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摘　要：風(fēng)電軸承是風(fēng)電裝備的關(guān)鍵零件，而套圈作為軸承的核心組件，對軸承服役壽命以及主機(jī)運(yùn)行可靠性至關(guān)重要。環(huán)件徑軸向軋制是制造各種大型無縫軸承套圈、回轉(zhuǎn)支承、法蘭環(huán)件的先進(jìn)回轉(zhuǎn)塑性成形工藝。目前，風(fēng)電裝備中應(yīng)用的各種球軸承，其套圈滾道均是通過切削加工成形，材料浪費(fèi)多，加工效率低，且滾道金屬流線分布差，削弱了套圈的力學(xué)性能。文章以典型的大型雙滾道風(fēng)電軸承套圈為對象，開展其滾道軋制成形數(shù)值模擬和實驗

研究。通過環(huán)件軋制工藝?yán)碚摲治觯岢隽酥饕に噮?shù)設(shè)計方法；建立套圈徑軸向軋制熱力耦合有限元模型，通過模擬分析，對軋制進(jìn)給規(guī)程進(jìn)行優(yōu)化；根據(jù)模擬結(jié)果，開展了軋制實驗，成功軋制成形出合格的雙滾道軸承套圈。該文研究實現(xiàn)了大型風(fēng)電軸承套圈滾道直接軋制成形，為風(fēng)電以及其他領(lǐng)域用大型軸承套圈、回轉(zhuǎn)支承環(huán)件節(jié)能節(jié)材的先進(jìn)制造，提供了有效的工藝?yán)碚撝笇?dǎo)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電軸承；套圈；滾道；環(huán)件徑軸向軋制；數(shù)值模擬

引　言

      風(fēng)電軸承是風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵零件，也是當(dāng)前風(fēng)電裝備國產(chǎn)化的瓶頸。作為軸承的核心組件，軸承套圈的性能對軸承服役壽命及主機(jī)安全可靠運(yùn)行至風(fēng)電軸承套圈為代表的直徑１ｍ 以上大型異形截面環(huán)件，其傳統(tǒng)的主要制造工藝為自由鍛擴(kuò)孔和切削加工，即先在壓力機(jī)上通過芯軸擴(kuò)孔制得矩形截面環(huán)鍛件，然后通過機(jī)械切削加工出截面輪廓。傳統(tǒng)制造工藝存在能耗高、材料利用率低、效率低、質(zhì)量性能差等諸多缺點(diǎn)，無法滿足風(fēng)電軸承市場提出的高效、低耗、優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)制造需求。

      環(huán)件徑軸向軋制是一種制造大型無縫環(huán)件的塑性回轉(zhuǎn)成形新工藝［１］，其原理如圖１所示。驅(qū)動輥作主動旋轉(zhuǎn)；芯輥作徑向直線進(jìn)給和被動旋轉(zhuǎn)，兩輥構(gòu)成徑向孔型；上、下軸向錐輥作主動旋轉(zhuǎn)和水平后退移動，同時上錐輥作軸向進(jìn)給，兩輥構(gòu)成軸向孔型；兩個導(dǎo)向輥在軋制過程中緊貼環(huán)件外表面，隨環(huán)件外徑擴(kuò)大作平動運(yùn)動，以保證軋制穩(wěn)定性和成形環(huán)件圓度；在上述軋輥的綜合作用下，環(huán)坯在回轉(zhuǎn)過程中反復(fù)進(jìn)入徑向和軸向孔型，經(jīng)過多轉(zhuǎn)連續(xù)局部塑性變形積累，使其直徑擴(kuò)大，壁厚和高度減小，截面輪廓成形。相比傳統(tǒng)工藝，環(huán)件徑軸向軋制具有低耗、高效、優(yōu)質(zhì)的顯著技術(shù)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)，已成為高性能大型無縫軸承套圈、齒圈、法蘭環(huán)不可替代的先進(jìn)成形制造技術(shù)。

