環模輾環成形新工藝及其數值模擬

袁浩++戴恩虎++王小明++房煒

摘要：針對某一型號生物質燃料顆粒成型機用環模零件，設計了輾環工藝，運用SIMUFACT大型塑性加工有限元軟件，實現了輾環工藝的數值模擬，有效預測了成形缺陷如毛刺、折疊、截面輪廓充不滿等問題。為了解決上述出現的輾環缺陷問題，通過優化模具結構和毛坯形狀，得到合理的成形工藝方案，為環模鍛件的精確輾環成形提供指導，并進行生產驗證，產品合格。

關鍵詞：生物質燃料；環模；輾環成形；毛坯設計；數值模擬

中圖分類號：S216.2；TH122 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）03-0554-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.03.042

Numerical Simulation of New Ring Rolling Process of Ring Die

YUAN Hao1a，DAI En-hu1b，WANG Xiao-ming2，FANG Wei1b

（1a.School of Agricultural Equipment Engineering；1b.School of Mechanical Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，Jiangsu，China；

2.Liyang Hongda Mechanical Equipment Co. Ltd.，Changzhou 213331，Jiangsu，China）

Abstract： A ring rolling process used in shaping biomass fuel particles was designed according to one certain type of ring die and it was simulated by Simufact software，which effectively predicted the molding defects，such as burrs，fold and pass not filled with material，etc. The die structure and the blank shape were optimized and a legitimate rolling process was obtained according to the simulation，which provided a guidence for ring dies accurately rolling. By testing the product was up to standard.

Key words： biomass fuel； ring die； ring rolling； FEA simulation； blank design

近年來，各國對能源的需求量逐步增加，致使現有化石能源迅速消耗，能源危機愈發嚴峻[1]。生物質能源作為可再生清潔能源，逐漸引起人們的重視，具有良好的發展前景。其中，利用生物質原料固體成型技術制造生物質顆粒燃料是生物質能源轉化與利用的主要方式。生物質顆粒固體成型燃料是將農作物秸稈、木料加工剩余物等生物質原料粉碎到一定的粒度，通過一定壓力和溫度處理，由生物質顆粒固體成型機加工成具有一定密實度的粒狀成型物。環模式固體成型機作為生物質燃料顆粒成型最常用的裝置，其核心部件環模的壽命低、質量差成為了推廣生物質燃料道路上的一道亟須解決的技術瓶頸[2]。

環模是生物質顆粒固體成型機的關鍵部件[3]，形狀為中間凹的環形件，中間表面布滿制?？?，如圖1所示。環模不但要求表面硬度高，還要求芯部擁有較好的質量與強度，其質量好壞直接影響顆粒成型機的使用壽命。環模傳統制造工藝首先通過鍛造獲得毛坯，然后通過機械切削的手段加工成外溝形截面的環形件。這種加工方法材料利用率較低，并且原始金屬流線被破壞，嚴重影響了環模最后的機械性能。若采用輾環工藝制造，只需對軋制后的環件進行少量的切削加工，很大程度上提高了材料的利用率，減少了零件的加工工時，同時獲得的環模內部材料致密，在后期?？椎募庸ぶ心芎芎玫靥岣呖妆诘膹姸群陀捕?，從而提高環模的使用壽命。本研究對新工藝中輾環部分進行研究，提出了一種生物質燃料顆粒成型機用環模成型新工藝，以期為環模鍛件的精確輾環成形提供指導。

1 初始方案設計與數值模擬

1.1 鍛件毛坯設計

根據某一型號環模零件留出適當的加工余量設計鍛件，如圖2所示。毛坯的設計是依據環模鍛件來進行的，遵守體積不變原則計算得到毛坯的重量，設定毛坯與最終鍛件的軸向長度相等，環模內外徑的尺寸依據預定軋制比，初始毛坯如圖3所示。

1.2 工藝參數的設計

為了解決生物質燃料制粒環模易磨損、壽命低的問題，本研究環模材料采用的是高合金不銹鋼材料4Cr13[4]。依據鍛件尺寸和實際可用生產設備使用情況，設計驅動輥大徑750 mm，驅動輥小徑696 mm，芯輥170 mm，摩擦因數0.70。為了保證軋制過程的順利進行，驅動輥線速度一般保持在0.4～1.6 m/s[5]，驅動輥轉速范圍：

式中，R1為驅動輥半徑，預設驅動輥外徑為750 mm，代入式（1）得驅動輥轉速n取值范圍0.17 r/s

矩形截面環件軋制直線進給速度的極限范圍[6]：

式中，？茁為環件軋制的摩擦角，R1、n1分別為驅動輥工作半徑和轉速，R2為芯輥半徑，R、r分別為環件的外半徑和內半徑，vmin、vmax分別為最小、最大進給速度。

