董超

摘 要：金屬環(huán)件軋制是一個(gè)多因素耦合作用下的宏觀變形和微觀組織演變交互影響的復(fù)雜成形過程，本文基于ABAQUS軟件平臺(tái)，將Ti-6Al-4V的微觀組織演變計(jì)算模型與環(huán)件軋制宏觀有限元計(jì)算模型相集成，成功地實(shí)現(xiàn)了環(huán)件軋制過程的傳熱、變形和微觀組織演變的模擬。

關(guān)鍵詞：環(huán)件；軋制；數(shù)值模擬；ABAQUS

1 概述

環(huán)件軋制成形是一種重要的無縫環(huán)形零件的先進(jìn)塑性成形技術(shù)，順應(yīng)了先進(jìn)塑性成形技術(shù)的發(fā)展方向 。深入研究環(huán)件軋制成形過程中熱力禍合作用和微觀組織演變，掌握工藝參數(shù)對(duì)宏觀變形和微觀組織演變的影響規(guī)律，為環(huán)件生產(chǎn)的精確控形和精確控性提供科學(xué)的工程實(shí)用的依據(jù)，是實(shí)現(xiàn)環(huán)件優(yōu)質(zhì)、高效、低耗成形制造的迫切需求和必然趨勢(shì)。

2 矩形環(huán)件軋制有限元建模

2.1 引言有限元建模是為了滿足有限元求解的要求而對(duì)實(shí)際物理模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化的描述，但是要求所建立的有限元模型應(yīng)盡可能準(zhǔn)確地反映實(shí)際條件。本文所用到的模擬軟件為ABAQUS。

2.2 ABAQUS有限元分析包含幾下步驟：

1）幾何模型和工件模型；

2）材料性能加載到工件模型中；

3）對(duì)幾何模型進(jìn)行裝配，對(duì)工件模型定義接觸、約束和加載；

4）對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；

5）對(duì)最終模型進(jìn)行計(jì)算求解。

在通用有限元程序中，可將上述步驟描述為前處理、求解和后處理。

3 環(huán)件軋制成形規(guī)律的研究

3.1 變形過程中場(chǎng)變量的變化與分布規(guī)律

3.1.1等效應(yīng)變場(chǎng)變化與分布規(guī)律

環(huán)坯中間層由于遠(yuǎn)離成形輥，為小變形區(qū)。還可以看出在變形初期，只有環(huán)坯的內(nèi)層和外層部分區(qū)域產(chǎn)生了大的塑性變形，而隨著軋制過程的進(jìn)行，塑性變形區(qū)經(jīng)歷了由局部小區(qū)域擴(kuò)展到環(huán)帶的過程，并且塑性變形的區(qū)域，由環(huán)坯的外層和內(nèi)層向中層移動(dòng)，且變形程度逐漸增強(qiáng)，直至將環(huán)坯輾透。

3.2.2 溫度場(chǎng)變化與分布規(guī)律

環(huán)坯的高溫區(qū)出現(xiàn)在環(huán)坯變形量較大的外層，低溫區(qū)首先出現(xiàn)在環(huán)坯與成形輥接觸的地方，而隨著軋制過程的進(jìn)行，低溫區(qū)逐漸轉(zhuǎn)向環(huán)坯內(nèi)層的棱邊，隨后向環(huán)坯外層棱邊處擴(kuò)展。這是因?yàn)?，在變形初始時(shí)刻，由于環(huán)坯的溫度和成形輥的溫差較大導(dǎo)致成形輥與環(huán)坯的接觸傳熱強(qiáng)烈，并且此時(shí)變形量小，引起的溫升不明顯，因此，與成形輥接觸過的地方溫度下降較快。而隨著軋制過程的進(jìn)行，變形及摩擦引起的溫升，使成形輥與環(huán)坯的溫差減小，從而在環(huán)坯變形量較大的地方溫度上升較大。從圖中還可以看出，隨著軋制過程的進(jìn)行，環(huán)坯的最高溫度上升，最低溫度下降，導(dǎo)致環(huán)坯溫度分布越來越不均勻。

為了反應(yīng)環(huán)坯軋制過程中不同部位溫度隨時(shí)間的變化，在環(huán)坯的截面沿徑向依次取六個(gè)跟蹤點(diǎn)，如圖3-1所示為環(huán)件軋制過程中環(huán)坯不同部位溫度隨軋制時(shí)間的變化規(guī)律曲線。

3.3 工藝參數(shù)對(duì)對(duì)軋制成形過程的影響

3.3.1 驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速的影響

采用驅(qū)動(dòng)輥的轉(zhuǎn)速（10，12，15）rad/s，芯輥進(jìn)給速度0.4mm/s， 初始環(huán)坯溫度990℃，摩擦因數(shù)0.3的計(jì)算條件，研究分析不同驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速對(duì)環(huán)坯變形場(chǎng)、溫度場(chǎng)、軋制力的影響規(guī)律。

