文/華林，韓星會·武漢理工大學(xué)湖北省現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)重點(diǎn)實驗室

大型環(huán)件徑軸向軋制成形技術(shù)研究和應(yīng)用

文/華林，韓星會·武漢理工大學(xué)湖北省現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)重點(diǎn)實驗室

軋制原理與特點(diǎn)

大型環(huán)件徑軸向軋制的工作原理如圖1所示，軋制過程中，驅(qū)動輥在電機(jī)驅(qū)動下繞自身軸線作主動旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，芯輥在液壓裝置作用下作徑向進(jìn)給運(yùn)動和從動旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，上下軸向錐輥在電機(jī)驅(qū)動下作主動旋轉(zhuǎn)運(yùn)動、在液壓裝置作用下作跟隨軋制運(yùn)動，同時上軸向錐輥還在液壓裝置作用下作軸向進(jìn)給運(yùn)動，導(dǎo)向輥在液壓裝置作用下從環(huán)件的兩側(cè)以一定的壓力抱住環(huán)件，以保證軋制過程的穩(wěn)定性和成形環(huán)件的圓度。環(huán)件在各軋輥的作用下連續(xù)不斷地通過由驅(qū)動輥與芯輥構(gòu)成的徑向孔型和由軸向錐輥構(gòu)成的軸向孔型，產(chǎn)生壁厚減小、高度減小、直徑擴(kuò)大、截面輪廓成形的連續(xù)局部塑性變形，當(dāng)環(huán)件的直徑和高度達(dá)到預(yù)定尺寸時，芯輥和上軸向錐輥停止進(jìn)給運(yùn)動，經(jīng)過整圓后整個軋制過程結(jié)束。

圖1 大型環(huán)件徑軸向軋制原理示意圖

軋制成形有限元模擬

武漢理工大學(xué)對大型環(huán)件徑軸向軋制靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)、幾何學(xué)和動力學(xué)等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究。根據(jù)環(huán)件在徑向孔型和軸向孔型受力變形的特點(diǎn)，分別建立了環(huán)件徑向孔型和軸向孔型力學(xué)模型，通過幾何學(xué)、靜力學(xué)、塑性力學(xué)分析計算，建立了滿足環(huán)件咬入徑、軸向孔型并被塑性穿透的力學(xué)穩(wěn)定條件。通過運(yùn)動學(xué)、幾何學(xué)分析計算，推導(dǎo)出環(huán)件高度和壁厚減小速度、外徑擴(kuò)大速度，以及旋轉(zhuǎn)速度的合理范圍，建立了環(huán)件運(yùn)動學(xué)穩(wěn)定條件?；谄?jīng)_頭壓入有限高板條模型，結(jié)合滑移線理論和變形功理論，建立了徑向和軸向軋制力、軋制力矩以及電機(jī)功率等力能參數(shù)設(shè)計方法。

然而，大型環(huán)件徑軸向軋制涉及直線進(jìn)給運(yùn)動、旋轉(zhuǎn)軋制運(yùn)動、導(dǎo)向運(yùn)動以及環(huán)件自身的轉(zhuǎn)動和直徑擴(kuò)大運(yùn)動，而且軋制過程是時變的，具有高度的幾何非線性、物理非線性和接觸非線性，這使得其物理力學(xué)機(jī)制變得極為復(fù)雜，單純采用理論解析和試驗的方法很難解決大型環(huán)件徑軸向軋制所面臨的問題，而采用有限元模擬可以實現(xiàn)大型環(huán)件徑軸向軋制過程全方位的虛擬仿真，獲得成形過程中全方位的過往信息，為大型環(huán)件徑軸向軋制成形工藝優(yōu)化設(shè)計和過程控制提供指導(dǎo)和依據(jù)。

圖2 大型環(huán)件徑軸向軋制成形全過程有限元模擬模型

有限元模擬模型的建立

解決了算法確定、熱力耦合處理、材料建模、動態(tài)邊界條件處理、網(wǎng)格優(yōu)化設(shè)計控制、導(dǎo)向輥自適應(yīng)控制建模、錐輥運(yùn)動軌跡確定等建模關(guān)鍵技術(shù)，建立了鐓粗→沖孔→落料→整平→軋制全過程有限元模擬模型，如圖2所示，為大型環(huán)件徑軸向軋制過程提供了先進(jìn)、可靠的仿真平臺。

