大型锥形环件成型制造新工艺及其数值模拟 - 文章

大型锥形环件成型制造新工艺及其数值模拟

作者：王泽武袁海伦曾青王乘

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摘要：针对600MW蒸汽发生器壳体大型锥形环件成型制造上的困难，提出了在大型数控径轴向RAW200/160-5型轧环机上实现锥形环件轧制成型的新工艺，并基于动力显式有限元Ansys/Ls dyna软件建立了径轴向轧环机三维数值仿真模型，对锥形环件一个生产周期内的环件轧制过程进行了数值模拟，验证了新工艺的可行性。仿真计算结果还表明，采用计算机模拟环件轧制成形过程，能够实现观察环件扩展和缺陷生成的实时动态过程，能够实现从设备改造、毛坯结构设计到轧制工艺的优化，可以避免费时耗资的重复实验。

1.引言

600MW蒸汽发生器壳体是核电站的关键设备，由封头、锥形环件和筒体组焊而成。以往制造这种锥形环件所采用的办法是，先锻制环形筒件再采用机械加工方法成形或者采用自由锻造方法直接在水压机上锻制出大型锥形环件，但这些工艺既费工时又大量浪费材料，而且产品精度不高。为此，本文提出了一种新的锥形环件成形工艺，即在大型径轴向轧环机上采用环件轧制技术生产大型锥形环件。环件轧制是机械零件制造技术与轧制技术交叉复合而成的环形零件连续局部塑性成形新技术，具有省力、节能、节材、生产率高、生产成本低、产品范围广等显著特点，在许多工业领域中得到日益广泛的应用，成为各种无缝环件零件的先进制造技术和主要加工方法。本文还按照600MW核电站反应器的实际尺寸，并基于数值模拟技术建立径轴向轧环机三维轧制仿真模型，在计算机上实现该锥形环件一个生产周期内的动态虚拟轧制过程，从而验证新工艺的高效性和环件轧制生产过程的可预测性。

2.锥形环件轧制新工艺介绍

图1为RAW200/160-5型径轴向轧环机结构示意图。主辊为驱动辊，作旋转轧制运动;芯辊(径向机架)作径向直线进给运动，趋近于主辊轮廓面;两个锥辊以环件线速度同步旋转，且上端面锥辊渐渐地向下移动;轴向机架根据环件外径变化向外作水平运动;两个抱辊从两侧以一定的力抱住环件，对环件起到定心、防振和归圆的作用。当经过反复多转轧制使环件直径达到预定值时，芯辊的径向进给和锥辊的轴向进给运动停止，环件径轴向轧制过程结束。

图1 径轴向轧环机示意图

常规锻造方法包括制坯、锻压及后期加工。本文设计的方法包括制坯、加热、轧制及后期加工，虽然多了热加工工艺，但采用该新工艺环件轧制技术具有设备吨位要求小、环件精度高、材料利用率高等优点，因而便于制造，并可降低生产成本。图2显示600MW蒸汽发生器壳体锥形环件规格实际尺寸，最大直径为4.650m、高度为2.675m。国外径轴向轧环机最大轧制的直径为l0m、高度为4m，而目前国内RAW200/160-5轧环机最大轧制直径为5m.高度为0.75m。因此，在国内利用环件轧制技术生产该大型锥形环件需要分成4等分轧制。本文将对等分后最大截面的环件进行计算机数值模拟轧制，其成品和毛坯结构分别如图3所示。

