40Cr13環(huán)件徑-軸向環(huán)軋工藝參數(shù)優(yōu)化

成思福， 吳安東， 閻曉燕， 吳玉國

（1.馬鞍山市晨旭機(jī)械制造有限公司， 安徽 馬鞍山 243141； 2.安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243011）

引言

環(huán)軋又稱環(huán)件的輾環(huán)和擴(kuò)孔，它是通過輾環(huán)機(jī)和特殊孔型之間的配合進(jìn)行軋制，使環(huán)件毛坯徑向厚度減小，內(nèi)、外徑逐漸增大的塑性加工工藝[1]。

環(huán)軋工藝與傳統(tǒng)的模鍛、自由鍛等工藝相比，其優(yōu)點(diǎn)在于：生產(chǎn)周期短、環(huán)件組織均勻、表面質(zhì)量好、加工誤差小、材料的有效利用率高[2]。目前環(huán)軋被廣泛應(yīng)用于加工火車輪轂、抗摩擦的軸承環(huán)內(nèi)外圈和各種幾何形狀的法蘭。不同材料和不同尺寸的環(huán)件已經(jīng)應(yīng)用到化學(xué)、航空、汽車和核能等各個(gè)領(lǐng)域中。

隨著制造業(yè)的迅速發(fā)展，市場對(duì)40Cr13環(huán)件供不應(yīng)求，但同時(shí)對(duì)環(huán)件的精度和性能要求也越來越高，因此國內(nèi)外學(xué)者對(duì)環(huán)軋工藝做了大量研究。華林等人發(fā)現(xiàn)環(huán)件剛度對(duì)其軋制結(jié)果有影響，并通過力學(xué)方法建立了剛度數(shù)學(xué)模型，提高了環(huán)件尺寸精度[3]。付明杰通過設(shè)計(jì)軋制曲線，使環(huán)件易成形且尺寸精度高[4]。

PSMInc提出了充型極限方程，并結(jié)合在四種不同情況下的試驗(yàn)，結(jié)果良好[5]。這在一定程度上解決了不能完全充型的問題。C.Wang針對(duì)環(huán)件經(jīng)常出現(xiàn)空隙的現(xiàn)象，通過控制工藝參數(shù)，模擬不同環(huán)件外徑的增長速度對(duì)環(huán)件內(nèi)空隙的影響，并通過紫外線探測(cè)法進(jìn)行探測(cè)[6]。結(jié)果表明：外徑增長速快的環(huán)件要比速度慢的環(huán)件在空隙形成方面要少，這為解決環(huán)軋出現(xiàn)孔隙問題提供了新的方法。解決充型和間隙問題在很大程度上提高了環(huán)件的機(jī)械性能。

本文主要利用simufact forming對(duì)不同環(huán)軋參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析其對(duì)成品環(huán)件的影響，從而優(yōu)化環(huán)軋參數(shù)，提高環(huán)件的尺寸精度和機(jī)械性能，降低報(bào)廢率和生產(chǎn)成本，提高企業(yè)市場競爭力，此外，對(duì)于40Cr13環(huán)件徑-軸向環(huán)軋工藝的研究具有重要意義。

1 環(huán)軋三維模型的建立及基礎(chǔ)理論

1.1 環(huán)軋三維模型的建立

環(huán)軋的類型主要分為徑向環(huán)軋和徑-軸向環(huán)軋，根據(jù)不同的需要選擇不同的類型，由于對(duì)40Cr13環(huán)件的徑、軸向要求較高，因此本文選擇徑-軸向環(huán)軋。下面根據(jù)輾環(huán)機(jī)和所需環(huán)軋的環(huán)件尺寸如表1所示進(jìn)行建模，模型如圖1。

