合金钢大型环件锻轧制过程的三维宏-微观耦合有限元建模与仿真外文翻译资料

 2023-02-26 21:27:06

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合金钢大型环件锻轧制过程的三维宏-微观耦合有限元建模与仿真

摘要：

径向-轴向环件轧制（RARR）是一种先进的塑料旋转成形技术，用于制造无缝大环件。在RARR中，毛坯锻造和轧制是两个连续的成形过程。前者对后者起重要作用，因为它对轧制有重要的遗传影响。然而，在目前的RARR有限元模型研究中，并未考虑这种影响，对环坯的几何和热力学状态进行了理想化处理，对其微观变形行为的研究很少。本文在SIMUFACT软件环境下，首次建立了AISI 4140钢大环件毛坯锻造与轧制过程的三维宏微观耦合有限元模型，并对其可靠性进行了实验验证。基于该模型，揭示了从钢锭到环坯再到轧制环件过程中的应变、温度、晶粒尺寸、动态再结晶的演变和分布规律。结果表明：

（1） 轧制前后的应变和温度分布既不均匀，也不均匀。

（2） 较高的温度和较大的应变都有助于提高动态再结晶分数。

（3） 变形温度越高，动态再结晶晶粒尺寸越大应变率降低。

关键词：

径向-轴向环件轧制；毛坯锻造；宏微观有限元模拟；大环

1.介绍

环件轧制是一种先进的塑性旋转成形技术，用于制造各种尺寸和不同材料的矩形或异型截面的无缝机械环件[1]。它以其低功耗、低材料消耗、高效率、产品性能好等显著优势，广泛应用于汽车、机械、能源、飞机等工业领域。环件轧制是一个复杂的三维成形过程，具有不稳定的非线性塑性变形。传统的基于某些假设的分析方法不能准确地揭示其变形规律，而实验方法在设备材料和时间上都要付出昂贵的代价。与这两种方法相比，有限元模拟是一种有效、合理的方法，它可以深入了解变形机理，直接显示成形缺陷，以低廉的成本快速优化重要工艺参数。因此，它也被认为是研究其他塑性旋转成形技术的首选方法，如旋转锻造[2-8]、旋转成形[9]和楔横轧[10]。

环件轧制包括中小环件的径向环件轧制和大环件的径向-轴向环件轧制。环件轧制的有限元研究主要集中在径向环件轧制上，包括有限元求解方法、建模技术和变形规律。Yang等人[11]。 首先采用刚塑性有限元法对T形截面环件轧制过程进行了数值模拟。但它只集中在环段横跨辊道。Song等人[12] 在热径向环件轧制过程的二维热力耦合有限元模型中，采用全耦合传热元件对主辊和芯棒进行了数值模拟。Utsunomiya等人[13] 建立了环件冷辗扩的三维弹塑性有限元模型。Sun等人[14]利用径向环件轧制的三维模型，分析了某些轧制参数对动态再结晶演变规律的影响。对于环件轧机，王和华[15]研究了径向热辗扩过程中导辊控制方式的建模与仿真。近年来，在前人研究的基础上，对RARR的有限元建模与仿真进行了一些尝试。Davey和Ward[16]建立了基于ALE流公式的有限元模型。Kim等人[17] 在MSC.SuperForm环境下模拟了大型合金钢异型环件的轧制过程。周等[18,19]使用动态显式程序ABAQUS/explicit建立了三维弹塑性和热力耦合有限元模型。Jenkouk等人[20]使用ABAQUS／显式子程序VUAMP和C 代码进行更真实的有限元分析。然而，RARR包括两个连续的成形过程，即毛坯锻造和轧制。如图1a所示，首先在液压机上将初始钢锭锻造成环形坯料，然后在环形轧机上轧制环形坯料。

不规则形状、温度、应变、晶粒分布不均匀的实用环形毛坯

(a)

具有规则几何和温度、应变、晶粒均匀分布的理想环坯

(b)

图1.实际和模拟RARR过程的比较（a） 包括毛坯锻造和轧制在内的实际RARR过程和（b）有限元模拟中的理想RARR过程。

毛坯锻造在轧制中起着重要的作用，因为它具有对轧制的重要遗传影响. 然而，在目前RARR的有限元建模和模拟研究中没有考虑到这种影响，其中仅研究了基于理想几何和热动力学状态的环形坯料的轧制过程，如图1b所示。因此，结果不能揭示真实的变形规律。此外，对于合金钢大环件，传统的轧后热处理往往耗费大量时间，降低了生产效率。余热淬火已被证明能获得较好的力学性能，大大缩短生产周期[21]开始应用于环件轧制. 所以，微观变形行为的研究，尤其是轧制后组织的预测，将有利于-适合这种热处理工艺在RARR中的应用，但它是目前很少学习。

因此，在本文中，考虑到坯料的影响, 基于SIMUFACT软件平台，对AISI4140钢大环件毛坯锻轧复合过程进行了有限元模拟，研究了该工艺过程中的宏观和微观变形规律，为进一步理解RARR的变形机理和工艺优化提供了可靠的有限元平台和指导。

2. 有限元模型

2.1材料特性

AISI 4140钢高温本构模型的真实流动行为由Zhou等人给出[22]：

其中是材料的真实流动应力（MPa），Zlsquo;是修正的Zener-Hollomon参数，A，，n是材料常数，R为通用气体常（8.314j/mol K），T为绝对值（K），为应变速率，Q为热活化能（kJ/mol）。

