摘 要

目前，铝合金等材料的锥形截面环件在航空航天、核电和造船等事业的应用越来越广泛。精度高，力学性能好的锥形环件的轧制成形工艺是目前研究的热点。采用环轧成形工艺，可以改善传统工艺力学性能不足的缺点。与一般的矩形截面环件相比，锥形截面环件的轧制具有金属流动性复杂，变形差异较大等特点。研究轧制工艺参数的改变对成形过程的影响规律，为分析和优化实际的环轧过程，改善环件性能等方面具有重要的指导意义。

本文在ABAQUS有限元模拟的基础上，对一种2A14铝合金锥形环件的热轧制过程进行了研究。建立了铝合金锥形环件闭模热轧制过程的热力耦合三维有限元模型。通过数值模拟，研究了锥形环件的金属变形规律，系统地分析了初始轧制温度、芯辊进给速度这两种成形参数对环件轧制的轧制力、环件圆度误差、等效应变和温度分布的影响。结果表明采用合适的轧制工艺参数可以明显优化铝合金锥形环件的成形质量。

关键字：锥形环件；有限元模拟；热轧制；环轧

Abstract

At present, the application of the conical ring of aluminum alloy and other materials in aerospace, nuclear power and shipbuilding industry is more and more widely. The rolling forming process of conical ring with high precision and good mechanical properties is a hot research topic. Ring rolling is also called for ring rolling hole is the use of ring rolling mill the ring made the wall thickness reduction and increase the diameter and cross-section forming plastic process. Adopting ring rolling process can improve the shortcomings of traditional process mechanical properties. Compared with the normal rectangular section ring, the rolling of the conical ring has the characteristics of complex metal flow, large deformation difference and so on. It has important guiding significance to study the influence of rolling process parameters on the forming process, which is of great significance to analyze and optimize the actual ring rolling process and improve the performance of the ring.

On the basis of ABAQUS finite element simulation, the hot rolling process of a 2A14 aluminum alloy conical ring is studied. A three dimensional finite element numerical simulation model of the hot rolling process of closed die ring is established. Through numerical simulation, the deformation law of conical ring with metal, and systematically analysis the initial rolling temperature, the feed speed of the mandrel both forming parameters of the rolling force of rolling ring, ring round, the error of strain and temperature distribution was investigated, and the optimization of process parameters are determined.