3.3.1.1 驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速對(duì)變形場(chǎng)的影響

在不同驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速下，環(huán)坯應(yīng)變場(chǎng)的分布區(qū)域基本一致，環(huán)坯外層變形較內(nèi)層大，中層為小變形區(qū)。隨著驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速的增大，等效應(yīng)變最大值增大，外層的變形增大。這是因?yàn)轵?qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速的增大，會(huì)導(dǎo)致平均每轉(zhuǎn)進(jìn)給量減小，保持相同變形量的條件下，使得環(huán)坯變形集中在環(huán)坯的外層，而不易向中層擴(kuò)展的緣故。

3.3.1.2 驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速對(duì)溫度場(chǎng)的影響

隨著驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速的增大，高溫區(qū)在減小，且向著環(huán)坯變形量較大的外層移動(dòng)；低溫區(qū)也在減小，主要分布區(qū)從內(nèi)表面轉(zhuǎn)向環(huán)坯棱邊處。圖中還可以看出，隨著驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速的增大，溫度最大值和最小值增大，環(huán)坯溫度整體增大。

3.3.1.3 驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速對(duì)軋制力的影響

力能計(jì)算不僅是環(huán)件軋制孔型設(shè)計(jì)和軋制工藝設(shè)計(jì)的依據(jù)，而且也是輾環(huán)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作參數(shù)設(shè)計(jì)和機(jī)電液部選擇的依據(jù)。因此，對(duì)軋制力的預(yù)測(cè)是環(huán)件軋制技術(shù)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。隨著軋制過程的進(jìn)行，軋制力先急劇增加到某一值，然后出現(xiàn)波動(dòng)這是因?yàn)?，首先軋制過程中存在復(fù)雜的三重非線性，特別是導(dǎo)向輥與環(huán)坯間的接觸邊界非線性；其次變形區(qū)的大小及場(chǎng)變量分布是隨時(shí)間變化的，導(dǎo)致軋制過程是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)成形過程；最后軋制是一個(gè)多道次成形過程，環(huán)坯通過孔型時(shí)軋制力必然產(chǎn)生變化和波動(dòng)。

3.3.2 芯輥進(jìn)給速度的影響

采用進(jìn)給速度（0.4，0.6，0.8，）mm/s，驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速10rad/s，環(huán)坯初始溫度990℃，摩擦因數(shù)0.3的計(jì)算條件，研究分析不同驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速對(duì)環(huán)坯變形場(chǎng)、溫度場(chǎng)、軋制力的影響規(guī)律。

3.3.2.1 芯輥進(jìn)給速度對(duì)變形場(chǎng)的影響

在不同進(jìn)給速度下環(huán)坯等效應(yīng)變場(chǎng)的分布區(qū)域基本一致，環(huán)坯外層變形較內(nèi)層大，中層為小變形區(qū)。隨著芯輥進(jìn)給速度的增大，環(huán)坯的小變形區(qū)減小。

3.3.2.2 芯輥進(jìn)給速度對(duì)溫度場(chǎng)的影響

環(huán)坯溫度場(chǎng)的分布區(qū)域基本一致，高溫區(qū)位于靠近環(huán)坯外層的大變形區(qū)，低溫區(qū)位于變形量較小且散熱條件好的環(huán)坯的棱邊處。還可以看出隨著芯輥進(jìn)給速度的增大，低溫區(qū)向著環(huán)坯的內(nèi)表面擴(kuò)展，高溫區(qū)向著變形量較大的外層移動(dòng)。

3.3.2.3 芯輥進(jìn)給速度對(duì)軋制力的影響

芯輥進(jìn)給速度越大，軋制力越大，這是由于當(dāng)保持其它條件不變時(shí)，芯輥的進(jìn)給速度越大，軋制過程中平均每轉(zhuǎn)進(jìn)給量越大，所需的軋制力就越大，由于完成同樣的軋制過程，芯輥進(jìn)給速度越大，所需要的時(shí)間越短，因此，軋制力持續(xù)的時(shí)間越短。

3.3.3 環(huán)坯初始溫度的影響

采用環(huán)坯初始溫度（990℃，1050℃，1100℃），驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速10rad/s，芯輥進(jìn)給速度0.4mm/s，摩擦系數(shù)0.3的計(jì)算條件，研究分析不同驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速對(duì)環(huán)坯變形場(chǎng)、溫度場(chǎng)、軋制力的影響規(guī)律。