对于金属材料，可以通过分析真实的应力-应变曲线来模拟DRX演化[23]。对于AISI 4140钢，当变形温度超过0.4Tm（约596 0C） 应变分别超过动态再结晶的临界应变[24]。动态再结晶的临界应变随温度和应变速率的变化而变化，其计算公式如下：

其中，是峰值应变，a是值为0.8的常数[25]

根据实验数据，可计算如下：

从上面的方程可知，的值由于随着变形温度的升高，值降低，有利于动态再结晶

从Avrami方程看忽略晶粒尺寸的影响以及动态恢复的Bergstorm流动应力模型[26]，得到了动态再结晶的动力学方程具体如下：

其中Xdrex是动态再结晶（DRX）的分数，e 0.5表示50%动态再结晶的应变。

从方程式（4）-（6）得到变形温度与DRX之间的关系，如图2所示。可见，较高的温度和较大的应变都有助于提高动态再结晶的DRX，前者提供了更多的动态再结晶活化能，后者意味着较大的变形程度有利于动态再结晶。

图2 AISI 4140不同应变率下的变形温度DRX曲线

然而，当温度或应变达到一定水平时对DRX的影响很小

动态再结晶晶粒尺寸可计算如下：

其中d drex表示动态再结晶晶粒尺寸

如图3所示，较高的变形温度驱动DRG尺寸越大，应变速率越高，意味着消泡剂越多同时信息减少了它

图3. AISI 4140变形温度曲线图尺寸

2.2关键工艺参数的合理范围

2.2.1毛坯锻造工艺参数

2.2.1.1. 空白尺寸.根据图4所示的环坯与环的几何关系，以及金属塑性变形中的体积守恒原理，提出了环坯尺寸可描述为：

式中，B 0、h0、r0、r0分别为设计环坯的高度、壁厚、外径、内径。B、 H、R、R分别记下环的高度、壁厚、外径、内径。为径向进给量与轴向进给量之比（R/A比），定义为=△H/△ B，lambda;为RARR过程的轧制比，表示为lambda;=H0B0/HB，V为环体积

从式（8）可知，环坯尺寸取决于给定环尺寸时的R/A比和轧制比。在RARR中，为了避免轧制过程中出现鱼尾纹和褶皱等缺陷，必须根据高壁厚比（B/H比）适当计算出R/A比[27]。郭等[28]提出了轧制比的合理范围。根据这两个参考文献，本文中的轧制比和R/A比可确定为：

其中R2是芯轴的半径。

结合式（8）和式（9），环坯尺寸可以被确定

2.2.1.2锻造比.锻造比K定义为：

式中Bs，Be分别为镦粗前后钢锭的高度

根据文献[29]可知，钢锭高度与钢锭高度之比半径必须小于3，否则钢锭会双倍膨胀镦粗时的变形，导致轧制时产生褶皱。另外，钢锭内部缺陷先增大后逐渐缩小锻造比大于1.43，或中心裂纹倾向留下来。此外，锻造比过大会产生剪切钢锭表面的裂纹和压力机的额外负荷。对于AISI4140，锻造比的合理范围为2.5-3.0。

2.2.1.3冲孔销直径和预冲孔深度。冲头销d 1的直径与设计环坯的内半径一样大

根据文献[29]，当工件直径D k与冲头销直径D 1之比大于2.5且工件高度与直径之比小于1时，孔应通过预穿孔和穿孔两种方式形成分别是端面。预穿孔深度H K为一半或工件高度的三分之二。

此外，由于在冲孔时，工件会变短，端面不均匀。因此，要确保环坯的高度并使其端面平整。

图4 设计环坯与环的几何关系

图5 毛坯锻轧复合过程三维热力耦合有限元模型

2.2.2 RARR工艺参数

基于稳定的轧制条件[30]，我们之前的工作[22]提出了关键工艺参数的合理范围在RARR中，可以描述如下

a. 主辊和芯轴的半径：

其中R1是主辊的半径，beta;r表示径向通过，R min，1，rmin，2分别表示R 1和R 2的允许最小值。

b.锥形辊尺寸：

对于圆锥辊c的锥角，其合理范围可以推断如下：

其中gamma; min是gamma;的允许最小值，beta;a是摩擦力轴向通过角，Si0表示从圆锥滚子与内表面之间的接触点环和锥形辊。

对于锥形辊H c的高度，它必须确保辊与环的上下表面保持接触在整个过程中。因此可以确定如下：

表1：

参数 数值

钢锭初始温度 (0C) 1200

环境温度(0C) 25

模具温度(0C) 80

模或冲头向下速度（mm/s） 30

锻造比，K 2.73

冲头销直径d1（mm） 320

预穿孔深度，HK（mm） 125

主辊半径R1（mm） 400

芯轴半径R2（mm） 150

导辊半径（mm） 175

圆锥滚子锥角（0） 35

主辊转速nr（rad/s） 3

圆锥辊转速，na（rad/s） 7.84

径向进给速度，vr（mm/s） 0.842

轴向进给速度，va（mm/s） 0.626

钢锭尺寸（mm） 500 x 715

设计环坯尺寸（mm） 841.86 x 320 x252

环尺寸（mm） 1458 x 1130 x180

  1. 主辊和芯轴转速：

式中，nR，nA是主辊和芯轴的转速，分别是。S是圆锥滚子顶点到圆环外表面与圆锥滚子接触点的距离。

  1. 径向和轴向进给速度：

式中，v r，v a分别是径向和轴向进给速度

  1. 锥形辊后退速度 vD：

式中，B t，H t分别是轧制过程中环件的瞬时高度和壁厚

2.

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