引言

非對(duì)稱外雙溝形環(huán)件是一種外表面帶有特殊截面輪廓的異形截面環(huán)件，在航空航天、能源、汽車等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[1-3]，如運(yùn)載火箭推進(jìn)劑貯箱的過(guò)渡環(huán)、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣等關(guān)鍵部件。這些部件不僅要求具有高強(qiáng)度、高韌性等優(yōu)良力學(xué)性能，還要求具有復(fù)雜的截面形狀以滿足特定的裝配和功能需求[4]。但是，由于模具設(shè)計(jì)和軋制過(guò)程中材料流動(dòng)分配等因素[5]，會(huì)造成非對(duì)稱外雙溝形機(jī)匣環(huán)鍛件上下端出現(xiàn)內(nèi)徑差過(guò)大的問(wèn)題。目前針對(duì)異形截面環(huán)件的軋制成形，各學(xué)者提出了坯料優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[6-8]，緩解因金屬軸向和周向流動(dòng)不匹配產(chǎn)生的小端拉縮等缺陷;通過(guò)對(duì)軋制過(guò)程中各輥的工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)并優(yōu)化[9-11]，改變環(huán)件產(chǎn)生的圓度差、填充不足等問(wèn)題。對(duì)整個(gè)軋制成形工藝采用數(shù)值模擬分析[12-14]，確定最終的工藝參數(shù)選擇區(qū)間與工藝方案的可行性。MOUSSAG等[15]研究?jī)?nèi)溝槽輪轂環(huán)件時(shí)開發(fā)出利用簡(jiǎn)單截面環(huán)坯多階段軋制得到復(fù)雜截面環(huán)件的軋制方法。現(xiàn)有的異形環(huán)件軋制工藝研究能通過(guò)毛坯優(yōu)化解決環(huán)件軋制成形過(guò)程填充不足和圓度等問(wèn)題，但對(duì)于環(huán)件上下端出現(xiàn)內(nèi)徑差過(guò)大的問(wèn)題并未做過(guò)多研究。針對(duì)該問(wèn)題的傳統(tǒng)解決方法大多是通過(guò)額外增加機(jī)加工余量來(lái)解決非對(duì)稱外雙溝環(huán)鍛件出現(xiàn)上下端內(nèi)徑差過(guò)大的問(wèn)題，并不能從根源上防止環(huán)鍛件出現(xiàn)上下端內(nèi)徑差過(guò)大的問(wèn)題。結(jié)合以上學(xué)者的研究，本文提出的關(guān)于TC4非對(duì)稱外雙溝形機(jī)匣環(huán)件的軋制成形工藝可以控制環(huán)件產(chǎn)生上下端內(nèi)徑差過(guò)大的缺陷，并將其控制在1.5mm以內(nèi)，能極大地提高材料利用率、降低制造成本、優(yōu)化產(chǎn)品性能。

1、鍛件結(jié)構(gòu)與成形工藝

根據(jù)零件形狀，設(shè)計(jì)的TC4非對(duì)稱外雙溝形機(jī)匣環(huán)鍛件形狀如圖1所示。目標(biāo)鍛件重為177.6kg,鍛件表面有2個(gè)凹槽，且最薄壁厚度為22.5mm，寬凹槽寬度為64mm，窄凹槽寬度為45mm，為非對(duì)稱的回轉(zhuǎn)體薄壁件。

根據(jù)以上情況，本文針對(duì)該鍛件的成形設(shè)計(jì)了如下工藝流程，方案采用鐓粗→沖孔→馬架擴(kuò)孔→軋制內(nèi)錐形截面環(huán)→軋制非對(duì)稱外雙溝形截面環(huán)。

本文針對(duì)成形工藝流程中比較關(guān)鍵的工步(軋制非對(duì)稱外雙溝形截面環(huán))進(jìn)行分析，成形工藝的難點(diǎn)主要在若直接利用矩形截面環(huán)件軋制成形，由于鍛件兩凹槽的不對(duì)稱，會(huì)導(dǎo)致環(huán)件產(chǎn)生較大的上下端內(nèi)徑差，最終呈現(xiàn)寬凹槽端環(huán)件內(nèi)外徑尺寸偏大、小凹槽端環(huán)件內(nèi)外徑尺寸偏小的情況。

2、成形缺陷及優(yōu)化方案

對(duì)矩形環(huán)坯軋制非對(duì)稱外雙溝形截面環(huán)階段進(jìn)行軋制成形數(shù)值模擬分析，具體的軋制工藝參數(shù)如表1所示。

表1軋制工藝參數(shù)

