双金属环件轧制过程中的锻透研究_张芳萍.pdf

对双金属环件轧制过程中压下量和锻透率之间的关系进行了研究,通过建立双金属环件的三维有限元模型,借助有限元分析软件 ABAQUS,根据环件锻透理论计算了芯辊的最小压下量,并以此为依据对不同芯辊压下量进行数值模拟,分析了双金属环件轧制过程中塑性区的分布规律以及芯辊压下量对双金属环件锻透率的影响规律,验证了环件锻透理论可用于双金属环件轧制过程的锻透性分析。当压下率为 1.0%时,双金属环件完全锻透,而经验三角形法则计算的锻透率为 21%,说明经验三角形法则不能够有效地判断双金属环件轧制过程的锻透性。关键词:双金属环件;压下量;锻透率;锻透理论;经验三角形法则DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.06.015中图分类号:TG335 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)06-0102-06Research on forging penetration in rolling process of bimetal ringZhang Fangping,Zhang Anan,Cheng Xinyao,Wang Chao(Engineering Research Center of Heavy Machinery,Ministry of Education,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030000,China)Abstract:The relationship between reduction amout and forging penetration rate in the rolling process of bimetallic ring was deeply stud-ied,and by establishing a three-dimensional finite element model of bimetallic ring,using the finite element analysis software ABAQUS,the minimum reduction amount of core roller was calculated based on the forging penetration theory of ring.Then,the numerical simula-tion was conducted under different reduction amounts of core roller,and the distribution laws of plastic zone in the rolling process of bimet-al ring and the influence of the reduction amount of core roller on the forging penetration rate of bimetal ring were analyzed to verify that the forging penetration theory of ring could be used for the forging penetration analysis of the rolling process for bimetallic ring.The results show that when the reduction ratio is 1.0%,the bimetallic ring is completely forged,but the forging penetration rate calculated by the em-pirical triangle rule is 21%,indicating that the empirical triangle rule cannot effectively judge the forging penetration of the rolling process for bimetallic ring.Key words:bimetallic ring;reduction amount;forging penetration rate;forging penetration theory;empirical triangie rule收稿日期:2022-08-03;修订日期:2022-11-10基金项目:山西省先进钢铁材料重点科技创新平台项目(2018-05D115061-2)作者简介:张芳萍(1971-),女,硕士,副教授E-mail:2002055 金属环形件是装备制造业和工业领域典型的传动、回转、连接的基础零件1。双金属环件能够综合各组元的优点,适用于不同的工作环境,被广泛应用于各行各业。而双金属环件在轧制过程中,有时因未满足锻透条件会出现零件转动,但尺寸却未发生变化的情况2。目前,我国对双金属环件轧制过程的锻透研究,所依据的理论来源主要是华林等3提出的环件锻透相当于有限高度块料拔长的计算模型,并依据滑移线理论分析计算模型的塑性变形,得到环件的锻透条件。王成威4将环件锻透条件应用于复合材料轴承套圈冷辗扩研究中,而对于锻透条件是否适用于双金属复合材料的锻透分析,并无进一步论证。Yang S5基于滑移线场和矩阵理论,在 GFM 锻压机上对棒材的锻透性进行了系统研究和实验验证。范佳鑫等6研究发现,使用含有预成形段和双圆弧的锤头,其锻透性比仅含有整形段和凹圆弧的锤头有显著改善。王俊士等7在旋转锻造过程中发现,随着锤头入口阶数及角度的变化,在不提高径向应力的同时工件锻透性可得到改善,达到锻透效果。栾谦聪等8验证了经验三角形法则能够更保守地判断轴类锻件径向锻造过程中的锻透性,安全系数更高,可用于工业生产。