基于Simufact 的內異形環鍛件有限元模擬仿真

文／汪剛，顧少欽，陳亞平，劉曉洋，龔麗娜，錢嘉穎·中航卓越鍛造(無錫)有限公司

環形鍛件軋制又稱環件輾擴或者擴孔，它是借助環件成形軋制設備——輾環機(又稱輾擴機或者擴孔機)使環件產品壁厚減小、高度減小、直徑擴大、截面輪廓成形的塑性加工工藝。環件軋制是連續局部塑性變形加工成形工藝，與傳統模鍛、自由鍛成形工藝相比，其優點有環件精度高、加工余量少、材料利用率高、鍛件內部質量好、生產效率高、生產成本低等。目前，環軋是被廣泛應用在軸承環、齒輪環、法蘭環、火車車輪及輪轂、燃氣輪機環等各類無縫環件的先進制技術，在工程機械、航空航天、石油裝備、新能源等許多工業領域中得到了廣泛的應用。

本文主要使用Simufact-Forming 對產品異形軋制的工藝參數進行有限元分析，并分析內異形填充情況，從而積累在異形產品上的開發經驗，提高環件的內異形成形，降低生產研發成本，提高企業市場競爭力。此外，對公司徑軸向異形環件的研究具有重要意義。

鍛件毛坯的設計

根據公司的環鍛件圖紙，設計出鍛件毛坯尺寸以及芯輥尺寸，同時根據咬合條件以及鍛透條件計算出芯輥進給的速度范圍。首先，根據環鍛件的尺寸考慮其在軋制過程中的熱膨脹以及后續加工余量，計算出環鍛件軋制后的體積情況，圖1、圖2 分別是環鍛件與芯輥示意圖。

圖1 環鍛件

圖2 芯輥

環軋幾何模型的建立及其基礎理論

環件幾何模型的建立

根據產品尺寸結構，設計內異形芯輥模具，公司的環軋設備類型屬于徑軸向輾環機，根據設備固定參數，設計環軋所需要的制坯尺寸和成形尺寸(表1)，根據表1 相關尺寸進行建模，模型如圖3 所示。

表1 模型參數

圖3 環軋三維模型

網格劃分

本軋制模型是采用八節點六面體單元，首先在環鍛件的一個截面上劃分四邊形的二維單元，然后使其圍繞原點旋轉生成六面體單元。網格劃分的越細，則計算結果越精確，同時相應的計算效率也會下降，因此在保證計算效率的同時，控制好網格的尺寸。并且在計算過程中環鍛件上與芯輥-驅動輥以及上下錐輥直接接觸的部分，變形量大，因此對環件上這部分的網格進行局部細劃分，同時Simufact 軟件采用Ringmesh 網格生成器，劃分網格后的坯料模型如圖4所示。

圖4 坯料網格劃分

材料模型

在Simufact 軟件的材料庫中有豐富的材料數據模型，本環鍛件采用42CrMo4(H3)鋼，42CrMo4 鋼為超高強度鋼，具有高強度和韌性，淬透性也好，無明顯的回火脆性，其材料性能參數可以在數據庫中找到，密度為7847.0kg/m3，楊氏模量為210000MPa，泊松比為0.283，具體材料性能參數如圖5 ～圖7 所示。

圖5 材料熱導率

圖6 材料比熱容

圖7 材料流變應力

有限元模擬參數的設置

基于有限元軟件Simufact-Forming 平臺，建立了內異形環件徑軸向軋制模擬模型。根據產品生產技術工藝參數，結合平臺軟件進行相關參數的設置。驅動輥轉速為6rpm，溫度為室溫，摩擦系數為0.7；芯輥溫度為室溫，摩擦系數為0.4，沿Y 方向進給，見圖8；材料牌號為16Mn，加熱溫度為1180℃，網格數量為14976 個；其余參數由平臺根據以上設計參數進行自行匹配，見圖9。

圖8 芯輥進給參數設計

圖9 臥式環軋整體運行參數設計

有限元模擬進程及結果分析

圖10 是在環軋模擬過程中不同時間段金屬流動及填充情況，圖中共有四個時間段的金屬流動填充情況，即環軋開始階段、芯輥進給一半階段、芯輥完全貼合坯料階段以及產品環軋結束。環件輾擴前期，隨著芯輥的慢慢進給，坯料內徑處的金屬不斷被擠壓進入芯輥臺階處，從而逐漸填充滿型腔。而隨著環軋過程的持續進行，環軋中后期芯輥臺階處慢慢與坯料完全貼合，此時坯料上下因芯輥進給擠壓形成的傾斜也慢慢消除，但是在靠近芯輥臺階邊緣處還是存在局部填充不完全現象。隨著芯輥的再次進給，邊緣處也逐漸充實，到產品環軋結束，內徑型腔基本填充滿了。

圖10 不同時間段環軋成形及金屬填充形態

觀察坯料成形過程，可以發現芯輥在進給到一定尺寸時，由于臺階處的擠壓導致金屬流動會形成坯料內徑大小頭的情況——內徑靠上區域已經開始貼合芯輥，靠下區域離貼合還有一段距離。但是隨著芯輥的進一步移動進給這種現象在慢慢減少，這個過程是否會形成折疊裂紋等缺陷還需要進一步模擬分析。結合整個模擬過程來看，產品內異形整體填充效果還是比較好的，這類產品的異形開發前景還是比較有優勢的。

結論

隨著市場對產品節能降耗的要求越來越高，異形環鍛件的軋制成形技術就是公司重要的發展方向。環鍛件的坯料尺寸設計和輔助工裝的設計是異形產品制造加工成形的關鍵環節，根據產品結構，再結合Simufact-Forming 軟件進行有限元仿真模擬，可以有效縮短產品工藝設計驗證周期，節約公司研發成本投入，為公司產品在市場上提供較大的競爭力。