提取數(shù)值模擬結(jié)果中環(huán)件的上下端內(nèi)外表面周長(zhǎng)，等效計(jì)算得到環(huán)件的內(nèi)外徑如表2所示，由表2可知，環(huán)件的壁厚基本均勻，而環(huán)件的外表面相對(duì)復(fù)雜，故該缺陷的偏差值通過(guò)上下端的內(nèi)徑差計(jì)算獲得，為9.6mm。為了控制該缺陷的產(chǎn)生，對(duì)軋制用環(huán)坯進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)驅(qū)動(dòng)輥和芯輥進(jìn)行合理的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

表2矩形環(huán)坯軋制目標(biāo)鍛件的成形結(jié)果(mm)

2.1內(nèi)錐形截面環(huán)設(shè)計(jì)

根據(jù) TC4非對(duì)稱外雙溝形機(jī)匣環(huán)鍛件尺寸圖(圖 2),Dk=Φ1475 mm,dk=Φ1370 mm,Hk=223 mm, hk=30 mm, Rk=22.5 mm, bk1=64 mm, bk2=45 mm,利用逆向軋制成形的設(shè)計(jì)思路將軋制用環(huán)坯設(shè)計(jì)成內(nèi)錐形截面環(huán),以補(bǔ)償環(huán)件在軋制過(guò)程中材料流動(dòng)分配的不合理,并將 TC4非對(duì)稱外雙溝形機(jī)匣環(huán)鍛件沿軸向方向分為①~⑤這5個(gè)區(qū)域。

通過(guò)計(jì)算每個(gè)區(qū)域的體積,由非對(duì)稱外雙溝形機(jī)匣環(huán)鍛件最大外徑Dk與當(dāng)量軋制比 k(1.2～2.0),計(jì)算出內(nèi)錐形截面環(huán)外徑D0=Dk/k。確定內(nèi)錐形截面環(huán)后，因?yàn)檐堉魄昂蟓h(huán)件高度不變，可同樣沿軸向方向?qū)h(huán)件分為①~⑤這 5個(gè)區(qū)域，如圖 3所示,即可以通過(guò)各區(qū)域體積相等得到內(nèi)錐形截面環(huán)的內(nèi)錐度w0。

最后通過(guò)軋制前后體積不變的原則,獲得內(nèi)錐形截面環(huán)示意圖，如圖4所示。

其中:

式中: V為非對(duì)稱外雙溝形機(jī)匣環(huán)鍛件的體積。取當(dāng)量軋制比 k =  1.3,通過(guò)計(jì)算可得D0=  Φ1100 mm,w0=2mm, d01=Φ990 mm, d02=Φ994 mm。

2.2模具優(yōu)化設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)輥示意圖如圖 5所示,驅(qū)動(dòng)輥采用專用的異形驅(qū)動(dòng)輥,外形貼合非對(duì)稱外雙溝形機(jī)匣環(huán)鍛件的截面形狀,同時(shí)加裝上下?lián)醢?可與芯輥構(gòu)成閉式軋制以防止環(huán)件在軋制過(guò)程中上下竄動(dòng),提高軋制穩(wěn)定性。

驅(qū)動(dòng)輥工作面的最大直徑 D d1 、最小直徑 D d2 以及芯輥工作面直徑 D m 由以下公式確定:

式中: h k 為非對(duì)稱外雙溝形機(jī)匣環(huán)鍛件凹槽深度; R k 為非對(duì)稱外雙溝形機(jī)匣環(huán)鍛件凹槽圓角; b k1 、b k2 分別為非對(duì)稱外雙溝形機(jī)匣環(huán)鍛件大凹槽和小凹槽寬度; β為摩擦角, β =  arctan μ, μ為摩擦因數(shù),值為 0.1 ～  0.4; L max 和 L min 分別為軋環(huán)機(jī)允許的最大和最小閉合中心距。

2.3芯輥進(jìn)給曲線設(shè)計(jì)

內(nèi)錐形截面環(huán)軋制非對(duì)稱外雙溝機(jī)匣環(huán)鍛件的過(guò)程中每個(gè)區(qū)域的體積變化曲線圖如圖 6所示。②和④區(qū)域的體積在環(huán)件外徑由 D 0 軋制到 D 1 的過(guò)程中急劇減小,②區(qū)域的體積補(bǔ)償?shù)舰俸廷蹍^(qū)域,④區(qū)域的體積會(huì)補(bǔ)充到③和⑤區(qū)域,呈現(xiàn)出中間區(qū)域③體積最大,故而在軋制前期 (0 ～ t 1 ) s可以線性增大芯輥的進(jìn)給速度。