而对于经验三角形法则是否也适用于双金属环件的锻透性分析,国内外对其研究较少。因此,为了解决轧制过程中双金属环件只是转动但尺寸不变的现象,对双金属环件进行锻透分析,以提高环件的质量。1 理论依据1.1 环件锻透理论环件产生轧制变形的条件为3:h hmin=6.55 10-3(R-r)21R1+1R2+1R-1r()(1)式中:h 为轧辊径向每转进给量;hmin为环件每转进给量的最小值;R1为芯辊的工作半径;R2为驱动辊的工作半径;r、R 分别为环坯的内、外半径。1.2 经验三角形法则计算锻透性经验三角形法则示意图如图 1 所示,根据该方法可得,锻透深度是由以 AB 为底的等腰直角三角形顶点的深度确定9-10。依据经验三角形法则,提出了计算锻透深度的公式:E=2hsincos2()-h(2)式中:E 为锻透深度;h 为单边压下量;为锤头预成形段与轴向的夹角。图 1 经验三角形法则示意图Fig.1 Schematic diagram of empirical triangle rule压下率和锻透率为:=hh0(3)0=Er0(4)式中:为压下率;0为锻透率;h0为双金属环件的壁厚;r0为双金属环件的一半壁厚,r0=h0/2。在环件轧制过程中,不同的毛坯尺寸以及不同的单边压下量下,锤头预成形段与轴向的夹角也不同。根据式(2)式(4)得到单边压下量与锤头预成形段和轴向夹角的关系、锻透率与压下率的关系,如图 2 和图 3 所示。图 2 单边压下量和锤头预成形段与轴向夹角的关系曲线Fig.2 Relationship curve between unilateral reduction amount and angle of preformed section for hammer head and axial direction图 3 锻透率与压下率的关系Fig.3 Relationship between forging penetration rate and reduction rate由图 2 和图 3 可知,锤头预成形段与轴向的夹角随着单边压下量的增加而增大,可近似表示成单边压下量的线性函数,而锻透率的增长速度随着压下率的增加而减少。2 双金属环件轧制的有限元模拟2.1 轧制模型的建立在双金属环件的轧制锻透模型中,只要在轧制开始时双金属环件可以满足锻透条件,那么在之后的轧制过程中双金属环件的锻透条件均会得到满足3。所以,只需保留芯辊沿径向直线进给运动的自由度并约束驱动辊 6 个方向的自由度即可,其三维有限元模型如图 4 所示,模型相关工艺参数见表1。本文的轧制环境为冷辗扩,研究对象为已冶金结合 的GCr15/40Cr双金属环件,所以,在Abaqus/301第 6 期张芳萍等:双金属环件轧制过程中的锻透研究 图 4 双金属环件的三维有限元模型Fig.4 3D finite element model of bimetal ring表 1 锻透模型参数Table 1 Parameters of forging penetration model 参数数值毛坯内、外半径/m0.068、0.040毛坯轴向宽度/m0.010毛坯基层、衬层壁厚/m0.014、0.014驱动辊半径/m0.104芯辊半径/m0.017芯辊、驱动辊厚度/m0.023、0.023芯辊进给速度/(ms-1)0.001轧辊与轧件内、外表面之间的摩擦因数0.5、0.3Explicit 软件中选择 Constraint 下的 Tie(绑定)命令,定义双层金属坯料之间的约束4。双金属环件的材料力学性能见表 2。表 2 双金属环件的力学性能Table 2 Mechanical properties of bimetal ring 材料密度/(gcm-3)泊松比屈服强度ReL/MPa弹性模量E/GPaGCr15 钢7.810.300518.4220740Cr 钢7.870.277785.002112.2 研究方法的确定环件锻透是指塑性区穿透环件壁厚,使环件壁厚减小、直径扩大的塑性变形。如某一单元的等效塑性应变值大于 0 时,说明该单元发生了塑性变形。当环件沿径向所有单元的等效塑性应变值均大于 0时,说明环件发生了锻透。所以,根据李冠国11的判据,当轧制孔型区中环件沿壁厚方向所有单元的等效塑性应变值大于 0 时,则认为坯料被锻透。由于所建模型为三维模型,所以,考虑了环宽位置对环件锻透的影响12。利用有限元分析软件ABAQUS 得到环件不同轴向位置处的等效塑性应变区。为方便对比,在数值模拟中,芯辊的不同进给量以压下率 h/h0来表示,如图 5 所示,芯辊沿驱动辊轴心方向作直线进给运动,通过改变压下率进行数值模拟,分析压下率对环件塑性区分布和锻透的影响规律。图 5 压下率示意图Fig.5 Schematic diagram of reduction rate由于轴向方向为对称变形,故取环件宽度的一半进行分析。图 6 为双金属环件的纵向截面示意图,沿环件轴向方向分别取端面、1/6、1/3、中心 4 个位置。在同一压下率下依次截取不同位置的等效塑性应变分布,分析不同位置的双金属环件的塑性分布规律及其对双金属环件锻透的影响。图 6 双金属环件的纵向截面示意图Fig.6 Schematic diagram of longitudinal cross-section for bimetal ring 芯辊进给量的设置是以环件锻透理论计算为依据,即压下率为 1%。然后分别取压下率为 0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和 1.0%进行数值模拟,得到环件沿轴向 4 个不同位置的等效塑性应变分布情况。然后,在相同进给量情况下,比较经验三角形法则和环件锻透理论对环形件锻透分析的准确性。2.3 有限元模型验证环件轧制模拟是一种准静态分析,一般要求轧件变形的动能值较小且变化平稳,而内能值较大,动能与内能的比值较小且一般不超过 0.1,这样能使大部分能量用于模拟变形。图 7 为双金属环件轧制过程中能量随时间的变化曲线,可以看出,轧制过程中动能与内能比值低于 0.1,说明所建的模型可用于准静态分析,结果可靠。