淺談環件軋制數值模擬

董超

摘 要：金屬環件軋制是一個多因素耦合作用下的宏觀變形和微觀組織演變交互影響的復雜成形過程，本文基于ABAQUS軟件平臺，將Ti-6Al-4V的微觀組織演變計算模型與環件軋制宏觀有限元計算模型相集成，成功地實現了環件軋制過程的傳熱、變形和微觀組織演變的模擬。

關鍵詞：環件；軋制；數值模擬；ABAQUS

1 概述

環件軋制成形是一種重要的無縫環形零件的先進塑性成形技術，順應了先進塑性成形技術的發展方向 。深入研究環件軋制成形過程中熱力禍合作用和微觀組織演變，掌握工藝參數對宏觀變形和微觀組織演變的影響規律，為環件生產的精確控形和精確控性提供科學的工程實用的依據，是實現環件優質、高效、低耗成形制造的迫切需求和必然趨勢。

2 矩形環件軋制有限元建模

2.1 引言有限元建模是為了滿足有限元求解的要求而對實際物理模型進行合理簡化的描述，但是要求所建立的有限元模型應盡可能準確地反映實際條件。本文所用到的模擬軟件為ABAQUS。

2.2 ABAQUS有限元分析包含幾下步驟：

1）幾何模型和工件模型；

2）材料性能加載到工件模型中；

3）對幾何模型進行裝配，對工件模型定義接觸、約束和加載；

4）對模型進行網格劃分；

5）對最終模型進行計算求解。

在通用有限元程序中，可將上述步驟描述為前處理、求解和后處理。

3 環件軋制成形規律的研究

3.1 變形過程中場變量的變化與分布規律

3.1.1等效應變場變化與分布規律

環坯中間層由于遠離成形輥，為小變形區。還可以看出在變形初期，只有環坯的內層和外層部分區域產生了大的塑性變形，而隨著軋制過程的進行，塑性變形區經歷了由局部小區域擴展到環帶的過程，并且塑性變形的區域，由環坯的外層和內層向中層移動，且變形程度逐漸增強，直至將環坯輾透。

3.2.2 溫度場變化與分布規律

環坯的高溫區出現在環坯變形量較大的外層，低溫區首先出現在環坯與成形輥接觸的地方，而隨著軋制過程的進行，低溫區逐漸轉向環坯內層的棱邊，隨后向環坯外層棱邊處擴展。這是因為，在變形初始時刻，由于環坯的溫度和成形輥的溫差較大導致成形輥與環坯的接觸傳熱強烈，并且此時變形量小，引起的溫升不明顯，因此，與成形輥接觸過的地方溫度下降較快。而隨著軋制過程的進行，變形及摩擦引起的溫升，使成形輥與環坯的溫差減小，從而在環坯變形量較大的地方溫度上升較大。從圖中還可以看出，隨著軋制過程的進行，環坯的最高溫度上升，最低溫度下降，導致環坯溫度分布越來越不均勻。

為了反應環坯軋制過程中不同部位溫度隨時間的變化，在環坯的截面沿徑向依次取六個跟蹤點，如圖3-1所示為環件軋制過程中環坯不同部位溫度隨軋制時間的變化規律曲線。

3.3 工藝參數對對軋制成形過程的影響

3.3.1 驅動輥轉速的影響

采用驅動輥的轉速（10，12，15）rad/s，芯輥進給速度0.4mm/s， 初始環坯溫度990℃，摩擦因數0.3的計算條件，研究分析不同驅動輥轉速對環坯變形場、溫度場、軋制力的影響規律。

3.3.1.1 驅動輥轉速對變形場的影響

在不同驅動輥轉速下，環坯應變場的分布區域基本一致，環坯外層變形較內層大，中層為小變形區。隨著驅動輥轉速的增大，等效應變最大值增大，外層的變形增大。這是因為驅動輥轉速的增大，會導致平均每轉進給量減小，保持相同變形量的條件下，使得環坯變形集中在環坯的外層，而不易向中層擴展的緣故。

3.3.1.2 驅動輥轉速對溫度場的影響

隨著驅動輥轉速的增大，高溫區在減小，且向著環坯變形量較大的外層移動；低溫區也在減小，主要分布區從內表面轉向環坯棱邊處。圖中還可以看出，隨著驅動輥轉速的增大，溫度最大值和最小值增大，環坯溫度整體增大。

3.3.1.3 驅動輥轉速對軋制力的影響

力能計算不僅是環件軋制孔型設計和軋制工藝設計的依據，而且也是輾環機結構設計、工作參數設計和機電液部選擇的依據。因此，對軋制力的預測是環件軋制技術設計的重要內容。隨著軋制過程的進行，軋制力先急劇增加到某一值，然后出現波動這是因為，首先軋制過程中存在復雜的三重非線性，特別是導向輥與環坯間的接觸邊界非線性；其次變形區的大小及場變量分布是隨時間變化的，導致軋制過程是一個非穩態成形過程；最后軋制是一個多道次成形過程，環坯通過孔型時軋制力必然產生變化和波動。