環(huán)件外徑由 D 1 軋制到Dk時(shí),所有區(qū)域的體積均在環(huán)件軋制到 D 3 時(shí)達(dá)到最值,故在 D 1 軋制到 D 3 的階段即 (t 1  ～ t 2 )可將芯輥的進(jìn)給速度設(shè)置成定值,保證環(huán)件的平穩(wěn)軋制。

在 D 3 軋制到Dk的階段即 (t 2  ～ t 3 )進(jìn)行芯輥進(jìn)給速度的降速,軋制逐漸結(jié)束,得到芯輥進(jìn)給曲線。

芯輥進(jìn)給速度 V m 滿足:

式中: V max 和 V min 分別為最大和最小進(jìn)給速度; b 0 為環(huán)徑外徑為 D 0 時(shí)的壁厚, b0= (D0-d0 ) /2; b1為環(huán)徑外徑為 D1時(shí)的壁厚, b1=(D1-d1 )/2; bk為環(huán)徑外徑為Dk時(shí)的壁厚, bk =(Dk-d k )/2,由此可以獲得合理的芯輥進(jìn)給速度曲線，如圖 7所示。

通過(guò)以上的缺陷控制方法,進(jìn)行內(nèi)錐形截面環(huán)軋制非對(duì)稱外雙溝形機(jī)匣環(huán)鍛件的數(shù)值模擬計(jì)算,有限元模型裝配示意圖如圖 8所示,為了提高運(yùn)算效率,同時(shí)保證模擬的準(zhǔn)確性,網(wǎng)格數(shù)量設(shè)置為 58569個(gè),網(wǎng)格類型為 C3D8RT,軋制相關(guān)工藝參數(shù)同表 1。

圖 9為內(nèi)錐形截面環(huán)軋制成形和矩形截面環(huán)軋制成形的模擬結(jié)果對(duì)比圖,可以看到通過(guò)內(nèi)錐形截面環(huán)坯軋制而成的目標(biāo)環(huán)鍛件其上下端內(nèi)徑差過(guò)大的缺陷得到了有效控制,通過(guò)數(shù)據(jù)處理分析,得到其內(nèi)徑差值為 1.5 mm。

后期采用該缺陷控制方法進(jìn)行了TC4非對(duì)稱外雙溝形環(huán)鍛件軋制,生產(chǎn)出符合企業(yè)要求的環(huán)鍛件,通過(guò)后續(xù)測(cè)量,得到環(huán)件的上下端內(nèi)徑差為 1mm,鍛件的實(shí)物圖如圖 10所示。

3、結(jié)論

(1)針對(duì)矩形環(huán)坯軋制 TC4非對(duì)稱外雙溝形環(huán)鍛件軋制過(guò)程中上下端內(nèi)徑差過(guò)大的問(wèn)題，提出了基于材料流動(dòng)分配反饋的優(yōu)化軋制用環(huán)坯控制方法。

(2)進(jìn)行了優(yōu)化驅(qū)動(dòng)輥設(shè)計(jì)，使其與芯輥組合構(gòu)成閉式軋制，創(chuàng)建了合理的芯輥進(jìn)給速度曲線，防止TC4非對(duì)稱外雙溝形環(huán)鍛件軋制過(guò)程中環(huán)件的上下竄動(dòng)造成軋制的不穩(wěn)定性以及金屬軸向流動(dòng)不均。

(3)開展了TC4非對(duì)稱外雙溝形環(huán)鍛件軋制仿真結(jié)果的對(duì)比，結(jié)果表明采用內(nèi)錐形截面環(huán)坯與優(yōu)化驅(qū)動(dòng)輥及芯輥的參數(shù)可以有效地控制上下端內(nèi)徑差過(guò)大的問(wèn)題，減小了84%。

(4)利用本文提出的缺陷控制方法，完成了TC4非對(duì)稱外雙溝形環(huán)鍛件的軋制，上下端內(nèi)徑差值與模擬吻合，得到了符合企業(yè)要求的環(huán)鍛件。

參考文獻(xiàn):

[1]華林，黃興高，朱春東.環(huán)件軋制理論和技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[2]ALLWOOD J M, TEKKAYA A E, STANISTREET T F. The de-velopment of ring rolling technology-Part 2: Investigation of process behaviour and production equipment[J]. Steel Research Interna-tional，2005，76(7):491-507.

[3]郭良剛，王鳳琪，梁磊，等.高性能環(huán)件輾軋成形智能仿真優(yōu)化新思路與研究進(jìn)展[J].精密成形工程，2017，9(4):1-11.