401锻压技术 第 48 卷图 7 双金属环件轧制过程能量变化Fig.7 Energy change of bimetal ring during rolling process3 模拟结果分析图 8 图 12 分别表示 5 种不同压下率下双金属环件在 4 种不同位置的等效塑性应变分布。图8 图 12 中灰色部分和黑色部分分别代表双金属环件的塑性区和弹性区,虚线代表双金属环件的复合层。3.1 芯辊压下率对双金属环件锻透的影响分析图 8a 图 12a,对比不同压下率下双金属环件同一位置的等效塑性应变分布可知,双金属图 8 双金属环件不同位置的等效塑性应变分布(h/h0=0.2%)(a)端面(b)1/6(c)1/3(d)中心Fig.8 Equivalent plastic strain distributions of bimetal ring at different locations(h/h0=0.2%)(a)End face(b)1/6 location(c)1/3 location(d)Center图 9 双金属环件不同位置的等效塑性应变分布(h/h0=0.4%)(a)端面(b)1/6(c)1/3(d)中心Fig.9 Equivalent plastic strain distributions of bimetal ring at different locations(h/h0=0.4%)(a)End face(b)1/6 location(c)1/3 location(d)Center图 10 双金属环件不同位置的等效塑性应变分布(h/h0=0.6%)(a)端面(b)1/6(c)1/3(d)中心Fig.10 Equivalent plastic strain distributions of bimetal ring at different locations(h/h0=0.6%)(a)End face(b)1/6 location(c)1/3 location(d)Center501第 6 期张芳萍等:双金属环件轧制过程中的锻透研究 图 11 双金属环件不同位置等效塑性应变分布(h/h0=0.8%)(a)端面(b)1/6(c)1/3(d)中心Fig.11 Equivalent plastic strain distributions of bimetal ring at different locations(h/h0=0.8%)(a)End face(b)1/6 location(c)1/3 location(d)Center图 12 双金属环件不同位置的等效塑性应变分布(h/h0=1.0%)(a)端面(b)1/6(c)1/3(d)中心Fig.12 Equivalent plastic strain distributions of bimetal ring at different locations(h/h01.0%)(a)End face(b)1/6 location(c)1/3 location(d)Center环件沿壁厚方向塑性区最先出现在内环面一端,并向外侧扩散,当扩散到一定位置后,外环面一端开始产生塑性区,并随着芯辊压下量的增加,其塑性区向内侧扩散。两股塑性区随着芯辊压下量的增加沿相反的方向扩散直至汇合,虽然环件外环面端面迟于内环面端面发生塑性变形,但外端面的塑性区与结合层的距离小于内端面塑性区与复合层的距离(以图 8a图 12a 为例),说明外端面塑性区的扩散速度比内端面塑性区扩散速度快。3.2 双金属环件沿轴向的锻透性比较同一压下率时双金属环件不同位置的等效塑性应变分布可以看出,塑性区分布形状在双金属环件的不同位置基本相同,但塑性区面积是由环件端面至中心逐渐扩大。从图 8 图 12 可以看到,基层的内、外端面的塑性区域之间的距离由端面至中心部位逐渐缩小,可以看到,中心处两股塑性区距离明显减小,而端面处两股塑性区距离明显很大。由此可知,双金属环件在锻透过程中塑性区的扩散速度是分别由双金属环件上、下端面至中心位置依次扩大的,双金属环件中心部位的塑性区将最先穿透壁厚,上、下端面的塑性区最后穿透壁厚。3.3 锻透性计算结果对比通过有限元模拟软件结果可知,当芯辊压下率为 1.0%时,塑性区贯穿整个双金属环件壁厚,即锻透率为 100%,这说明环件锻透理论可用于双金属环件的锻透分析,且具有一定的准确性。由图 3可知,当压下率为 1.0%时,由经验三角形法则计算的锻透率为 21%,与模拟结果相比相差过大,说明三角形经验法则并不适合用于双金属环件的锻透分析。4 结论(1)双金属环件在锻透过程中,随着芯辊压下量的增加,内环面一端先于外环面一端产生塑性区,两股塑性区沿相反方向扩散,且外端面塑性区的扩散速度快于内端面塑性区。(2)双金属环件在锻透过程中,同一压下率、不同轴向位置的塑性区分布形状基本相同,但分布面积和扩散速度不同,呈现的规律为:塑性区的分布面积和扩散速度是由上、下端面至中心位置依次增加,中心位置将最先锻透,端面最后被锻透。(3)通过环件锻透理论计算的锻透条件与模拟结果比较可知,环件锻透理论可用于双金属环件的锻透分析,且具有较高的准确性,而经验三角形法则并不适合双金属环件的锻透分析。601锻压技术 第 48 卷参考文献:1 裴蒙蒙,齐会萍,秦芳诚,等.双金属复合环形构件制造技术研究进展 J.铸造技术,2021,42(1):53-60.Pei M M,Qi H P,Qin F C,et al.Research progress of bimetallic composite ring component manufacturing technology J.Casting Technology,2021,42(1):53-60.2 汤速,许树勤,刘杰.环件轧制锻透条件有限元模拟及实验研究 J.