大錐度復(fù)雜異形環(huán)盤(pán)件軋旋成形新工藝與仿真研究

大錐度復(fù)雜異形環(huán)盤(pán)件軋旋成形新工藝與仿真研究

復(fù)雜異形環(huán)盤(pán)件自由鍛加工技術(shù)復(fù)雜的圓形環(huán)盤(pán)件件廣泛應(yīng)用于航空航天、原子能研究、船舶等現(xiàn)代化裝備制造領(lǐng)域。圖1所示為某火箭用后接頭，是一種典型的大錐度復(fù)雜異形環(huán)盤(pán)類構(gòu)件，具有表面輪廓錐度大、尺寸大(外徑大于Φ3m)，截面輪廓復(fù)雜和高徑比小等特征，目前還缺乏該類構(gòu)件先進(jìn)高效低成本的成形制造方法。自由鍛是制造錐形環(huán)鍛件的一種常用方法。于文泉等復(fù)雜異形環(huán)件輾軋是各類精密無(wú)縫環(huán)件整體成形的首選制造技術(shù)目前，主要采用圖2所示方法制造這種大錐度復(fù)雜異形環(huán)盤(pán)件，即先通過(guò)鐓粗和沖孔獲得矩形環(huán)坯，然后在環(huán)軋機(jī)上軋制得到與最終產(chǎn)品等高的矩形盤(pán)件，最后直接在矩形盤(pán)件上進(jìn)行機(jī)械切削得到異形環(huán)盤(pán)件。這種成形工藝雖然簡(jiǎn)單，但由于切削余量較多，材料利用率極低，同時(shí)還降低了生產(chǎn)效率，成本高;此外，經(jīng)切削加工后，金屬整體流線遭到嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致產(chǎn)品的組織和力學(xué)性能顯著降低。為了解決以上問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)大錐度復(fù)雜異形環(huán)盤(pán)件的精確、高效、優(yōu)質(zhì)和低成本成形制造，本文基于傳統(tǒng)的環(huán)軋?jiān)O(shè)備，提出一種大錐度復(fù)雜異形環(huán)盤(pán)件軋旋成形新工藝，詳細(xì)闡明了該工藝的成形原理，通過(guò)智能有限元仿真探討了該新工藝的可行性，并對(duì)此研究進(jìn)行了展望。1新技術(shù)原理是用復(fù)雜的圓形環(huán)盤(pán)件的旋轉(zhuǎn)法形成1.1大錐度復(fù)雜異形環(huán)盤(pán)件的生產(chǎn)大錐度復(fù)雜異形環(huán)盤(pán)件軋旋成形思路如圖3所示。先由棒料經(jīng)鐓粗和沖孔制得矩形環(huán)坯，再通過(guò)環(huán)軋將矩形環(huán)坯軋制成為與目標(biāo)復(fù)雜異形環(huán)盤(pán)件內(nèi)圓等高的矩形環(huán)盤(pán)件，接著進(jìn)行少許切削加工，獲得帶一定錐度的軋旋毛坯，最后將該毛坯在環(huán)軋機(jī)上進(jìn)行軋旋，使其發(fā)生邊緣彎曲變形，得到所需要的大錐度復(fù)雜異形環(huán)盤(pán)件。在該工藝中，雖然在成形過(guò)程中進(jìn)行了切削，但由于矩形盤(pán)件與目標(biāo)環(huán)盤(pán)件內(nèi)圓等高，相較于傳統(tǒng)加工方法，切削量大大減小，材料利用率大幅提高，而且不需要新的設(shè)備。關(guān)鍵問(wèn)題是如何通過(guò)環(huán)軋?jiān)O(shè)備將圖3中的軋旋毛坯變形為異形環(huán)盤(pán)件，該工藝過(guò)程就是本文提出的一種軋旋成形新工藝。1.2環(huán)坯成形工藝大錐度復(fù)雜異形環(huán)盤(pán)件軋旋成形新工藝原理如圖4所示。從圖4可以看出，主輥和芯輥都具有與目標(biāo)環(huán)盤(pán)件內(nèi)外截面輪廓相匹配的型面。