大錐度復雜異形環盤件軋旋成形新工藝與仿真研究

復雜異形環盤件自由鍛加工技術復雜的圓形環盤件件廣泛應用于航空航天、原子能研究、船舶等現代化裝備制造領域。圖1所示為某火箭用后接頭，是一種典型的大錐度復雜異形環盤類構件，具有表面輪廓錐度大、尺寸大(外徑大于Φ3m)，截面輪廓復雜和高徑比小等特征，目前還缺乏該類構件先進高效低成本的成形制造方法。自由鍛是制造錐形環鍛件的一種常用方法。于文泉等復雜異形環件輾軋是各類精密無縫環件整體成形的首選制造技術目前，主要采用圖2所示方法制造這種大錐度復雜異形環盤件，即先通過鐓粗和沖孔獲得矩形環坯，然后在環軋機上軋制得到與最終產品等高的矩形盤件，最后直接在矩形盤件上進行機械切削得到異形環盤件。這種成形工藝雖然簡單，但由于切削余量較多，材料利用率極低，同時還降低了生產效率，成本高;此外，經切削加工后，金屬整體流線遭到嚴重破壞，導致產品的組織和力學性能顯著降低。為了解決以上問題，實現大錐度復雜異形環盤件的精確、高效、優質和低成本成形制造，本文基于傳統的環軋設備，提出一種大錐度復雜異形環盤件軋旋成形新工藝，詳細闡明了該工藝的成形原理，通過智能有限元仿真探討了該新工藝的可行性，并對此研究進行了展望。1新技術原理是用復雜的圓形環盤件的旋轉法形成1.1大錐度復雜異形環盤件的生產大錐度復雜異形環盤件軋旋成形思路如圖3所示。先由棒料經鐓粗和沖孔制得矩形環坯，再通過環軋將矩形環坯軋制成為與目標復雜異形環盤件內圓等高的矩形環盤件，接著進行少許切削加工，獲得帶一定錐度的軋旋毛坯，最后將該毛坯在環軋機上進行軋旋，使其發生邊緣彎曲變形，得到所需要的大錐度復雜異形環盤件。在該工藝中，雖然在成形過程中進行了切削，但由于矩形盤件與目標環盤件內圓等高，相較于傳統加工方法，切削量大大減小，材料利用率大幅提高，而且不需要新的設備。關鍵問題是如何通過環軋設備將圖3中的軋旋毛坯變形為異形環盤件，該工藝過程就是本文提出的一種軋旋成形新工藝。1.2環坯成形工藝大錐度復雜異形環盤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環盤件內外截面輪廓相匹配的型面。環坯可以分為傳力區(不發生變形)和變形區兩部分，成形過程中，主輥勻速轉動，芯輥朝主輥進給，與坯料傳力區接觸，帶動坯料靠向主輥，坯料變形區逐漸與主輥接觸，在主輥的摩擦作用下旋轉，產生逐點彎曲變形，并隨芯輥的進給逐漸與主輥型面貼合，最終成形為所需要的復雜異形環盤件。在該成形過程中，坯料產生逐點累積變形，在環軋機上產生類似于普通旋壓的變形2對大錐形復雜異環盤的拉張新工藝可行性的探討2.1環軋智能有限元模型建立為了探討大錐度復雜異形環盤件軋旋成形新工藝的可行性，基于該成形工藝原理，借鑒現有的環軋智能有限元建模仿真技術有限元模型中，模具均簡化為剛體，毛坯設為可變形體。毛坯所用材料為42CrMo，其密度為7.850g·cm2.2大錐度復雜異形環盤件軋旋成形工藝圖6所示為42CrMo大錐度復雜異形環盤件軋旋成形過程中不同時刻的變形示意圖?？梢钥闯觯谡麄€成形過程中，抱輥在彈簧作用下隨坯料的移動及其外徑的減小而移動，并時刻與坯料保持良好接觸，從而有效穩定成形過程，保證了成形環盤件的圓度質量，說明提出的軋旋成形工藝可以實現大錐度復雜異形環盤件的穩定成形。圖7所示為42CrMo大錐度復雜異形環盤件軋旋成形過程中不同時刻橫截面上的等效塑性應變分布云圖。成形初始階段，毛坯薄端最大外徑處與主輥型面接觸，首先發生局部塑性變形。隨著芯輥的進給和毛坯的轉動，坯料沿著主輥型面逐漸向上彎曲，等效塑性應變沿徑向由外向內不斷擴展，直到坯料表面與主輥型面完全貼合，成形過程結束。此外，由于傳力區內表面與芯輥型面直接接觸，在芯輥進給作用下產生相對較小的變形，幾乎可以忽略。這些模擬結果表明本文提出的復雜異形環盤件軋旋成形新工藝是可行的。需要指出的是，在目前關于該成形過程的研究中，坯料產生類似于普通旋壓的彎曲收口變形，只發生了形狀的改變，而壁厚幾乎不變。因此，在該過程中，金屬表現出類似于普通旋壓的金屬流動特點。但是如果通過合理設計軋旋毛坯，也可以在坯料收口變形達到目標尺寸后，進一步產生壁厚減小的類似于復雜異形環件輾軋的變形。因此，關于本文提出的新工藝，還有待于在坯料設計、穩定成形條件和塑性變形行為與規律等方面開展深入研究。3大錐度復雜異形環盤件軋旋成形新工藝的主要成果(1)針對大錐度復雜異形環盤件環軋成形穩定性難控制、傳統切削成形材料利用率低的問題，提出了一種可有效解決問題的大錐度復雜異形環盤件軋旋成形新工藝。(2)闡明了所提出的大錐度復雜異形環盤件軋旋成形思路及其新工