Key words：Conical ring；Finite element simulation；hot rolling；Ring rolling

目 录

摘要

Abstract

第1章 绪论 1

1.1课题研究背景 1

1.2国内外概况 1

1.3课题研究内容及目标 2

第2章 铝合金锥形环件轧制过程理论基础 4

2.1锥形环件热轧制的力学模型 4

2.1.1锥形环件轧制的咬入力学模型 4

2.1.2锥形环件轧制的锻透力学模型 5

2.2咬入条件和锻透条件与进给量的关系 5

2.3导向辊运动幅值的计算模型 6

2.3.1锥形环件外径的长大规律 6

2.3.2导向辊运动幅值的确定 7

2.4锥形环件轧制芯辊的进给策略 8

第3章 铝合金锥形环件热轧制数值模拟 10

3.1 ABAQUS有限元分析软件介绍 10

3.2铝合金锥形环件热轧制数值建模 10

3.2.1环件及轧辊的尺寸输入 10

3.2.2材料属性设置 11

3.2.3环件与轧辊的装配设置 13

3.2.4分析步设置 13

3.2.5部件之间接触关系设置 14

3.2.6环件及轧辊的边界条件设置 14

3.2.7环件网格设置 16

第4章 数值模拟实验设计及结果 17

4.1环件轧制过程中等效应变随轧制时间的变化规律 17

4.2成形参数对锥形环件热轧制过程的影响 19

4.2.1环件轧制数值模拟实验设计 19

4.2.2环件毛坯初始轧制温度对等效应变的影响 19

4.2.3环件毛坯初始轧制温度对环件圆度的影响 20

4.2.4环件毛坯初始轧制温度对轧制力的影响 21

4.2.5环件毛坯初始轧制温度对温度分布的影响 22

4.2.6环件进给速度对环件等效应变的影响 24

4.2.7环件进给速度对环件圆度的影响 25

4.2.8环件进给速度对驱动辊轧制力的影响 25

4.2.9环件进给速度对温度分布的影响 26

第5章 总结与展望 28

5.1结论 28

5.2展望 28

参考文献 30

致谢 31

第1章 绪论

1.1课题研究背景

现在，工业使用的异形截面环件种类众多，并随着航天航空、船舶等事业的快速发展，异形截面环件的应用也越来越重要。其中应用比较广泛的有锥形截面环件，包括核电蒸发器的外壳罩体、航天器的喷嘴结构和密封圈等。由于铝合金材料的高强度和较轻的质量，这种材料被广泛运用于机械、航天航空等行业。铝合金材料的锻造温度范围比较窄，不同的铝合金材料力学性能差异大，这些性质使得铝合金锻造工艺难度较大。国内传统的生产铝合金环件方式一般是采用自由锻工艺锻造，其成形精度差、效率低并且材料利用率低^[1]。而采用轧制方式可以生产具有各种截面形状的无缝环件，非常适合铝合金锥形环件的成形。同时生产出来的环件具有组织细小均匀、性能稳定可靠、流线随形分布、效率高成本低等诸多综合技术经济优势^[2]。

另外特别注意的，环件轧制的难点在于在轧制过程中，环件变形区比较是复杂的、变化的,变形的热力条件也是不稳定的^[3]。因此,环件轧制不仅表现出了普通平板轧制、异步轧制、型材轧制、多道次轧制的性质,而且还表现出了这些轧制的祸合性质^[4]。所以环件轧制变形具有高度的复杂性，特别是异形环件的轧制过程。例如毛坯的材料特性、轧辊在接触区域的边界条件、轧辊材料、温度和轧制速率等等因素，它们都会对毛坯在变形区几何变形过程的控制造成影响。

因此针对铝合金的锥形环件轧制的研究，了解锥形环件在轧制的复杂变形中的基本规律对优化环件轧制参数，提高环件质量有着非常实际且重要的意义。

1.2国内外概况

环件轧制技术经过50多年的发展，其应用和技术相对成熟^[5]。现在环件的轧制成形已经成为环形零件，尤其是异形截面环件成形的先进工艺，其发展前景主要有下列描述的四个方向^[6]：（1）现阶段大型环件的轧制技术已经可以满足 2000mm直径以上的大型环件的工艺要求。在我国对环制技术的研究也越来越有深度，大型机械正在迅速增加。5000~8000 数控辗环机在我国得到了广泛应用。（2）高效率、高精度的环轧机械也伴随我国的自动化发展进程而初具规模，环件的成形速率和成形质量也在不断提高。现阶段环件直径的轧制精度可到达0.1。（3）采用复杂环件轧制和柔性环件轧制技术，通过优化毛坯，设计优化轧制孔型以减少加工余量，从而提高环件轧制的效率。许多异形截面环件实现了一次轧制成形的工艺，同时为了满足小批量多品种多规格环件的轧制生产，拥有特殊功能的柔性环件轧制设备得到快速发展，应用范围日益扩大。（4）发展环件轧制过程的智能控制系统。根据理论环轧知识，将环轧技术与现代计算机技术结合，为环件毛坯的尺寸误差、材料特性、质量变化幅度等参数的实时检测提供了一条新道路，进一步优化了环轧的工艺参数。步入环轧工艺智能控制的新阶段，可以提高轧制环件的成形质量和综合性能。

