径轴向轧制大型异形截面环件的有限元数值模拟研究

摘要

环件径轴向轧制是一种广泛应用于生产大型无缝环件的先进塑性回转成形技术，环件在轧制过程中受到径向辊缝和轴向辊缝的联合挤压作用，使得环件壁厚减小，高度减小，直径扩大，截面轮廓成形。环件轧制具有生产效率高、环件质量高、能源消耗少、材料利用率高等优点，所生产的环件已广泛应用于各工业领域。相比于矩形截面环件径轴向轧制，大型异形截面环件径轴向轧制过程影响因素更多，环件轧制过程也更加不稳定，但目前对其研究很少，致使实际生产工艺的设计缺乏理论指导，严重影响了大型异形截面环件的应用与发展。　　本文针对大型L形和T形两种典型的异形截面环件，共设计了异形芯辊对称轧制L形截面环件、异形锥辊轧制L形截面环件、异形锥辊轧制T形截面环件，这3种成形方案。采用有限元数值模拟方法，在DEFORM-3D平台上建立了相应的三维、热力耦合有限元模型，仿真了环件轧制过程。　　异形芯辊对称轧制L形截面环件过程中，芯辊结构对环件轧制过程的影响至关重要，本文改变了异形芯辊的倒角半径值，数值模拟了不同芯辊结构条件下的环件轧制过程，研究了芯辊结构对环件上金属的流动情况，以及对折叠缺陷和鱼尾高度的影响规律。　　异形锥辊轧制L形以及T形截面环件过程中，本文首先用数学建模的方法推导出环件轧制过程中主要参量的变化规律，包括环件直径，直径增长速度以及环件转动角速度，然后采用有限元数值模拟方法，仿真了相应的环件轧制过程，揭示了轧制过程中环件上应力、应变、温度以及轧制力的分布和演变规律，比较了数学模型预测的关键参量值与有限元数值模拟值，两者吻合良好，证明了数学模型的可靠性，可用于指导实际生产。研究结果为实际大型异形截面环件的生产提供了可行性依据，为工艺参数的设计提供了理论指导。