      環(huán)件徑軸向軋制過程是一個多參數(shù)耦合作用下的動態(tài)變形過程，軋制過程中徑向和軸向變形區(qū)相件徑軸向軋制變形規(guī)律，和為工藝設(shè)計提供有效科學(xué)指導(dǎo)，有關(guān)學(xué)者先后開展了相關(guān)的理論研究。文獻(xiàn)［２］最早分析了環(huán)件徑軸向軋制過程變形特征；文獻(xiàn)［３］研究了環(huán)件徑軸向軋環(huán)機(jī)可軋區(qū)；文獻(xiàn)［４］比較了外溝槽截面回轉(zhuǎn)支承環(huán)件徑向軋制和徑軸向軋制工藝；文獻(xiàn)［５］研究了環(huán)件徑軸向軋制剛度條件；

      文獻(xiàn)［６－７］利用ＡＢＡＱＵＳ／Ｅｘｐｌｉｃｉｔ動力顯式有限元法，建立了環(huán)件徑軸向軋制三維熱力耦合有限元模型，并分析了軋制過程熱力學(xué)變形行為；文獻(xiàn)［８］開展了帶涂層環(huán)件徑軸向軋制三維建模和成形參數(shù)優(yōu)化模擬分析；文獻(xiàn)［９］通過解析計算和數(shù)值模擬分析，提出了環(huán)件徑軸向軋制穩(wěn)定條件。然而，現(xiàn)有的環(huán)件徑軸向軋制研究大多集中于形狀簡單的矩形或近矩形截面環(huán)件，對復(fù)雜截面環(huán)件研究較少。而對于異形截面環(huán)件，由于軋制過程中周向直徑擴(kuò)大與徑向截面充型并非同步進(jìn)行，金屬流動和變形規(guī)律更復(fù)雜，給工藝設(shè)計與過程控制提出了更高難度。由于缺乏工藝?yán)碚撗芯恐笇?dǎo)，致使目前環(huán)件徑軸向軋制實際工藝應(yīng)用主要集中于矩形截面環(huán)件制造。如風(fēng)電裝備中典型的雙滾道軸承套圈，通常是先簡單軋制獲得矩形截面環(huán)鍛件，然后再切削加工溝槽，不僅消耗大量材料和工時，而且無法獲得仿形的金屬纖維流線分布，產(chǎn)品力學(xué)性能差。

      本文以大型雙滾道面風(fēng)電軸承套圈為對象，開展其徑軸向軋制成形工藝模擬和實驗研究，以期實現(xiàn)其滾道直接軋制成形，為大型復(fù)雜截面環(huán)件徑軸向軋制工藝應(yīng)用提供科學(xué)指導(dǎo)。

１主要軋制參數(shù)合理的設(shè)計范圍

      １．１　軋制比和徑軸向變形量比值

      根據(jù)圖２所示初始環(huán)坯與軋制成形套圈鍛件的幾何關(guān)系，基于環(huán)件軋制工藝?yán)碚摵退苄宰冃误w積不變原理，確定環(huán)坯尺寸計算公式為：

      由式（１）可知，在已知鍛件尺寸情況下，環(huán)坯尺寸取決于軋制比和徑軸向變形量比。文獻(xiàn)［１０］提出了環(huán)件徑軸向軋制不同變形情況下軋制比的設(shè)計方法。而環(huán)件徑軸向軋制中，為了抑制環(huán)件軋制過程中端面凹陷和表面折疊現(xiàn)象，環(huán)坯徑向和軸向變形量比值可根據(jù)鍛件的高厚比有效設(shè)計［１１］。由文獻(xiàn)［１０－１１］，并根據(jù)本文研究對應(yīng)的軋制變形模式，確定軋制比和徑軸向變形量比為：

      式中　Ｒｉ———芯輥工作半徑驅(qū)動輥和芯輥工作半徑為保證大型環(huán)件徑軸向軋制的穩(wěn)定性，軋制線速度應(yīng)控制在０．４ｍ／ｓ～１．６ｍ／ｓ之間［１］。而當(dāng)軋環(huán)機(jī)設(shè)備確定后，軋環(huán)機(jī)主電機(jī)轉(zhuǎn)速ｎ、減速機(jī)減速比ｉ和驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速ｎｄ則為定值，且有ｎｄ＝ｎ／ｉ。根據(jù)上述條件可確定驅(qū)動輥工作面半徑Ｒｄ范圍為：

１．３　進(jìn)給速度

      根據(jù)文獻(xiàn)［１２］可知，為了實現(xiàn)環(huán)坯順利咬入孔型并被塑性穿透產(chǎn)生連續(xù)軋制變形，芯輥徑向進(jìn)給速度ｖｒ應(yīng)滿足如下條件：