图2 锥形环件尺寸

图3 成品和毛坯结构设计参数

3.数值仿真模型

图4是根据RAW200/160-5径轴向轧环机实际结构尺寸建立的环件轧制数值仿真有限元模型，由主辊、芯辊、毛坯、抱辊、锥辊、托盘和定位块组成。各轧辊及毛坯均采用等分六面体自动扫描划分网格，生成节点和单元。模型共65547个单元，41150个节点，其中毛坯3220个单元，4416个节点。由于各轧辊、定位块及托盘在环件轧制过程中变形非常小，为了减少计算时间，均假设为刚体。毛坯取20号钢，在1000℃时的材料性能参数:弹性模量E=20 x 10 9Pa;密度ρ=7.84x 10"kgfm3;泊松比μ= 0.5;屈服应力σs=3.5xl0 7Pa。20号钢在温度超过800℃以后，表现出很好的塑性，屈服应力在一定温度范围几乎为常值，切向模量Etam取3.5 X l0 5Pa。环件工作温度为1000℃左右，整个轧制过程大约进行3min。根据生产经验，温度下降速率大约50℃/min，梯度小，因此分析中忽略温度梯度的影响。

图4 环件轧制有限元模型

锥形环件不同于矩形截面环件，在轴向上环件有一定的斜度，需要重新设计主辊、芯辊和抱辊。

4.轧制工艺

4.1主辊、芯辊、锥辊进给速度

主辊、锥辊均为驱动辊，角速度分别为3rad/s, 1.6 rad/s。芯辊进给速度与上锥辊下压进给速度见表1。

表1 芯辊与上锥辊进给速度

4.2抱辊的运动控制

抱辊在环件轧制过程中起到非常重要的作用，其控制精度对环件成品精度有很大的影响，抱辊与主辊和芯辊连心线的夹角对环件轧制具有重要影响。抱辊夹角越大，对环件定心效果越好，但整圆效果较差;夹角越小，对环件的整圆效果越好，但定心效果较差。本仿真模型控制抱辊随着环件扩展作同步运动，抱辊与环件圆心的夹角始终维持恒定不变，其夹角值通过多次轧制优化得到。

4.3锥辊的后退运动控制

环件的轴向变形主要靠锥辊进给运动完成。在轧制区域，边界条件非常复杂，存在着在轴向锥辊与环件转动不同步、在径向环件外径增长率与轴向机架后退的不同步现象。为了使主辊、毛坯和锥辊同步运动，本文采用如图5所示控制模块，在轧制过程中定位块随着毛坯同步后退，再通过定位块位移值控制锥辊作同步后退，使得上下锥辊转动线速度始终与毛坯外径转动线速度一致，由此就可以保证上下锥辊始终与环件作同步协调运动。

图5 锥辊后退运动控制方法

5.结果分析与讨论

通过对该锥形环件在轧制成形过程中的毛坯结构尺寸、毛坯扩展直径、抱辊控制、锥辊控制及芯辊、锥辊进给量的理论分析和多次轧制过程模拟，优化出一组较优的轧制工艺，并对该锥形环件在一个轧制周期内的轧制过程进行数值模拟研究。图6是环件在轧制120s芯辊进给结束时的应力云图，应力值高的部分是环件主要变形区，同时还可以显示任意时刻的应变、位移等值;图7是环件在轧制140s结束时的环件示意图，阴影网格部分为环件毛坯，内外参考圆作为环件成形成圆度的参考，通过一个周期的虚拟轧制显示环件基本成形，成圆效果良好。

图6 环件轧制120s时应力云图

图7 轧制结束时环件示意图

图8 环件A点和毛坯B点位移值

6.结论

本文制定了600MW蒸汽发生器壳体锥形环件成型制造新工艺，即基于RAW200/160-5径轴向轧环机采用先进的环件轧制技术制造该大型锥形环件。该方法具有设备吨位要求小、环件加工精度高、材料利用率高等显著特点，便于制造，降低生产成本。本文基于通用动力显式有限元软件Ansys/LS_dyna建立了径轴向轧环机三维有限元模型。对蒸汽发生器壳体锥形环件一个生产周期内的环件轧制过程进行了三维全过程动态轧制数值模拟，验证了新工艺的可行性。采用计算机模拟锥形环件的生产过程，实时观察环件扩展和缺陷生成的动态过程，从而实现从设备改造、毛坯结构设计到轧制工艺的优化，可以避免费时耗资的重复实验。但是，由于测试条件限制，上述仿真计算结果未能与实际轧制过程进行比较，这将是下一步深人研究工作的重点。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/14/2007)


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