Investigation of rolls size effects on hot ring rolling process by coupled thermo-mechanical 3D-FEA

Hot ring rolling is a significant branch of ring rolling characterized by high nonlinearity, 3D deformation, continuously progressive forming, unsteady-state, asymmetry, etc. with coupled thermo-mechanical behaviors which have significant effects on the deformation behavior, microstructure and mechanical properties of the ring. Changing the sizes of forming rolls including mandrel and driver rolls will considerably affect the roll gap deformation zone which is in close relation to the feed amount of both forming rolls and thus affects forming quality of the ring as well as power parameters. In this study, a reliable coupled thermo-mechanical and 3D rigid-plastic finite-element (FE) model for hot rolling of large rings is established. Then, based on the stable forming condition of the ring rolling process and comprehensive numerical simulations, the size effects of forming rolls on strain and temperature distributions and their uniformity, stress distribution, side spread and power parameters were investigated by 3D coupled thermo-mechanical FE simulation. The results show that there are optimum sizes of mandrel and driver rolls under which the strain and temperature distributions of ring and thus its microstructure are the most uniform where fishtail coefficient and power parameters have reasonable values. The achievements obtained can not only serve as a guide to the design of rolls sizes, optimization and quality control of the hot ring rolling process, but also clarify the plastic deformation and heat transferring of hot rolling of large rectangular-section rings.     

FE simulation and experimental research on cylindrical ring rolling

During the conventional ring rolling process, the ring mainly produces the incremental deformation of wall-thickness reduction and diameter expansion, which makes it difficult to manufacture the cylindrical ring with small diameter and large height. In this paper, a new method for manufacturing the cylindrical ring using a ring blank with smaller height, i.e. cylindrical ring rolling, is proposed and its feasibility is verified. For evaluating the cylindrical ring rolling process and to better understanding its deformation characteristics, a 3D elastic–plastic FE model of cylindrical ring rolling is first established. Then, the comparison between conventional ring rolling and cylindrical ring rolling is investigated using this 3D FE model. Finally, the effects of the process parameters, such as the feed rate of the idle roll, diameter of the idle roll and friction coefficient between the rolls and ring, on cylindrical ring rolling are numerically revealed. The experiment is carried out on a vertical NC ring rolling machine and the good agreements between the experimental and simulation results verify the validity of the established 3D FE model of the cylindrical ring rolling.     

摩擦对高温合金复杂截面圆环多道次滚压成形不均匀变形作用

在高温合金复杂截面薄壁圆环多道次滚压成形过程中,板料要经历多场多因素偶合作用下复杂的不均匀塑性变形和组织演化历程,特别是不均匀塑性变形通常是导致薄壁件成形起皱、椭圆和开裂等缺陷产生的主要因素。摩擦是描述环件与辊轮接触作用的主要参数,很大程度上决定着该环件多道次滚压成形过程中塑性变形的不均匀性,严重的影响着其滚压成形质量。为此,本文以有限元仿真为主并结合实验和理论方法,对高温合金GH4169薄壁w形圆环多道次滚压成形进行了系统的分析;进而提出了不均匀变形度的表征方法,研究获得了摩擦对高温合金复杂截面薄壁圆环多道次滚压成形不均匀变形的影响规律。结果表明：随着滚压成形的进行等效应力极值逐渐增大,且从动辊进给时环件弯曲部分材料变形量较大;随着驱动、从动辊与环件之间摩擦系数的增加,不均匀变形程度先减小,后逐渐增大;导向辊与环件之间的摩擦对不均匀变形度的影响不大。     

基于新晶体塑性模型预测织构演化的环件冷轧变形机制

提出一种新的多晶体塑性模型以从织构演化角度研究环件冷轧过程的变形机制。该模型是在晶体塑性理论框架内通过推导一套线性增量控制方程建立的。该模型可以用线性求解方法直接求解,并采用一个两步法的求解过程,确保模型计算的效率和稳定性。基于ABAQUS/Explicit平台开发了用户材料子程序VUMAT,以实现该模型与环件冷轧三维有限元模型的结合。结果表明,该模型在预测动态复杂成形过程中的应力应变响应和织构演化方面都是可靠的;从轧制环件中很强的Goss织构{110}？100？看出,环件轧向的剪切变形是环件冷轧过程中的主要变形;环坯的织构和晶体结构对轧制环件中的织构类型的影响不大;在冷轧的后期环件织构演化迅速,这导致了这一时期环件的快速长大。     

