引言
非對稱外雙溝形環(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]，如運載火箭推進(jìn)劑貯箱的過渡環(huán)、發(fā)動機機匣等關(guān)鍵部件。這些部件不僅要求具有高強度、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)計和軋制過程中材料流動分配等因素[5]，會造成非對稱外雙溝形機匣環(huán)鍛件上下端出現(xiàn)內(nèi)徑差過大的問題。目前針對異形截面環(huán)件的軋制成形，各學(xué)者提出了坯料優(yōu)化設(shè)計方法[6-8]，緩解因金屬軸向和周向流動不匹配產(chǎn)生的小端拉縮等缺陷;通過對軋制過程中各輥的工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)計并優(yōu)化[9-11]，改變環(huán)件產(chǎn)生的圓度差、填充不足等問題。對整個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]研究內(nèi)溝槽輪轂環(huán)件時開發(fā)出利用簡單截面環(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毛坯優(yōu)化解決環(huán)件軋制成形過程填充不足和圓度等問題，但對于環(huán)件上下端出現(xiàn)內(nèi)徑差過大的問題并未做過多研究。針對該問題的傳統(tǒng)解決方法大多是通過額外增加機加工余量來解決非對稱外雙溝環(huán)鍛件出現(xiàn)上下端內(nèi)徑差過大的問題，并不能從根源上防止環(huán)鍛件出現(xiàn)上下端內(nèi)徑差過大的問題。結(jié)合以上學(xué)者的研究，本文提出的關(guān)于TC4非對稱外雙溝形機匣環(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)計的TC4非對稱外雙溝形機匣環(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，為非對稱的回轉(zhuǎn)體薄壁件。
根據(jù)以上情況，本文針對該鍛件的成形設(shè)計了如下工藝流程，方案采用鐓粗→沖孔→馬架擴孔→軋制內(nèi)錐形截面環(huán)→軋制非對稱外雙溝形截面環(huán)。
本文針對成形工藝流程中比較關(guān)鍵的工步(軋制非對稱外雙溝形截面環(huán))進(jìn)行分析，成形工藝的難點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稱，會導(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
對矩形環(huán)坯軋制非對稱外雙溝形截面環(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)
| Parameters | Value |
| Working diameter of drive/mm | Φ530 |
| Diameter of core/mm | Φ180 |
| Diameter of guide/mm | Φ480 |
| Angle of cone/(°) | 32 |
| Temperature of ring/℃ | 950 |
| Initial temperature of roll/℃ | 200 |
| Speed of drive/(rad·s-1) | 1.33 |
| Friction factor between ring and drive | 0.3 |
| Friction factor between ring and cone | 0.3 |
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，等效計算得到環(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)件的外表面相對復(fù)雜，故該缺陷的偏差值通過上下端的內(nèi)徑差計算獲得，為9.6mm。為了控制該缺陷的產(chǎn)生，對軋制用環(huán)坯進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并對驅(qū)動輥和芯輥進(jìn)行合理的參數(shù)化設(shè)計。
表2矩形環(huán)坯軋制目標(biāo)鍛件的成形結(jié)果(mm)
| Parameters | Upper end | Lower end |
| Outside diameter | Φ1360 | Φ1340.6 |
| Inner diameter | Φ1248.6 | Φ1229.4 |
| Thickness Thickness | 55.7 | 55.6 |
| Deviation value 9.6 |
2.1內(nèi)錐形截面環(huán)設(shè)計
根據(jù) TC4非對稱外雙溝形機匣環(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)計思路將軋制用環(huán)坯設(shè)計成內(nèi)錐形截面環(huán),以補償環(huán)件在軋制過程中材料流動分配的不合理,并將 TC4非對稱外雙溝形機匣環(huán)鍛件沿軸向方向分為①~⑤這5個區(qū)域。
通過計算每個區(qū)域的體積,由非對稱外雙溝形機匣環(huán)鍛件最大外徑Dk與當(dāng)量軋制比 k(1.2～2.0),計算出內(nèi)錐形截面環(huán)外徑D0=Dk/k。確定內(nèi)錐形截面環(huán)后，因為軋制前后環(huán)件高度不變，可同樣沿軸向方向?qū)h(huán)件分為①~⑤這 5個區(qū)域，如圖 3所示,即可以通過各區(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為非對稱外雙溝形機匣環(huán)鍛件的體積。取當(dāng)量軋制比 k = 1.3,通過計算可得D0= Φ1100 mm,w0=2mm, d01=Φ990 mm, d02=Φ994 mm。
2.2模具優(yōu)化設(shè)計
驅(qū)動輥示意圖如圖 5所示,驅(qū)動輥采用專用的異形驅(qū)動輥,外形貼合非對稱外雙溝形機匣環(huán)鍛件的截面形狀,同時加裝上下?lián)醢?可與芯輥構(gòu)成閉式軋制以防止環(huán)件在軋制過程中上下竄動,提高軋制穩(wěn)定性。
驅(qū)動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 為非對稱外雙溝形機匣環(huán)鍛件凹槽深度; R k 為非對稱外雙溝形機匣環(huán)鍛件凹槽圓角; b k1 、b k2 分別為非對稱外雙溝形機匣環(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
內(nèi)錐形截面環(huán)軋制非對稱外雙溝機匣環(huán)鍛件的過程中每個區(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 的過程中急劇減小,②區(qū)域的體積補償?shù)舰俸廷蹍^(qū)域,④區(qū)域的體積會補充到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,所有區(qū)域的體積均在環(huán)件軋制到 D 3 時達(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 時的壁厚, b0= (D0-d0 ) /2; b1為環(huán)徑外徑為 D1時的壁厚, b1=(D1-d1 )/2; bk為環(huán)徑外徑為Dk時的壁厚, 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。
通過以上的缺陷控制方法,進(jìn)行內(nèi)錐形截面環(huán)軋制非對稱外雙溝形機匣環(huán)鍛件的數(shù)值模擬計算,有限元模型裝配示意圖如圖 8所示,為了提高運算效率,同時保證模擬的準(zhǔn)確性,網(wǎng)格數(shù)量設(shè)置為 58569個,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)果對比圖,可以看到通過內(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)徑差過大的缺陷得到了有效控制,通過數(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,通過后續(xù)測量,得到環(huán)件的上下端內(nèi)徑差為 1mm,鍛件的實物圖如圖 10所示。
3、結(jié)論
(1)針對矩形環(huán)坯軋制 TC4非對稱外雙溝形環(huán)鍛件軋制過程中上下端內(nèi)徑差過大的問題，提出了基于材料流動分配反饋的優(yōu)化軋制用環(huán)坯控制方法。
(2)進(jìn)行了優(yōu)化驅(qū)動輥設(shè)計，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非對稱外雙溝形環(huán)鍛件軋制過程中環(huán)件的上下竄動造成軋制的不穩(wěn)定性以及金屬軸向流動不均。
(3)開展了TC4非對稱外雙溝形環(huán)鍛件軋制仿真結(jié)果的對比，結(jié)果表明采用內(nèi)錐形截面環(huán)坯與優(yōu)化驅(qū)動輥及芯輥的參數(shù)可以有效地控制上下端內(nèi)徑差過大的問題，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。
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（注嗎，原文標(biāo)題：TC4非對稱外雙溝形機匣環(huán)件軋制內(nèi)徑差工藝控制研究）
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