近年来,越来越多的学者对轧制异形环件的工艺进行了专业研究。为了达到优化环件尺寸的目的，袁培伦等^[12]研究了类似锥形环件的模拟，最后证明实验证明结果与模拟结果相符。韩星会等^[13]用数值仿真的方法对锥形环件的热轧制进行了研究，并对环件尺寸进行优化。王泽武等^[14]提出了600MW核电蒸发器外壳可以用径-轴锥形环件轧制技术来制造,并且模拟结果证明这种方法可以制作大型的锥形环件。—般而言，在矩形环件的轧制过程中，需要避免把矩形环件轧制成盘形环件。但Seitz^[15]等提出采用较大的锥辊进给量来制造盘形环件，这样正好利用这种金属流动的特点。但是,他们提出的这种进给方式，锥辊的锥角并不容易控制,同时面对高度较大的锥形环件，锥辊并不能将环件完全轧透。综上所述,截至目前,国内外学者主要研究了锥形环件轧制过程中环件尺寸的优化设计,而轧制参数对成形的影响规律的研究较为缺乏。在实际生产过程中,存在轧制过程不稳定,环件摆动过大,轧制环件的力学性能不满足要求,环件的尺寸存在误差的缺陷。但是,首先要建立锥形环件的数值模型,采用合理的成形参数,分析轧制过程中金属的流动规律和成形工艺参数对轧制过程的影响规律。所以有必要开展锥形环件热轧制过程的研究以解决以上描述的问题。

1.3课题研究内容及目标

本课题的主要研究内容为，在ABAQUS有限元分析基础上通过研究2A14铝合金的一种锥形环件，分析锥形环件的金属应变规律，以及轧制工艺参数对轧制结果的影响。本文考虑了两种轧制工艺参数：1、芯辊的进给速度；2、环件初轧温度。分析不同工艺参数下环件的成形质量，通过计算并优化工艺参数来提高环件成形质量。为完成研究内容，本文做出了以下工作：

（1）利用铝合金锥形环件的热轧制过程的力学模型，研究了热轧制过程中的咬入条件和锻透条件，并计算出合适的芯辊的进给速度范围。本文确定了合适的进给速度的取值范围，并提出了恒定每转进给量的进给方案，保证轧制过程的稳定性。

（2）建立了导向辊运动幅值的计算模型，计算了环件外径的长大规律。通过环件贴合导向辊的条件，为数值模拟过程中导向辊的运动提供较为精确的导向辊运动幅值。

（3）建立了基于ABAQUS的有限元数值模型。采用动态显示的热力耦合算法模拟铝合金锥形环件的热轧制过程。

（4）在ABAQUS有限元软件的后处理中提取和分析数据。对比不同轧制温度下以及不同进给量下环件轧制的成形质量，并得出结论。

第2章 铝合金锥形环件轧制过程理论基础

2.1锥形环件热轧制的力学模型

根据华林等人对环件轧制的研究可知，环件轧制过程可分为环件咬入建立轧制过程阶段、稳定轧制阶段、轧制结束阶段^[2]。对于矩形环件来说，当环件进入稳定轧制状态时，轧制过程平稳，轧制力以及进给速度的改变较小而且可以看作是平滑变化。在这种情况下，轧制过程近似视为静力学状态，可以建立静力学模型来分析轧制过程。锥形环件不同于矩形环件，由大端到小端不同层高的环件半径逐渐变大，使其静力学模型分析更为复杂。在稳定轧制阶段，锥环受驱动辊和芯辊的轧制力，有沿径向压缩、沿轴向和圆周方向扩张的趋势。但由于环件采用闭式轧制，环件的塑性变形主要沿径向和圆周方向，沿轴向方向变形较少。所以华林等建立的静力学模型依然适用。

2.1.1锥形环件轧制的咬入力学模型

建立锥形环件的咬入静力学模型，在轧制过程中某一时刻，截取任意一小段环形单元。若忽略环件在轴线方向上的金属流动，可以近似的看作是矩形截面环件的轧制，如图2.1所示。图中的R₁、R₂分别为驱动辊和芯辊的工作半径，α₁、α₂分别为驱动辊和芯辊与环件的接触角。P₁和T₁分别代表的是驱动辊对锥形环件的正压力和摩擦力。P₂为芯辊对环件的正压力，因为芯辊做从速转动，对环件的摩擦力矩为0，所以不考虑芯辊摩擦力。h₀、h分别为环件在瞬时轧制前后的壁厚。n₁为驱动辊转速，L为环件也轧辊的接触弧长在y轴方向上的投影长度。由轧制模型的受力方程[ ]：

图2.1 环件轧制的咬入力学模型