An advanced manufacturing method for thick-wall and deep-groove ring—Combined ring rolling

Ring parts like duplicate gear, double-side flange and high pressure value body, are widely used in engineering machinery, which have the common geometrical characteristic of thick-wall, small-hole and deep-groove on the surface. The conventional manufacturing technology for this kind of ring is simple forging with cutting, which has the disadvantageous of high energy and material consumption, low material productivity and poor performance. In this paper, a new manufacturing method for this kind of ring named combined ring rolling (CRR) is firstly proposed based on the minimum resistance principle in metal plastic forming and its forming principle is introduced. Then, the reasonable ranges for key forming parameters of CRR are determined, the FE modeling and simulation analysis and experiment study for the CRR process with a double-side flange ring are performed. By this work, the CRR technique is testified feasible, and the basic thermo-mechanical deformation rules in CRR process are revealed based on simulation with the valid FE model proved by the experiment.     

局部加载控制不均匀变形与精确塑性成形研究进展

局部加载控制不均匀变形与精确塑性成形关键理论与技术研究,既是先进塑性成形学科前沿领域中的关键和挑战性课题,又是航空航天高技术发展的迫切需求。文章以局部不均匀加载实现通常极难的板面内弯曲成形为切入点,发展了控制不均匀变形以实现精确塑性成形的理论与技术,为我国先进飞机发展面临的大型复杂整体钛框成形制造难题的解决,提供了启示。建立了薄壁管数控弯曲失稳起皱、回弹、截面畸变预测和成形极限分析的模型、过程仿真和优化设计的方法;揭示了其关键影响因素和影响规律;实现了难度很大的薄壁管小弯曲半径数控弯曲精确成形。建立了多道次普旋、曲母线和带内筋件强旋等复杂过程三维仿真模型,提出了解决不均匀变形导致的复杂成形缺陷和旋轮轨迹优化设计难题的方法。解决了大型铝型材先进等温挤压中迫切需要解决的多场耦合作用下温度与速度效应和控制的重大难题。发展了复杂环件辗扩过程和控制仿真的三维有限元模型以及临界摩擦系数确定的解析-数值方法;总结了冷辗扩3种塑性变形行为及多因素耦合对辗扩过程的影响;提出了率相关晶体塑性模型在有限元中实现的稳健算法,实现了冷辗扩宏观变形行为的细观响应描述。     

异形截面环件虚拟轧制及其工艺优化

环件轧制是当前广泛应用于生产无缝环件的一种特殊塑性成形方法,然而轧制异形截面环件影响因素众多,控制环件成形具有高度的复杂性,采用传统的试凑法很难满足产品研发的需要。文章基于通用动力显式有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立了RAW200/160-5型径轴向轧环机的三维仿真模型,并对斜L异形截面环件进行了虚拟轧制,实现了毛坯结构和轧制工艺的优化。结果表明,采用计算机模拟环件轧制生产过程,对于优化毛坯形状,制定或修改环件轧制工艺,缩减产品研发时间,降低生产成本,提高轧制效率具有重要意义。     

超大型环件径向轧制设备动梁受力分析和优化

本研究建立了超大型环件径向轧制设备动梁的有限元模型,采用该模型对超大型环件径向轧制设备动梁的受力进行了分析.研究发现,前梁框架的厚度和其中筋板厚度对前梁的强度和刚度都有较大的影响,而且其整体厚度的影响更大,本文基于动梁的有限元计算结果对动梁结构进行了优化设计,获得了可以满足设备功能需求的动梁结构.     