GUO Lianggang, WANG Fengqi, LIANG Lei, et al. New idea and advances in intelligent simulation and optimization of high-per-formance ring rolling process[J]. Journal of Netshape Forming Engineering,2017,9(4):1-11.

張茂.面向通用飛機(jī)裝配過(guò)程的數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用研究[D].石家莊:河北科技大學(xué)，2019.

ZHANG Mao. Research on digital twin for the generalaircraft as-sembly process[D]. Shijiazhuang: Hebei University of Science and Technology, 2019.

[5]郝曉斐，雷君相.圓柱體鐓擠復(fù)合變形規(guī)律研究[J].有色金屬材料與工程，2016，37(5):212-218.

HAO Xiaofei, LEl Junxiang. Cylinder upsetting extrusion compos-ite deformation law study[J]. Nonferrous Meaterials and Engi-neering,2016,37(5):212-218.

[6]PARK M, LEE C, LEE J, et al. Development of L-sectioned ring for construction machines by profile ring rolling process[J]. In-ternational Journal of Precision Engineering and Manufacturing,2016,17(2):233-240.

[7]OH I Y, HWANG T W, YOO Y, et al. Process-induced de-fects in an L-shape profile ring rolling process[J]. International Journal of Material Forming, 2019, 12(4):727-740.

[8]彭謙之，李建軍，余三山，等.毛坯截面形狀對(duì)L形截面異形環(huán)件軋制成形的影響[J].熱處理技術(shù)與裝備，2016，37(4):30-33.

PENG Qianzhi, Ll Jianjun, YU Sanshan, et al. The effects of section shape of blank on the rolling process of L-section profiled ring[J]. Heat treatment Technology and Equipment, 2016, 37(4):30-33.

[9]羊冠立，錢東升，田漢，等.基于表面平整度控制的超大型環(huán)件軋制曲線自優(yōu)化方法研究[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2025，32(1):92-99.

YANG Guanli, QIAN Dongsheng, TIAN Han, et al. Study on self-optimized method of rolling curve based on surface flatness control for super large rings[J]. Journal of Plasticity Engineer-ing，2025，32(1):92-99.

[10]史志起，丁浩，時(shí)禮平，等.大型40Cr13環(huán)件徑-軸向軋制進(jìn)給曲線設(shè)計(jì)方法研究[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2023，30(11):54-59.

SHI Zhiqi, DING Hao, SHI Liping, et al. Study on design method of radial-axial rolling feed curves for large 40Cr13 ring[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2023, 30(11): 54-59.

[11]趙博志，鄧加?xùn)|，錢東升，等.面向大型環(huán)件徑軸向穩(wěn)定高效軋制的變形過(guò)程規(guī)劃方法研究[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2023，30(9):9-16.

ZHAO Bozhi， DENG Jiadong， QIAN Dongsheng， et al. Research on radial-axial deformation process planning method for large ring rolling with stability and high efficiency[J]. Journal of Plasticity Engineering,2023,30(9):9-16.

[12]裴蒙蒙，齊會(huì)萍.基于Simufact模擬的復(fù)雜異形截面環(huán)件輾擴(kuò)變形[J].鍛壓技術(shù)，2024，49(9):92-98.

PEI Mengmeng, QI Huiping. Ring rolling deformation of complex irregular section ring based on Simufact simulation[J]. Forging&Stamping Technology,2024,49(9):92-98.

[13]徐煥磊，孫寶壽，袁佳耀，等.非對(duì)稱異形截面環(huán)件的冷輾擴(kuò)成形力能參數(shù)與圓度影響規(guī)律研究[J].寧波大學(xué)學(xué)報(bào)(理工版)，2021，34(2):61-67.

XU Huanlei, SUN Baoshou, YUAN Jiayao, et al. The impact of force parameters on roundness of cold ring rolling of asymmetric

abnormal cross-section ring[J]. Journal of Ningbo University(Science and Engineering Edition)，2021，34(2):61-67.

[14]蔣起臣，陳浩，馮吉威，等.含突變曲線異形環(huán)件軋制工藝[J].鍛壓技術(shù)，2019，44(7):101-105.

JIANG Qichen, CHEN Hao, FENG Jiwei, et al. Rolling process for profiled rings with abrupt curve[J]. Forging& Stamping Technology,2019,44(7):101-105.

[15] MOUSSA G, HAWKYARD J B. Investigation into the multi-stage ring rolling of aluminum bicycle wheel rims[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 1986,(12): 841-851.

（注嗎，原文標(biāo)題：TC4非對(duì)稱外雙溝形機(jī)匣環(huán)件軋制內(nèi)徑差工藝控制研究）