　    此外，軋制中為保證徑向軋制與軸向軋制同時完成，芯輥徑向進(jìn)給速度ｖｒ與上錐輥軸向進(jìn)給速度ｖａ之間應(yīng)滿足如下關(guān)系：

２　有限元建模與模擬分析

     ２．１　三維熱力耦合有限元建模

      以在Ｄ５３Ｋ－３５００ 數(shù)控徑軸向軋環(huán)機(jī)上軋制４２ＣｒＭｏ合金鋼材質(zhì)的風(fēng)電軸承雙滾道套圈為例，根據(jù)環(huán)件幾何尺寸和上述公式，結(jié)合實際軋環(huán)機(jī)設(shè)備參數(shù)和軋制工藝條件，確定相關(guān)軋制參數(shù)如表１所示。

      文獻(xiàn)［７］是本文的前期工作，開展了４２ＣｒＭｏ合金鋼環(huán)件徑軸向軋制三維熱力耦合有限元建模研究，詳細(xì)描述了建模的關(guān)鍵技術(shù)，并在Ｄ５３Ｋ－３５００軋環(huán)機(jī)上對模型可靠性進(jìn)行了實驗評定。本文基于前期建模研究基礎(chǔ)，根據(jù)表１中參數(shù)，在ＡＢＡＱＵＳ模擬軟件下建立雙滾道套圈徑軸向軋制三維熱力耦合有限元模型，如圖３所示。

      ４２ＣｒＭｏ合金鋼材料高溫本構(gòu)方程與熱力物理性能參數(shù)參照文獻(xiàn)［７］。模型采用動力顯式有限元算法，以避免隱式算法求解非線性大變形問題存在的時間消耗多和計算不收斂問題［１２］。采用質(zhì)量縮放技術(shù)，確定有效的質(zhì)量縮放方法，并在保證計算精度的前提下提高計算效率［１３］。軋輥與環(huán)件之間接觸采用庫侖摩擦模型，摩擦系數(shù)為０．３５［７］。模型選用８節(jié)點(diǎn)六面體熱力耦合線性減縮積分單元（Ｃ３Ｄ８ＲＴ）進(jìn)行均勻網(wǎng)格劃分，采用ＡＬＥ自適應(yīng)網(wǎng)格重構(gòu)技術(shù)，控制變形過程中的網(wǎng)格畸變。

      ２．２　模擬結(jié)果分析

     模型總單元數(shù)為２６３６４，整個模擬程序在ＨＰＺ８００工作站上運(yùn)行約４５ｈ。圖４ａ為軋制成形鍛件與初始環(huán)坯的俯視圖，可以看出，成形鍛件的圓度較好；圖４ｂ為成形鍛件沿對稱面剖開的截面等效應(yīng)變上下端面以及外表面的成形效果都較好，但是滾道區(qū)域填充不充分。

      圖５為軋制中鍛件截面成形過程，可以看出，初始時刻環(huán)坯內(nèi)表面僅滾道處與軋輥接觸，接觸位置在環(huán)坯軸向靠下位置，如圖５ａ所示；隨著上錐輥向變形，其內(nèi)表面上部先與芯棍接觸，接觸線從上至下呈現(xiàn)一定錐度，此時溝槽處金屬開始填充，如圖５ｂ所示；軋制結(jié)束時，上滾道填充較好，而滾道中間區(qū)域和下滾道充填不太充分，如圖５ｃ所示。

      由模擬結(jié)果可知，鍛件主要成形問題為滾道金屬填充不充分。分析其原因，可能與軋制過程中金屬軸向流動行為有關(guān)。圖６分析了軋制徑向和軸向孔型中環(huán)坯金屬軸向流動行為。從圖中可以看出，軋制一轉(zhuǎn)過程中，軸向孔型中，在上錐輥向下進(jìn)給作用下，金屬沿向下流動，滾道的位置也會向下偏移，如圖６ｂ所示；徑向孔型中，由于滾道位置經(jīng)過軸向孔型后發(fā)生向下偏移，此時滾道上半部分金屬仍與芯輥溝球接觸，并受其擠壓而正常填充，但滾道下半部分金屬會偏離芯棍溝球，無法受其擠壓而正常填充，如圖６ａ所示。雖然滾道處金屬受溝球擠流，但如果向下分流的金屬不足以補(bǔ)充滾道下半部分的偏移損失，則滾道下半部分就不能完全充型。