铝合金锥面筒形环件轧制成形数值模拟与实验研究

铝合金异形截面环件是航天航空和国防装备的重要结构件,铝合金异形截面环件目前多采用自由锻成形或者简化为矩形截面环件后轧制成形,使环件生产周期长、材料利用率低、环件的组织性能差,严重限制了该类环件的应用和发展。针对2A14铝合金锥面筒形环件进行了轧制过程数值模拟和实验研究,提出了形状相似环件毛坯设计方法和锥形环件轧制过程的合理工艺参数范围计算方法,并基于ABAQUS/Explicit平台建立该环件轧制过程的三维热力耦合有限元模型。通过分析毛坯结构对成形环件尺寸误差和变形均匀性的影响,得到了等截面积环件毛坯成形尺寸误差最小的结果。并根据模拟结果进行轧制实验验证,成功轧制出合格的锥面筒形环件。     

环件热辗扩成形有限元建模仿真研究进展

环件热辗扩成形问题是多场、多因素耦合作用下集三维连续渐变、非稳态及非对称等特点于一体的高度非线性问题,采用有限元建模仿真方法研究与发展该技术对实现无缝环形构件的高质量、低成本及短周期制造具有重要意义.分别从宏观和微观尺度评述环件热辗扩成形有限元建模仿真的国内外研究现状、存在的问题与发展趋势,进而指明其发展方向如下:大型、复杂环件径、轴双向热辗扩成形全过程自适应建模的仿真方法与关键技术;环件热辗扩成形过程宏观与微观有限元建模仿真无缝集成技术;适用于以环件热辗扩为代表的连续局部塑性成形过程的材料本构模型和组织演变模型以及相应稳健而高效的有限元算法、本构积分算法与组织演变仿真方法;考虑模具的变形、传热及主要失效形式的环件热辗扩成形过程建模仿真技术.     

Dynamic explicit FE modeling of hot ring rolling process

1Introduction Ring rolling is an advanced process typically used to manufacture parts with revolved geometries.It makes use of rotating rolls to press a ring continuously and locally,causing the wall thickness of the ring to reduce,the diameter to expand …     

大型风电轴承套圈滚道轧制数值模拟与实验

风电轴承是风电装备的关键零件,而套圈作为轴承的核心组件,对轴承服役寿命以及主机运行可靠性至关重要。环件径轴向轧制是制造各种大型无缝轴承套圈、回转支承、法兰环件的先进回转塑性成形工艺。目前,风电装备中应用的各种球轴承,其套圈滚道均是通过切削加工成形,材料浪费多,加工效率低,且滚道金属流线分布差,削弱了套圈的力学性能。文章以典型的大型双滚道风电轴承套圈为对象,开展其滚道轧制成形数值模拟和实验研究。通过环件轧制工艺理论分析,提出了主要工艺参数设计方法;建立套圈径轴向轧制热力耦合有限元模型,通过模拟分析,对轧制进给规程进行优化;根据模拟结果,开展了轧制实验,成功轧制成形出合格的双滚道轴承套圈。该文研究实现了大型风电轴承套圈滚道直接轧制成形,为风电以及其他领域用大型轴承套圈、回转支承环件节能节材的先进制造,提供了有效的工艺理论指导。     

锥台复合截面环件精密轧制毛坯的优化设计方法

针对广泛用于油气管道阀门、航空发动机机匣及结合环中的锥台复合截面环件较难同时获得所需的直径尺寸和台阶形状的问题,提出"等壁厚型"和"变壁厚型"两种环坯设计方法。借助ABAQUS模拟平台,建立两种轧制环坯设计下的锥台复合截面环件轧制过程的有限元仿真模型,分析两种环坯轧制过程中的台阶充型规律及最终的成形环件尺寸误差。结果表明,"变壁厚型"环坯比"等壁厚型"环坯轧制成形后尺寸精度高。为获得最优的尺寸精度,在"变壁厚型"环坯设计基础上,添加尺寸修正系数η。通过对比不同修正系数η下的环坯轧制成形尺寸精度,得出尺寸修正系数η在1η1.1范围内的"变壁厚型"环坯为最优环件轧制毛坯。基于模拟结果,在WD51Y-250多功能轧环机上进行锥台复合截面环件轧制实验,验证有限元模拟的可靠性和环坯设计方案的可行性。     