結合曾旭東[7]的研究，可將外溝形截面環件軋制看作兩個階段。第一階段：外溝槽成形階段，環件截面成形，最大厚度保持不變；第二階段：直徑擴大階段，環件直徑變大，壁厚減小。在第一階段環件開始軋制時，只需滿足驅動輥大工作半徑處軋制條件，于是，v1min≈0.60 mm/s，v1max≈12.09 mm/s，因此可以得到

v1min

式中，v1是第一階段芯輥進給速度，v1min、v1max分別為第一階段芯輥進給速度的最小、最大值。在第二階段環件開始軋制時，需驅動輥大小工作半徑處同時滿足軋制條件，即

[vbmin，vsmin]max

式中，vb為驅動輥大工作半徑處對應的芯輥進給速度，vs為驅動輥小工作半徑處對應的芯輥進給速度，v2是第二階段芯輥進給速度。結合公式（2）、（3）計算得到vsmin≈0.63 mm/s，vsmax≈12.09 mm/s，vbmin≈0.55 mm/s，vbmax≈15.30 mm/s。

為了簡化速度進程設計，使穩定軋制階段芯輥進給速度始終如一，綜合兩階段得到芯輥進給速度范圍0.63

1.3 初始方案模擬

環模截面為外溝形，屬于復雜截面，選用封閉式孔型作為其軋制孔型[9]。為了使毛坯容易進出孔型斜槽，減少毛坯與孔型間的刮擦，取驅動輥斜槽斜度為2 °。運用大型塑性成形分析軟件Simufact建立仿真模型，如圖4（a）所示。對初始方案進行數值模擬，分析輾環結束后環件成形情況，發現環件內孔孔緣出現嚴重毛刺，同時材料未充滿孔型，如圖4（b）所示。因此，初始方案無法滿足成形要求，應對初始方案進行改進。

2 輾環工藝改進方案設計與仿真分析

2.1 3種改進方案

1）方案一：改變模具結構。驅動輥孔型改為半閉式，芯輥長度加長。初始方案中，由于軋制過程中金屬發生軸向流動，毛坯與驅動輥擋板間存有一定的間隙，并且芯輥長度跟毛坯相等，不能很好地限制材料的流動范圍，部分金屬隆起后被擋板擠到芯輥上下端面位置發生折疊，最后出現較嚴重的毛刺缺陷。加長芯輥長度與半閉式孔型的配合使用，可以抑制毛坯金屬先隆起后退后的趨勢，如圖5（a）所示。

2）方案二：改變毛坯截面形狀。環模軋制屬于異形環軋制，異形環在軋制時，易出現充形不滿，造成產品不合格。經深入研究，發現直接將環件毛坯設計成異形截面可以有效解決此類問題[10]。本方案優化了毛坯形狀，將毛坯截面設計成與鍛件相似的外溝形截面，如圖5（b）所示。

3）方案三：同時改變模具結構與毛坯截面形狀。本方案采用半閉式孔型驅動輥與加長芯輥，同時采用截面形狀與鍛件相似的毛坯，如圖5（c）所示。

2.2 輾環優化方案的仿真分析

方案一的模擬結果表明，半閉式與加長芯輥能較好地改進毛坯內孔毛刺缺陷，但仍然出現了充不滿的問題，如圖6（a）所示。因此，方案一不能滿足設計要求。

方案二的模擬結果表明，環件沒有達到環模鍛件精度要求。雖然孔型充不滿問題得到了較大的改良，但同樣出現了較嚴重的毛刺，如圖6（b）所示。因此，方案二不能滿足設計要求。

方案三的模擬結果表明，采用半閉式孔型驅動輥、加長芯輥與外溝形截面毛坯組合方案，有效避免了毛刺與充不滿缺陷，環件產品均勻飽滿，滿足輾環成形要求，適合批量生產，為合理的輾環改進方案。

方案三環件軋制中，毛坯沒有截面成形階段，直接進入了直徑擴大階段。從軋制一開始，毛坯跟模具就完全接觸，整個毛坯內外面受到較均勻的碾壓力，軋制穩定，軋制成形結束后，應力應變均勻，孔型充滿效果好，如圖6（c）所示。配合半閉式孔型，加長芯輥擁有足夠的長度可以消除因擋板摩擦滯后的金屬毛刺，在芯輥與半閉式孔型的聯合作用下，金屬軸向流動形成的折疊和毛刺得到了再次地擠壓與成形，因此在毛坯內孔孔緣處產生了較大的塑性變形。圖7為輾環結束時環件的等效應變結果。

3 驗證試驗

對以上理論分析與仿真優化的有效性進行了驗證試驗。圖8（a）為試驗局部放大圖，可以看出毛坯二與驅動輥孔型接觸完全，有利于軋制穩定地進行。經過以上工藝生產出來的產品不存在毛刺、充不滿等缺陷，質量合格符合環模前期加工質量要求，如圖8（b）所示。

4 小結

1）對外溝形截面環模鍛件輾環成形機理進行分析，確定了合適的軋制工藝參數。

2）通過對環模輾環成形新工藝數值模擬分析，有效預測了新工藝擬定中產生的缺陷，確定了半閉式孔型驅動輥與外溝形截面毛坯組合的輾環工藝成形方案。

3）通過生產實踐，驗證了外溝形截面環件成形的合理性與生物質燃料顆粒成型機用環模輾環成形新工藝的可靠性。

參考文獻：

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