外方內圓型鍛件環軋工藝研究

趙曉光，肖 佳，張明橋，杜力軍，張 令

（貴州航天新力鑄鍛有限責任公司，貴州 遵義 563003）

如圖1所示外方內圓型零件是石化行業某類壓力容器中的重要零件，處于高溫高壓強腐蝕的工作環境中，隨著壓力容器設計要求的不斷提高，對外方內圓型零件的綜合性能提出了更高的要求。長期以來，對于該零件一直采用鍛造成大余量的環形零件，然后通過機械加工的方法進行生產制造，這種方法不僅材料浪費極大，加工工時較長，而且造成了鍛件金屬流線被切斷，零件內外相對較致密的區域被加工掉，造成零件的綜合力學性能降低，使用壽命減短等問題，生產效率極低，難以滿足壓力容器的設計要求和工程進度要求。為了解決現有工藝方法存在的不足，本文提出一種全新的工藝思路，通過鍛壓機出坯，然后借助模具，利用輾環機進行軋制，從而實現該零件金屬隨產品形狀分布，減少機械加工余量，提高產品質量，減少機械加工工時，提高生產效率。

圖1 外方內圓零件圖

1 外方內圓型零件的技術要求

外方內圓型零件的力學性能如表1所示。其金相檢驗標準，鍛件晶粒度要求為3～5級；非金屬夾雜物要求：A類≤1.5級，B類≤1.0級，C類≤1.0級，D類≤1.0級，A+B+C+D≤3.5級。其無損檢驗之液體滲透檢驗驗收標準（出現下列缺陷判為不合格）：①線性跡痕；②尺寸超過3mm的非線性跡痕；③邊緣間距小于3mm的3個或3個以上排列成行的跡痕；④在100cm的矩形表面上有5個或5個以上密集型跡痕。超聲波檢驗驗收標準：①直波檢驗：可記錄信號范圍和合格界限應為NF A 04-308當量直徑法規定的質量3級要求。②斜波檢驗：回波幅度超過參考高度50%的任何信號予以記錄；回波幅度超過參考高度的任何信號判為不合格。

表1 鍛件力學性能

2 成形工藝方案的制定

2.1 鍛件圖及坯料的確定

從圖1形狀尺寸和材料性能等方面分析，該鍛件利用環軋成形存在兩方面的難度，一方面是在軋制過程中鍛件的充滿情況，由于材料為耐熱合金，變形溫度范圍窄，變形抗力大，可能會存在四角不容易充滿的情況；另一方面是零件的厚度不均勻，在軋制過程中可能會存在旋轉不平穩的現象。針對此種情況，制定出如圖2所示坯料。

圖2 坯料圖

2.2 軋制模具尺寸的設計

由于零件形狀為外方內圓，要實現在輾環機上旋轉，必須使坯料與主輥和芯輥接觸部分為圓形，因此，設計出如圖3所示模具圖。

圖3 模具圖

3 輾環工藝數值模擬

3.1 建模

根據模具設計和坯料制定出的具體尺寸，對模具和坯料進行實體建模。首先在SolidWorks 2011中建立坯料和模具的三維圖形并事先完成坯料和模具之間的裝配，然后將圖形保存為stl格式文件，最終導入DEFORM 3D。由于軋制過程時間較短，因此本文簡化建模模型，不考慮坯料和環境、坯料和模具之間的熱交換。

3.2 DEFORM 3D參數設置

3.2.1 網格劃分

合理的網格劃分可以提高求解的精度并有效的降低運算量，網格大小的選擇以保證精度、盡量降低運算量為原則。基于此，選擇1/4模型進行網格劃分和模擬運算，使用系統自動劃分網格功能，將坯料劃分為25000個網格。

3.2.2 材料屬性

DEFORM 3D有較完整的材料數據庫，根據工廠實際生產經驗，選擇與該零件材料性能和流動性接近的316LN不銹鋼作為坯料的材料，溫度設置為1150℃，模具設置為不產生形變的剛體。

3.2.3 對象間的關系

摩擦方式設置為剪摩擦，取摩擦系數為0.7，模具同坯料之間的容差設置為0.0001

3.2.4 控制的設置

模擬過程中，模擬計算步長的設置是很關鍵的，DEFORM 3D規定了兩種計算步長的方式，分別由時間和模具行程來決定。根據產品的變形特性，本文采用模具行程來控制。

完成建模后，生成數據庫文件，退出前處理模塊，進行模擬計算。

從第一次模擬結果看，坯料的流動性和模具的充填性比較好，但是過程中存在模具和坯料旋轉不平穩的現象，尤其是當旋轉至四角位置時，會出現比較大的抖動，從最終的模擬結果來看，四角存在局部凹坑的現象。經過分析，認為這與軋制速度和芯輥直徑的大小存在關系，因此，增大軋制速度，同時在芯輥上增加模套，增大芯輥直徑進行第二次模擬，從最終模擬結果來看，比較有效的解決了第一次模擬過程中存在的問題。

4 工程試驗驗證

由于軋制成形過程的計算機模擬是在理想狀態下進行的，坯料和模具之間的摩擦系數、高溫下的材料特性和實際情況有一定的差異，所以計算機模擬并不能完全取代工程試驗驗證，只有通過工程試驗驗證才能說明模擬結果是否可靠，并根據工程試驗來修正工藝參數，達到指導產品生產的目的。

按照計算機模擬結果，制定出模具尺寸和坯料尺寸，在公司4000t水壓機上進行出坯，然后在數控輾環機上進行輾軋制。

經檢驗發現，試驗件存在一些小的缺陷，高度上軋制出了飛邊，導致鍛件出模存在困難，同時鍛件四角缺少材料，由于缺料情況并不嚴重，致使在進行數值模擬時沒有表現出來，由于軋制參數控制的不好，導致試驗件軋制出飛邊。

5 參數優化并批產

根據計算機模擬和工程試驗的結果，修正了模具倒角和軋制速度參數，然后又進行一件生產，經檢查，尺寸滿足要求，隨后進行了性能分析和探傷檢查，結果滿足要求，由此定型工藝，開始批量化生產。

6 結論

（1）通過利用DEFORM 3D軟件進行數值模擬，大大減少了工程試驗的周期，大大提高了工程試驗成功的可能性，對生產實際起到了比較重要的指導作用，同時也節省了生產成本，但不能完全取代工程試驗的驗證。

（2）利用輾環機環軋的原理，輔助工裝模具，實現了方形件的環軋工藝，對鍛件的生產是一種全新的工藝思路，大大提高了產品的質量，提高了生產效率，降低了生產成本。

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