锻压装备与制造技术,2009,44(4):62-64.Tang S,Xu S Q,Liu J.Condition of ring rolling forging through fi-nite element simulation and experimental research J.China Metafforming Equipment&Manufacturing Technology,2009,44(4):62-64.3 华林,黄兴高,朱春东.环件轧制理论与技术 M.北京:机械工业出版社,2011.Hua L,Huang X G,Zhu C D.Theory and Technology of Ring Rolling M.Beijing:China Machine Press,2011.4 王成威.双金属复合材料轴承套圈冷辗扩成形技术研究D.宁波:宁波大学,2018.Wang C W.Research on Cold Rolling Forming Technology of Bi-metallic Composite Bearing Ring D.Ningbo:Ningbo Universi-ty,2018.5 Yang S.Research into the GFM forging process J.Journal of Materials Processing Technology,1991,28(3):307-319.6 范佳鑫,朱艳春.材料开坯方式及锻透性的研究现状 J.热加工工艺,2022,51(5):6-12.Fan J X,Zhu Y C.Current status of research on material opening methods and forging permeability J.Thermal Processing Tech-nology,2022,51(5):6-12.7 王俊士,汪朝晖,徐文侠,等.锤头入口曲面对旋锻加工工件变形特性的影响 J.塑性工程学报,2022,29(6):17-24.Wang J S,Wang Z H,Xu W X,et al.Influence of hammer head entrance surface on the deformation characteristics of workpieces processed by spin forging J.Journal of Plasticity Engineering,2022,29(6):17-24.8 栾谦聪,董湘怀,吴云剑.径向锻造工艺参数对锻透性的影响 J.中国机械工程,2014,25(22):3098-3103.Luan Q C,Dong X H,Wu Y J.Influence of radial forging process parameters on forging permeability J.China Mechanical Engi-neering,2014,25(22):3098-3103.9 栾谦聪,董湘怀,吴云剑.基于经验法则的锻透深度计算公式推导与验证 J.模具技术,2013(3):1-6,27.Luan Q C,Dong X H,Wu Y J.Deduction and verification of forg-ing penetration depth calculation formula based on empirical rule J.Die and Mould Technology,2013(3):1-6,27.10中国锻压协会.特种锻造 M.北京:国防工业出版社,2011.China Forging Association.Special Forging M.Beijing:Nation-al Defense Industry Press,2011.11李冠国.基于有限元模拟的大型环件轧制条件优化及试验研究 D.天津:天津理工大学,2020.Li G G.Optimization and Experimental Research on Rolling Con-ditions of Large Ring Parts Based on Finite Element Simulation D.Tianjin:Tianjin University of Technology,2020.12左治江.环件冷辗扩变形规律和工艺模拟研究 D.武汉:武汉理工大学,2006.Zuo Z J.Study on Deformation Law and Process Simulation of Ring in Cold Rolling D.Wuhan:Wuhan University of Technology,2006.锻压技术 杂志敬告新老广告客户2023年广告征集工作火热进行中。本刊主要承接锻造、冲压、旋压、辊锻、摆辗、斜轧、横轧和楔横轧设备及锻压辅助设备,仪器、仪表、模具工业、工业加热设备、热处理设备、加热技术、摩擦与润滑、工艺材料和锻件、冲压件、管件及其特种成形件(旋压、辊锻、摆辗、斜轧、横轧和楔横轧)等广告;各科研院所科技成果转让、企业介绍等与本行业相关的广告。您选择 锻压技术 进行广告宣传的理由:(1)平台大,宣传效果好:全国中文核心期刊,全国锻压行业会刊,是锻压领域知名、精品期刊;与中国机械总院集团北京机电研究所有限公司、中国机械工程学会塑性工程分会、全国锻压标准化技术委员会密切合作;报道内容全,发行量大。(2)服务全,广告费用低:立体式全方位宣传,杂志、网站和微信等纸媒和数字媒体宣传渠道。请登录本刊网站,点击“广告合作”查询具体广告价目。为了使您的产品能够保持畅销的势头,不断占领国内外市场,请您抓紧时间安排贵公司在本刊刊登的广告计划。欢迎广大新老客户踊跃咨询、积极预定。需刊登广告者,敬请与本刊联系。愿我们真诚的服务能为您创造良好的效益。地址:北京市海淀区学清路 18 号 锻压技术 编辑部 广告部 邮编:100083联系人:林玉彤 手机:[phone] E-mail:fst_linyutong 电话:[phone]Http:/701第 6 期张芳萍等:双金属环件轧制过程中的锻透研究