表1 模型參數(shù) mm

圖1 環(huán)軋三維模型

1.2 環(huán)件模型運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

在徑-軸向環(huán)軋過程中，驅(qū)動(dòng)輥對(duì)環(huán)件的摩擦力使其轉(zhuǎn)動(dòng)，使環(huán)件變形均勻。假設(shè)驅(qū)動(dòng)輥和環(huán)件之間是純滾動(dòng)，且環(huán)件在環(huán)軋過程中一直保持圓形。設(shè)環(huán)件毛坯的初始內(nèi)徑為d0，初始外徑為D0，初始壁厚為B0，初始軸向高度為H0；環(huán)件在軋制過程中的瞬時(shí)內(nèi)徑為d，瞬時(shí)外徑為D，瞬時(shí)壁厚為B，瞬時(shí)軸向高度為H，驅(qū)動(dòng)輥直徑為D1，芯輥直徑為D2，驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速為n1。

1.2.1 環(huán)件轉(zhuǎn)速計(jì)算

根據(jù)假設(shè)：驅(qū)動(dòng)輥與環(huán)件之間為純滾動(dòng)，則驅(qū)動(dòng)輥的外表面與環(huán)件的外表面接觸處的線速度相等。則環(huán)件的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)速度n[7]。

由式（1）可知，若驅(qū)動(dòng)輥的轉(zhuǎn)速n1保持不變，隨著環(huán)軋的進(jìn)行，環(huán)件瞬時(shí)外徑D逐漸增大，環(huán)件的轉(zhuǎn)速n會(huì)隨著環(huán)軋的進(jìn)行不斷減小。

1.2.2 內(nèi)、外徑增長速度

本文是利用剛塑性有限元法，只考慮塑性變形，根據(jù)環(huán)件軋制過程中體積不變得[52]：

將式（3）（4）對(duì)時(shí)間t進(jìn)行求導(dǎo)得：

環(huán)件外徑增長速度：

環(huán)件內(nèi)徑增長速度：

環(huán)件的瞬時(shí)厚度：

1.3 環(huán)軋參數(shù)設(shè)置

環(huán)軋參數(shù)設(shè)置如表2，這些參數(shù)是根據(jù)之前同類產(chǎn)品加工時(shí)的參數(shù)以及計(jì)算和環(huán)軋經(jīng)驗(yàn)所設(shè)置的。

把前面的三維模型導(dǎo)入simufact forming軟件中，根據(jù)表2設(shè)置參數(shù)，然后進(jìn)行模擬仿真。

1-2 環(huán)軋參數(shù)

2 環(huán)軋參數(shù)的優(yōu)化

表2的環(huán)軋參數(shù)是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及計(jì)算設(shè)置的，但是環(huán)軋結(jié)果較差，環(huán)件的尺寸精度低、機(jī)械性能較差。為了解決這些問題，對(duì)環(huán)軋參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，本文選取了環(huán)件初始軋制溫度、驅(qū)動(dòng)輥摩擦系數(shù)和驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速三個(gè)參數(shù)，通過模擬仿真，采用單一變量法對(duì)其優(yōu)化。

2.1 環(huán)件初始軋制溫度的優(yōu)化

本文選取四組初始軋制溫度：1000℃、1100℃、1200℃、1300℃，保持其它參數(shù)不變，分別對(duì)四個(gè)不同參數(shù)進(jìn)行模擬仿真。

2.1.1 環(huán)件初始溫度對(duì)環(huán)件等效塑性應(yīng)變的影響

圖2是環(huán)件外側(cè)某點(diǎn)（變形較大處）等效塑性應(yīng)變隨軋制時(shí)間的變化規(guī)律曲線，可以發(fā)現(xiàn)：該點(diǎn)處的等效塑性應(yīng)變速度隨著軋制的進(jìn)行，先增大，后減小。相比于其他初始軋制溫度，在1000℃時(shí)，等效塑性應(yīng)變的跨度較大，塑性變形不均勻，環(huán)件的機(jī)械性能會(huì)有所下降。所以環(huán)件的初始軋制溫度要大于1000℃。

圖2 不同環(huán)件初始軋制溫度下環(huán)件外側(cè)某點(diǎn)等效塑性應(yīng)變變化規(guī)律

2.1.2 環(huán)件初始溫度對(duì)軋輥軋制力的影響

如下頁圖3所示：驅(qū)動(dòng)輥所受軋制力在軋制初始階段迅速上升，在10 s達(dá)到峰值，隨著軋制的進(jìn)行，軋制力大小逐漸趨于穩(wěn)定。在不同的初始軋制溫度下，溫度越低，軋制力越大，大于1000℃時(shí)，軋制力的大小相差較小。