3.3.3.1 環(huán)坯初始溫度對(duì)變形場(chǎng)的影響

隨著環(huán)坯初始溫度T的增大，塑性應(yīng)變最大值減小，最小值增大，環(huán)坯的變形從環(huán)坯的內(nèi)外層向中層擴(kuò)展，使得環(huán)坯內(nèi)的大變形區(qū)和小變形區(qū)減小，中等變形區(qū)擴(kuò)大，環(huán)坯的變形狀況越來越好。這主要是因?yàn)闇囟鹊纳?，溫度的軟化作用增?qiáng)，材料的流動(dòng)性能提高的緣故。因此，在環(huán)件軋制中，適當(dāng)?shù)奶岣攮h(huán)坯初始溫度有利于環(huán)坯的變形。

3.3.3.2 環(huán)坯初始溫度對(duì)環(huán)件溫度場(chǎng)的影響

圖3-3為不同初始環(huán)坯溫度下成形環(huán)件溫度場(chǎng)的分布云圖?？梢钥闯?，隨著環(huán)坯初始溫度的升高，成形環(huán)件高溫區(qū)增大，低溫區(qū)減小。這是因?yàn)?，隨著環(huán)坯初始溫度的升高，環(huán)坯塑提性提高，輾透性提高，環(huán)坯中層易于變形，使得環(huán)坯的變形熱效應(yīng)增強(qiáng)，且中層導(dǎo)熱性能差，導(dǎo)致中層溫度上升快，高溫區(qū)逐漸增大。而低溫區(qū)減小主要是由于變形熱效應(yīng)的增強(qiáng)的緣故。

3.3.3.3 環(huán)坯初始溫度對(duì)軋制力的影響

環(huán)坯初始溫度越高，軋制過程中所需軋制力越小。這是由于在其余軋制條件不變的情況下，材料隨著溫度的升高，其變形抗力減小的緣故。

3.3.4 摩擦的影響

3.3.4.1 摩擦因數(shù)對(duì)變形場(chǎng)的影響

隨著摩擦因數(shù)的增大，環(huán)坯等效塑性應(yīng)變的最大值和最小值都在增大，但是最大值增大的幅度比最小值增大幅度大。這是因?yàn)?，摩擦的增大，?dǎo)致環(huán)坯內(nèi)外表面的摩擦生熱增強(qiáng)，環(huán)坯表面金屬比內(nèi)部更易于流動(dòng)，變形主要集中在環(huán)坯的表層。

3.3.4.2 摩擦因數(shù)對(duì)環(huán)件溫度場(chǎng)的影響規(guī)律

環(huán)坯整體的溫度分布規(guī)律幾乎不隨摩擦因子大小變化而出現(xiàn)明顯變化，高溫區(qū)主要在變形量較大的外層，而低溫區(qū)主要分布在環(huán)坯的棱邊處。隨著摩擦因子的增大，環(huán)坯溫度整體有增大的趨勢(shì)，這主要是因?yàn)樵谙嗤挠?jì)算條件下，摩擦因子的增大，引起摩擦熱效應(yīng)增強(qiáng)的緣故。

3.3.4.3 摩擦因數(shù)對(duì)軋制力的影響

摩擦因子的變化對(duì)軋制力的影響甚微。這主要是由于軋制力的大小主要取決于軋制過程中平均每轉(zhuǎn)進(jìn)給量和環(huán)坯材料性質(zhì)的緣故。因此，增大驅(qū)動(dòng)輥和芯輥與環(huán)坯內(nèi)、外表間的摩擦，對(duì)環(huán)件軋制過程中軋制力的影響不大。

4 結(jié)束語

本文采用數(shù)值模擬，對(duì)環(huán)件軋制成形過程的熱力藕合作用和微觀演變及影響規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究，獲得的主要研究結(jié)果及結(jié)論如下：

（1）基于ABAQUS模擬軟件，將Ti-6Al-4V的的微觀組織演變計(jì)算模型與環(huán)件軋制宏觀有限元計(jì)算模型相集成，成功地實(shí)現(xiàn)了環(huán)件軋制過程的傳熱、變形和微觀組織演變的模擬。

（2）對(duì)環(huán)件軋制過程進(jìn)行了傳熱、變形和微觀組織演變進(jìn)行了系統(tǒng)模擬研究，揭示了成形過程中等效應(yīng)變、溫度場(chǎng)的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)變形區(qū)經(jīng)歷了由局部小區(qū)域擴(kuò)展到環(huán)帶的過程，由外層和內(nèi)層向中層移動(dòng)，外層和內(nèi)層為大變形區(qū)；環(huán)坯溫度分布不均勻，高溫區(qū)出現(xiàn)在變形量較大的外層，低溫區(qū)首先出現(xiàn)在環(huán)坯與成形輥接觸的地方，隨后轉(zhuǎn)向內(nèi)層的棱邊，向外層棱邊擴(kuò)展。

（3） 研究揭示了驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速、芯輥進(jìn)給速度、環(huán)坯初始溫度、摩擦因子等主要工藝參數(shù)對(duì)軋制成形中變形場(chǎng)、溫度場(chǎng)和軋制力的影響規(guī)律。

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