;,R₁和R₂有：

（22）

因为v_min是轧制过程中的递减函数，它在初始时刻具有最大值。

(23)

且v_max是轧制过程中增加的函数，因此在最终时刻具有最小值。

(24)

因此，可以获得v的取值范围：

（23）lt; v lt; (24) (25)

3.4 副轧辊的位置

主轧辊从轧制开始时的位置和轧制完毕时的位置如图5所示，其中x为主轧辊总的进给量，theta;₀是初始位置角，theta;是端部位置角，d₁和d₂分别是心辊和主轧辊的直径。

芯辊和外环之间的几何关系可以通过图5所示的简化三角形来探索。其中O表示心辊的中心; A表示福轧辊的中心。几何尺寸和环之间的关系可表示如下：

（26）

全文共14843字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

---

资料编号：[142834]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word