     由上述分析可知，要消除滾道充型缺陷，需要減小滾道位置在軸向孔型向下偏移產(chǎn)生的不利影響，同時促進(jìn)滾道下半部分金屬在徑向孔型中的流動填充，這就需要合理分配環(huán)坯徑向和軸向的變形量。當(dāng)環(huán)坯尺寸確定時，其徑向和軸向總變形量一定，則可以通過改變進(jìn)給規(guī)程來階段性調(diào)控軋制過程中環(huán)坯徑向和軸向變形量分配，如圖７所示。曲線ＡＣＢ 為初始模擬的進(jìn)給規(guī)程曲線。采用該進(jìn)給規(guī)程時，由于徑軸向變形量比值偏小，導(dǎo)致滾道下半部分不能完全充填滿。曲線ＡＤＢ 為改變后的進(jìn)給規(guī)程曲線，該進(jìn)給規(guī)程分為兩階段，即第一階段以軸向軋制為主，該階段徑軸向變形量比值較小，主要進(jìn)行環(huán)坯軸向高度的軋制；第二階段以徑向軋制為主，該階段徑軸向變形量比值較大，主要進(jìn)行環(huán)坯徑向壁厚的軋制。具體軋制進(jìn)給參數(shù)如表２所示。

      采用改進(jìn)的進(jìn)給規(guī)程進(jìn)行模擬分析，成形結(jié)果如圖８所示。由圖８ａ可以看出，成形環(huán)件的圓度仍然較好。由圖８ｂ可以看出，鍛件滾道充型較好，沒有出現(xiàn)明顯的未充滿缺陷，從而說明修改的進(jìn)給規(guī)程是有效的。分析其原因，修改后的進(jìn)給規(guī)程在第一階段增大軸向進(jìn)給量和進(jìn)給速度，以軸向軋制為

     主，使環(huán)坯軸向變形主要發(fā)生在滾道成形初期，從而削弱由于軸向變形引起的滾道偏移對滾道成形的影響；在第二階段增大徑向進(jìn)給量和進(jìn)給速度，以徑向軋制為主，使環(huán)坯金屬產(chǎn)生充分的徑向變形，從而促使金屬徑向流動填充孔型。因此，通過合理的階段性分配徑向和軸向變形量，促進(jìn)了滾道的充分成形。

３　軋制實驗

      參照模擬軋制參數(shù)和修正后的軋制進(jìn)給規(guī)程，在成都天馬鐵路軸承有限公司Ｄ５３Ｋ－３５００數(shù)控徑軸向軋環(huán)機(jī)上，開展了該風(fēng)電軸承雙滾道套圈軋制工藝實驗。軋制過程和成形結(jié)果如圖９、圖１０所示。

      由圖１０可以看出，軋制成形鍛件外形無明顯缺陷，滾道成形充分，與芯輥孔型貼合度較好。表３比較了標(biāo)準(zhǔn)鍛件與模擬和實驗鍛件尺寸。其中，模擬鍛件外徑、內(nèi)徑和高度為在鍛件外圓、內(nèi)圓和端面不同位置測量取平均值；實驗鍛件尺寸通過紅外線測距儀和游標(biāo)卡尺測量。通過比較可知，第一次模擬由于滾道成形不充分，多余金屬沿周向流動致使鍛件直徑偏大，而第二次模擬和實驗所得鍛件外徑、內(nèi)徑和高度均滿足標(biāo)準(zhǔn)鍛件尺寸要求。從而證明了上述工藝的可行性。

４　結(jié)　論

      本文以大型雙滾道風(fēng)電軸承套圈為對象，開展了其滾道軋制成形工藝模擬和實驗研究。通過理論計算、數(shù)值模擬和實驗測試，提出了可靠的軋制工藝參數(shù)設(shè)計方法，分析了其軋制成形缺陷和原因，優(yōu)化了軋制進(jìn)給規(guī)程，最終軋制成形了滿足尺寸要求的雙滾道軸承套圈。本文研究結(jié)果可為大型風(fēng)電軸承套圈和回轉(zhuǎn)支承精確軋制成形制造提供有效的工藝?yán)碚撝笇?dǎo)。