3.3.2 芯輥進給速度的影響

采用進給速度（0.4，0.6，0.8，）mm/s，驅動輥轉速10rad/s，環坯初始溫度990℃，摩擦因數0.3的計算條件，研究分析不同驅動輥轉速對環坯變形場、溫度場、軋制力的影響規律。

3.3.2.1 芯輥進給速度對變形場的影響

在不同進給速度下環坯等效應變場的分布區域基本一致，環坯外層變形較內層大，中層為小變形區。隨著芯輥進給速度的增大，環坯的小變形區減小。

3.3.2.2 芯輥進給速度對溫度場的影響

環坯溫度場的分布區域基本一致，高溫區位于靠近環坯外層的大變形區，低溫區位于變形量較小且散熱條件好的環坯的棱邊處。還可以看出隨著芯輥進給速度的增大，低溫區向著環坯的內表面擴展，高溫區向著變形量較大的外層移動。

3.3.2.3 芯輥進給速度對軋制力的影響

芯輥進給速度越大，軋制力越大，這是由于當保持其它條件不變時，芯輥的進給速度越大，軋制過程中平均每轉進給量越大，所需的軋制力就越大，由于完成同樣的軋制過程，芯輥進給速度越大，所需要的時間越短，因此，軋制力持續的時間越短。

3.3.3 環坯初始溫度的影響

采用環坯初始溫度（990℃，1050℃，1100℃），驅動輥轉速10rad/s，芯輥進給速度0.4mm/s，摩擦系數0.3的計算條件，研究分析不同驅動輥轉速對環坯變形場、溫度場、軋制力的影響規律。

3.3.3.1 環坯初始溫度對變形場的影響

隨著環坯初始溫度T的增大，塑性應變最大值減小，最小值增大，環坯的變形從環坯的內外層向中層擴展，使得環坯內的大變形區和小變形區減小，中等變形區擴大，環坯的變形狀況越來越好。這主要是因為溫度的升高，溫度的軟化作用增強，材料的流動性能提高的緣故。因此，在環件軋制中，適當的提高環坯初始溫度有利于環坯的變形。

3.3.3.2 環坯初始溫度對環件溫度場的影響

圖3-3為不同初始環坯溫度下成形環件溫度場的分布云圖。可以看出，隨著環坯初始溫度的升高，成形環件高溫區增大，低溫區減小。這是因為，隨著環坯初始溫度的升高，環坯塑提性提高，輾透性提高，環坯中層易于變形，使得環坯的變形熱效應增強，且中層導熱性能差，導致中層溫度上升快，高溫區逐漸增大。而低溫區減小主要是由于變形熱效應的增強的緣故。

3.3.3.3 環坯初始溫度對軋制力的影響

環坯初始溫度越高，軋制過程中所需軋制力越小。這是由于在其余軋制條件不變的情況下，材料隨著溫度的升高，其變形抗力減小的緣故。

3.3.4 摩擦的影響

3.3.4.1 摩擦因數對變形場的影響

隨著摩擦因數的增大，環坯等效塑性應變的最大值和最小值都在增大，但是最大值增大的幅度比最小值增大幅度大。這是因為，摩擦的增大，導致環坯內外表面的摩擦生熱增強，環坯表面金屬比內部更易于流動，變形主要集中在環坯的表層。

3.3.4.2 摩擦因數對環件溫度場的影響規律

環坯整體的溫度分布規律幾乎不隨摩擦因子大小變化而出現明顯變化，高溫區主要在變形量較大的外層，而低溫區主要分布在環坯的棱邊處。隨著摩擦因子的增大，環坯溫度整體有增大的趨勢，這主要是因為在相同的計算條件下，摩擦因子的增大，引起摩擦熱效應增強的緣故。

3.3.4.3 摩擦因數對軋制力的影響

摩擦因子的變化對軋制力的影響甚微。這主要是由于軋制力的大小主要取決于軋制過程中平均每轉進給量和環坯材料性質的緣故。因此，增大驅動輥和芯輥與環坯內、外表間的摩擦，對環件軋制過程中軋制力的影響不大。

4 結束語

本文采用數值模擬，對環件軋制成形過程的熱力藕合作用和微觀演變及影響規律進行了系統研究，獲得的主要研究結果及結論如下：

（1）基于ABAQUS模擬軟件，將Ti-6Al-4V的的微觀組織演變計算模型與環件軋制宏觀有限元計算模型相集成，成功地實現了環件軋制過程的傳熱、變形和微觀組織演變的模擬。

（2）對環件軋制過程進行了傳熱、變形和微觀組織演變進行了系統模擬研究，揭示了成形過程中等效應變、溫度場的分布規律，發現變形區經歷了由局部小區域擴展到環帶的過程，由外層和內層向中層移動，外層和內層為大變形區；環坯溫度分布不均勻，高溫區出現在變形量較大的外層，低溫區首先出現在環坯與成形輥接觸的地方，隨后轉向內層的棱邊，向外層棱邊擴展。

（3） 研究揭示了驅動輥轉速、芯輥進給速度、環坯初始溫度、摩擦因子等主要工藝參數對軋制成形中變形場、溫度場和軋制力的影響規律。

參考文獻

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