環(huán)坯可以分為傳力區(qū)(不發(fā)生變形)和變形區(qū)兩部分，成形過(guò)程中，主輥勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，芯輥朝主輥進(jìn)給，與坯料傳力區(qū)接觸，帶動(dòng)坯料靠向主輥，坯料變形區(qū)逐漸與主輥接觸，在主輥的摩擦作用下旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生逐點(diǎn)彎曲變形，并隨芯輥的進(jìn)給逐漸與主輥型面貼合，最終成形為所需要的復(fù)雜異形環(huán)盤(pán)件。在該成形過(guò)程中，坯料產(chǎn)生逐點(diǎn)累積變形，在環(huán)軋機(jī)上產(chǎn)生類似于普通旋壓的變形2對(duì)大錐形復(fù)雜異環(huán)盤(pán)的拉張新工藝可行性的探討2.1環(huán)軋智能有限元模型建立為了探討大錐度復(fù)雜異形環(huán)盤(pán)件軋旋成形新工藝的可行性，基于該成形工藝原理，借鑒現(xiàn)有的環(huán)軋智能有限元建模仿真技術(shù)有限元模型中，模具均簡(jiǎn)化為剛體，毛坯設(shè)為可變形體。毛坯所用材料為42CrMo，其密度為7.850g·cm2.2大錐度復(fù)雜異形環(huán)盤(pán)件軋旋成形工藝圖6所示為42CrMo大錐度復(fù)雜異形環(huán)盤(pán)件軋旋成形過(guò)程中不同時(shí)刻的變形示意圖?？梢钥闯?，在整個(gè)成形過(guò)程中，抱輥在彈簧作用下隨坯料的移動(dòng)及其外徑的減小而移動(dòng)，并時(shí)刻與坯料保持良好接觸，從而有效穩(wěn)定成形過(guò)程，保證了成形環(huán)盤(pán)件的圓度質(zhì)量，說(shuō)明提出的軋旋成形工藝可以實(shí)現(xiàn)大錐度復(fù)雜異形環(huán)盤(pán)件的穩(wěn)定成形。圖7所示為42CrMo大錐度復(fù)雜異形環(huán)盤(pán)件軋旋成形過(guò)程中不同時(shí)刻橫截面上的等效塑性應(yīng)變分布云圖。成形初始階段，毛坯薄端最大外徑處與主輥型面接觸，首先發(fā)生局部塑性變形。隨著芯輥的進(jìn)給和毛坯的轉(zhuǎn)動(dòng)，坯料沿著主輥型面逐漸向上彎曲，等效塑性應(yīng)變沿徑向由外向內(nèi)不斷擴(kuò)展，直到坯料表面與主輥型面完全貼合，成形過(guò)程結(jié)束。此外，由于傳力區(qū)內(nèi)表面與芯輥型面直接接觸，在芯輥進(jìn)給作用下產(chǎn)生相對(duì)較小的變形，幾乎可以忽略。這些模擬結(jié)果表明本文提出的復(fù)雜異形環(huán)盤(pán)件軋旋成形新工藝是可行的。需要指出的是，在目前關(guān)于該成形過(guò)程的研究中，坯料產(chǎn)生類似于普通旋壓的彎曲收口變形，只發(fā)生了形狀的改變，而壁厚幾乎不變。因此，在該過(guò)程中，金屬表現(xiàn)出類似于普通旋壓的金屬流動(dòng)特點(diǎn)。但是如果通過(guò)合理設(shè)計(jì)軋旋毛坯，也可以在坯料收口變形達(dá)到目標(biāo)尺寸后，進(jìn)一步產(chǎn)生壁厚減小的類似于復(fù)雜異形環(huán)件輾軋的變形。因此，關(guān)于本文提出的新工藝，還有待于在坯料設(shè)計(jì)、穩(wěn)定成形條件和塑性變形行為與規(guī)律等方面開(kāi)展深入研究。3大錐度復(fù)雜異形環(huán)盤(pán)件軋旋成形新工藝的主要成果(1)針對(duì)大錐度復(fù)雜異形環(huán)盤(pán)件環(huán)軋成形穩(wěn)定性難控制、傳統(tǒng)切削成形材料利用率低的問(wèn)題，提出了一種可有效解決問(wèn)題的大錐度復(fù)雜異形環(huán)盤(pán)件軋旋成形新工藝。(2)闡明了所提出的大錐度復(fù)雜異形環(huán)盤(pán)件軋旋成形思路及其新工