軋制過程變形規(guī)律

利用可靠的有限元模擬模型，系統(tǒng)研究鐓粗→沖孔→落料→整平→軋制全過程中環(huán)件應(yīng)力場、應(yīng)變場、速度場、溫度場、晶粒尺寸、動態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)、靜態(tài)再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)的分布和演化規(guī)律，并揭示了各種工藝參數(shù)對大型環(huán)件徑軸向軋制全過程宏觀變形、組織演化的影響規(guī)律。全過程模擬中坯料的溫度分布如圖3所示，坯料的晶粒尺寸分布如圖4所示。

圖3 全過程模擬中坯料的溫度分布

圖4 全過程模擬中坯料的晶粒尺寸分布

徑軸向軋制工藝

大型環(huán)件徑軸向軋制工藝規(guī)程如圖5所示，大致可分為以下5個階段：

⑴預(yù)軋制階段，以較低的進(jìn)給速度對毛坯進(jìn)行預(yù)整形，消除毛坯的不圓度和壁厚差，使毛坯順利咬入孔型。

⑵加速軋制階段，毛坯咬入孔型后，逐漸增加進(jìn)給速度，使環(huán)件較快被塑性鍛透而產(chǎn)生整體軋制變形。

⑶穩(wěn)定軋制階段，進(jìn)給量達(dá)到設(shè)計值后，保持一定的進(jìn)給速度進(jìn)行軋制，使環(huán)件產(chǎn)生穩(wěn)定的變形。

圖5 大型環(huán)件徑軸向軋制工藝規(guī)程

⑷降速軋制階段，環(huán)件經(jīng)過穩(wěn)定軋制階段軋制變形后，幾何和運(yùn)動參數(shù)變化較大，剛性下降，為了防止環(huán)件幾何運(yùn)動變化太劇烈而引起振動和剛性失穩(wěn)，逐漸降低進(jìn)給速度，控制軋制穩(wěn)定性。

⑸整形定徑軋制階段，當(dāng)環(huán)件尺寸接近預(yù)設(shè)尺寸時，逐漸降低進(jìn)給速度到一個較小值進(jìn)行軋制，防止環(huán)件直徑慣性軋制超差，并對環(huán)件進(jìn)行整形，減小環(huán)件的橢圓度、壁厚差和端面不平整度。

大型環(huán)件徑軸向軋制工藝規(guī)程設(shè)計，除了需要合理分配軋制過程5個階段的進(jìn)給量和進(jìn)給速度外，還應(yīng)匹配設(shè)計徑向和軸向軋制進(jìn)給量的比例。典型的徑軸向軋制進(jìn)給曲線如圖6所示，軋制過程中徑向和軸向進(jìn)給分配通常有3個階段。

⑴軋制初期毛坯端面不平整，較大的軸向進(jìn)給量容易引起錐輥接觸跳動，因此分配相對較少的軸向進(jìn)給量來逐漸消除毛坯端面不平整度。

⑵環(huán)件咬入孔型產(chǎn)生整體軋制變形后，保持一定比例的徑向和軸向進(jìn)給速度進(jìn)行聯(lián)合軋制，使環(huán)件穩(wěn)定變形。

圖6 大型環(huán)件徑軸向軋制進(jìn)給曲線

⑶環(huán)件通過連續(xù)變形累積產(chǎn)生了壁厚差、高度差和橢圓度，軋制末期先停止軸向進(jìn)給，通過緩慢徑向進(jìn)給來逐漸消除環(huán)件的壁厚差、高度差和橢圓度，對環(huán)件進(jìn)行整形。

在上述理論和工藝研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合目前各種型號軋制設(shè)備參數(shù)，建立了大型環(huán)件徑軸向軋制鍛件設(shè)計、毛坯設(shè)計、設(shè)備選擇、軋輥設(shè)計、成形參數(shù)和力能參數(shù)設(shè)計完整工藝設(shè)計體系。然后基于VisualBasic軟件開發(fā)平臺，開發(fā)了環(huán)件軋制工藝設(shè)計與控制規(guī)劃CAPP系統(tǒng)軟件。該軟件有效地將大型環(huán)件徑軸向軋制理論與實際生產(chǎn)相結(jié)合，對于指導(dǎo)大型環(huán)件徑軸向軋制生產(chǎn)工藝設(shè)計，提高設(shè)計效率和準(zhǔn)確度具有顯著意義。

徑軸向軋環(huán)機(jī)

目前，張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司、武漢理工大學(xué)和濟(jì)南東力數(shù)控機(jī)械有限公司聯(lián)合研發(fā)成功了φ9m環(huán)件徑軸向軋環(huán)機(jī)，如圖7所示，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)點(diǎn)如下：