驱动辊转速对环件轧制工艺影响规律研究

针对环件轧制成形规律,以数值仿真和数学解析相结合的方法,以有限元分析软件ABAQUS为平台,建立弹塑性动态显式有限元模型,研究驱动辊转速对环件成形工艺的影响。研究表明,在环件轧制过程中,随着驱动辊转速的增加,每转进给量减小,外径部分金属轴向流动增加,环件自由端面形状系数FT增加,最大宽展系数增加,环件自由端面质量下降;在驱动辊转速增加过程中,轧制力和轧制力矩减小,对轧环机的力学性能要求降低。同时平均等效应变PEEQa增加,环件塑性变形程度增大,有利于提高环件力学性能,但同时变形不均匀程度也加大,内部质量缺陷的可能性增加。     

环件冷辗扩技术现状和发展

简要地介绍了环件冷辗扩原理、冷辗扩工艺、冷辗设备、加工过程控制参数、模具寿命及有限元模拟技术的现状和发展,并指出了环件冷辗扩还缺乏精确而系统性的研究,弹塑性有限元研究才刚刚起步,通过模拟来优化加工过程参数在国际上也几乎没有公开发表的文献。因此,应该从理论、有限元模拟、材料、设备、热处理、模具等多学科联合攻关研究,才能使我国的环件冷辗扩技术跃上一个新的台阶。     

环形件摆动辗压变形机理三维刚塑性有限元分析

本文从摆动辗压过程中坯料螺旋式送进的事实出发, 建立了符合摆动辗压实际变形条件的力学模型, 利用自行开发的刚塑性有限元软件对环形件摆动辗压变形进行了分析, 得出了环形件摆辗变形时接触区域的速度场和应力应变场, 给出了接触区域金属的流动规律, 揭示了环形件摆动辗压的变形机理。光塑性实验与模拟结果吻合较好。     

鼓形环坯轧制的宏微观变化数值模拟研究

针对鼓形环坯建立了环件径轴向轧制三维有限元模型,通过Simufact软件对鼓形环坯轧制的宏微观变化进行了耦合模拟,模拟揭示了鼓形环坯在轧制过程中的温度、等效应变、晶粒、动态再结晶的分布和演化规律;深入研究了轧制成形过程中径向每圈压入量对环锻件微观组织大小的影响规律。结果表明:基于鼓形环坯获得的环锻件,其内外侧棱边处发生的动态再结晶体积分数最大,晶粒最为细小,其次是内外表面和上下表面,心部动态再结晶体积分数最小,晶粒尺寸最大;适当增大径向每圈压入量,能够扩大动态再结晶区域,获得晶粒尺寸细小的环锻件。     

径-轴双向环轧工艺的研究进展

回顾了环件径-轴双向轧制锻透条件、咬入条件、刚度条件等相关理论研究进展，分析了工艺参数对轧制过程的影响及其确定准则，在此基础上引入轧制曲线的概念，并给出了径-轴双向环轧轧制曲线的设计原则，还探讨了在利用有限元方法模拟轧制过程、优化轧制工艺参数时存在的问题，并给出了对数值模型进行控制和处理的有效方法。     

L形截面环件径轴向轧制过程数值模拟与工艺优化

径轴向轧制成形技术是生产大型高品质L形截面无缝环件的理想加工方法。以Deform有限元软件为平台,对L形截面环件径轴向轧制过程进行了数值模拟,揭示了L形截面环件轧制过程中折叠和凹坑缺陷的形成机理。以此为基础,对初始环件尺寸和轧制工艺进行了优化。研究结果表明:初始环件尺寸和轧制速度设计不合理是缺陷出现的主要原因;优化后的初始环件和进给速度能够消除缺陷,使环件的截面形状填充较好。     

环件摆辗镦粗过程中的塑性铰特性

塑性铰是影响环件摆动辗压工艺稳定的重要因素,研究其形成过程非常必要。建立了基于ABAQUS软件的环件摆辗镦粗有限元模型,研究了环件塑性铰区域的应力分布状况,分析了不同高径比对环形件塑性铰区域应力场的影响,得到了塑性铰形成的影响因素及变化规律,即随着环件高径比增大,塑性铰的位置沿摆头旋转方向偏移,促进了环件摆辗镦粗工艺的稳定与发展。