2.1.3 環(huán)件初始溫度對(duì)于環(huán)件溫度分布的影響

從下頁圖4可發(fā)現(xiàn)：在環(huán)件初始軋制溫度為1100℃時(shí)，環(huán)件溫度分布相比于其它溫度下較均勻，有利于環(huán)件機(jī)械性能的提高。

綜上所述，環(huán)件初始軋制溫度在1100℃時(shí)，環(huán)件的等效塑性應(yīng)變的變化范圍較小，且溫度分布較為均勻。在環(huán)件初始軋制溫度為1100℃、1200℃和1300℃時(shí)，環(huán)件對(duì)于驅(qū)動(dòng)輥的軋制力相差不大，所以綜合考慮，在其它條件不變的情況下，40Cr13環(huán)件初始溫度選擇1100℃比較合適。

圖3 驅(qū)動(dòng)輥在環(huán)件不同初始溫度下所受軋制力的變化規(guī)律圖

2.2 驅(qū)動(dòng)輥摩擦系數(shù)的優(yōu)化

利用環(huán)件初始軋制溫度的優(yōu)化結(jié)果，其他參數(shù)不變，選取四組驅(qū)動(dòng)輥摩擦系數(shù)：0.83、0.88、0.93、0.98，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

2.2.1 驅(qū)動(dòng)輥摩擦系數(shù)對(duì)環(huán)件等效塑性應(yīng)變的影響

和圖2一樣，圖5是表示環(huán)件外側(cè)某點(diǎn)（變形較大處）等效塑性應(yīng)變?cè)诓煌?qū)動(dòng)輥摩擦系數(shù)下隨軋制時(shí)間的變化規(guī)律曲線，等效塑性應(yīng)變變化速率總的變化規(guī)律是先增大，后減小，并趨向穩(wěn)定?？梢园l(fā)現(xiàn)：隨著驅(qū)動(dòng)輥摩擦系數(shù)的增大，等效塑性應(yīng)變的跨度和峰值都逐漸減小。

2.2.2 驅(qū)動(dòng)輥摩擦系數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)輥所受軋制力的影響

從圖6可以發(fā)現(xiàn)：驅(qū)動(dòng)輥所受軋制力隨時(shí)間的變化先增大后，在10 s時(shí)達(dá)到峰值后逐漸減小。在不同的驅(qū)動(dòng)輥摩擦系數(shù)下，驅(qū)動(dòng)輥所受軋制力大小基本相等，驅(qū)動(dòng)輥摩擦系數(shù)對(duì)于軋制力影響較小。

圖5 不同驅(qū)動(dòng)輥摩擦系數(shù)下環(huán)件外側(cè)某點(diǎn)等效塑性應(yīng)變變化規(guī)律

圖6 驅(qū)動(dòng)輥在不同驅(qū)動(dòng)輥摩擦系數(shù)下所受軋制力的變化規(guī)律圖

2.2.3 驅(qū)動(dòng)輥摩擦系數(shù)對(duì)環(huán)件溫度的影響

從圖7可以發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于其它驅(qū)動(dòng)輥摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)為0.88時(shí)，環(huán)件溫度分布較為均勻。

圖7 不同驅(qū)動(dòng)輥摩擦系數(shù)下環(huán)件溫度（℃）分布云圖

綜上所述，隨著驅(qū)動(dòng)輥摩擦系數(shù)的增大，環(huán)件等效塑性應(yīng)變分布越均勻，但對(duì)軋輥的軋制力影響不大，驅(qū)動(dòng)輥摩擦系數(shù)為0.88時(shí)，環(huán)件等效塑性應(yīng)變分布的均勻性與驅(qū)動(dòng)輥摩擦系數(shù)為0.98時(shí)相差較小，且環(huán)件溫度分布較均勻，綜合三個(gè)方面考慮，驅(qū)動(dòng)輥的摩擦系數(shù)取0.88較好。