圖7 φ9m環(huán)件徑軸向軋環(huán)機(jī)

圖8 徑軸向軋制成形的φ9m環(huán)件

⑴驅(qū)動輥電機(jī)采用直流電機(jī)，可實現(xiàn)軋制線速度調(diào)節(jié)，以滿足不同尺寸環(huán)件軋制需求。

⑵采用芯輥下抽技術(shù)，芯輥上支撐位置設(shè)有液壓馬達(dá)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可實施監(jiān)控芯輥偏移量，并進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，以控制徑向孔型孔隙平行度，從而降低環(huán)件錐度。

⑶采用滾動導(dǎo)軌技術(shù)，導(dǎo)軌少、無磨損，機(jī)架運(yùn)動更平穩(wěn)。

⑷機(jī)構(gòu)位移尺寸（包括環(huán)件尺寸）檢測采用缸內(nèi)傳感器及絕對式編碼器，數(shù)據(jù)采集格式采用SSI數(shù)字信號，穩(wěn)定可靠。

⑸控制系統(tǒng)采用分布式CCLINK總線控制系統(tǒng)，操縱臺、油泵柜、液壓站均設(shè)有PLC模塊或PLC設(shè)備站，主輥/錐輥直流調(diào)速柜同樣采用CCLINK總線控制，并且具有單獨(dú)的PLC系統(tǒng)，主輥/錐輥直流調(diào)速柜和操縱臺及PLC柜之間只有一根3芯屏蔽數(shù)據(jù)線連接無其他連線，進(jìn)一步減少信號干擾。

⑹液壓系統(tǒng)采用并聯(lián)比例控制和插裝閥，各機(jī)構(gòu)動作速度快，節(jié)省軋環(huán)輔助時間。

⑺濃油潤滑采用了遞進(jìn)式集中油脂潤滑系統(tǒng)，設(shè)有潤滑故障報警功能保證潤滑油的正常供給，使設(shè)備的正常運(yùn)行更有保證。

⑻芯輥冷卻采用活動式冷卻裝置，可根據(jù)環(huán)件高度自動冷卻芯輥受熱部位，從而可以提高芯輥使用壽命。

應(yīng)用成果

基于上述研究成果，武漢理工大學(xué)和張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司聯(lián)合開發(fā)了多材質(zhì)、多規(guī)格和多形狀大型環(huán)件徑軸向軋制工藝，并制定了大型環(huán)件生產(chǎn)工藝計劃MPP，實現(xiàn)了最大直徑9m環(huán)件（圖8）、最大高度1.5m環(huán)件、最大壁厚500mm環(huán)件等典型矩形截面大型環(huán)件徑軸向軋制成形，以及外臺階、內(nèi)臺階、錐形等各種異形截面大型環(huán)件徑軸向軋制成形。

結(jié)束語

大型環(huán)件徑軸向軋制技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，其發(fā)展趨勢有以下3個方向：

⑴大型環(huán)件徑軸向軋制設(shè)備。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)水平的不斷提高，各種大型、超大型環(huán)件的需求量越來越大，徑軸向軋制設(shè)備大型化發(fā)展是未來的一個趨勢。

⑵大型環(huán)件徑軸向軋制控制技術(shù)。根據(jù)大型環(huán)件徑軸向軋制理論，應(yīng)用現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)，研究開發(fā)大型環(huán)件徑軸向軋制過程智能控制系統(tǒng)，可以在線檢測軋制毛坯幾何精度、重量誤差、材料性能等變化，優(yōu)化軋制工藝參數(shù)，實現(xiàn)大型環(huán)件徑軸向軋制過程智能控制，提高大型環(huán)件產(chǎn)品質(zhì)量。

⑶大型異形截面環(huán)件徑軸向軋制技術(shù)。直接軋制成形大型異形截面環(huán)件是大型環(huán)件徑軸向軋制技術(shù)最具吸引力的發(fā)展方向。通過對大型異形截面環(huán)件徑軸向軋制變形規(guī)律、成形理論和工藝方法的研究，對軋制毛坯進(jìn)行優(yōu)化和軋制孔型合理設(shè)計，許多大型異形截面環(huán)件將逐步實現(xiàn)直接軋制生產(chǎn)。

華林，教授，博士生導(dǎo)師，武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院院長，主要從事材料成形及控制工程領(lǐng)域教學(xué)與科研工作，作為第一完成人獲得2011國家科技進(jìn)步二等獎、2005國家科技進(jìn)步二等獎、1998GM中國科技成就二等獎。