2.3 驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速的優(yōu)化

同樣利用上面的兩個(gè)參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果，其它參數(shù)不變，選擇四組驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速：16 r/min、20 r/min、25 r/min、32 r/min，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

2.3.1 驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速對(duì)環(huán)件等效塑性應(yīng)變的影響

從圖8可以發(fā)現(xiàn)：隨著驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速的降低，環(huán)件等效塑性應(yīng)變的變化跨度及峰值都越來越小，即變化越均勻。

圖8 不同驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速下環(huán)件外側(cè)某點(diǎn)等效塑性應(yīng)變變化規(guī)律

2.3.2 驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速對(duì)驅(qū)動(dòng)輥所受軋制力的影響

從圖9可以發(fā)現(xiàn)：驅(qū)動(dòng)輥所受軋制力在軋制初始階段急劇增大，10 s時(shí)達(dá)到峰值，隨后軋制力逐漸減小。在不同的驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速下，隨著驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速的降低，驅(qū)動(dòng)輥所受軋制力在達(dá)到峰值以及峰值之后越來越大。

圖9 驅(qū)動(dòng)輥在不同驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速下所受軋制力的變化規(guī)律圖

2.3.3 驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速對(duì)環(huán)件溫度的影響

從圖10可以發(fā)現(xiàn)：相對(duì)于其它驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速為20 r/min時(shí)，環(huán)件溫度分布較為均勻。

圖10 不同驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速下環(huán)件溫度（℃）分布云圖

綜上所述，隨著驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速的增大，環(huán)件等效塑性應(yīng)變的不均勻性增大，軋輥受到的軋制力不斷減小，環(huán)件溫度在驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速為20 r/min分布較為均勻，綜合三者考慮，驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速選擇20 r/min較為合理。

以上利用單一變量法分別分析在不同參數(shù)下，對(duì)環(huán)件的等效塑性應(yīng)變、軋制力以及環(huán)件溫度的影響。通過這三個(gè)方面綜合考慮優(yōu)化出環(huán)軋的三個(gè)參數(shù)：環(huán)件初始溫度為1100℃，驅(qū)動(dòng)輥摩擦系數(shù)為0.88，驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速為20 r/min。

3 40Cr13徑-軸向環(huán)軋的實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證

根據(jù)上述優(yōu)化參數(shù)的結(jié)果，將客戶訂單要求的40Cr13環(huán)件（外徑×內(nèi)徑×高=Φ500mm×Φ300mm×240mm），在D53K-4000輾環(huán)機(jī)上進(jìn)行環(huán)軋（環(huán)軋后成品環(huán)件的外徑×內(nèi)徑×高=Φ686mm×Φ544mm×220mm）驗(yàn)證。

待其冷卻及精加工后，檢測(cè)此環(huán)件的尺寸精度和機(jī)械性能。檢測(cè)結(jié)果顯示：與之前未經(jīng)參數(shù)優(yōu)化環(huán)軋出的同類環(huán)件相比，此環(huán)件的尺寸精度高，尤其是圓度有很大提高，內(nèi)部組織更均勻，未發(fā)現(xiàn)任何缺陷，總體機(jī)械性能也大幅度提高，客戶滿意。

4 結(jié)語

針對(duì)40Cr13環(huán)軋參數(shù)設(shè)置的不合理對(duì)其進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，分別選取了環(huán)件初始軋制溫度、驅(qū)動(dòng)輥摩擦系數(shù)和驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速三個(gè)參數(shù)，通過模擬仿真，采用單一變量法對(duì)其優(yōu)化。優(yōu)化后的參數(shù)值為：環(huán)件初始軋制溫度為1100℃，驅(qū)動(dòng)輥摩擦系數(shù)為0.88，驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速為20 r/min，并將優(yōu)化后的參數(shù)用于該規(guī)格環(huán)件的實(shí)際環(huán)軋生產(chǎn)，結(jié)果表明：該批環(huán)件具有尺寸精度高、機(jī)械性能好等特點(diǎn)。