DEFORM环轧模拟——你真的了解吗？

1.环轧模拟现状

deform环件轧制工艺是一种环形坯壁厚减薄、直径扩大的塑性成形工艺，坯料和工艺设计均有成熟的理论指导，但在实际生产中仍存在很多问题，尤其截面复杂的环形零件，例如主辊与坯料接触的宏观打滑问题、端面裂纹和凹陷、周边飞刺等等各种问题。

有限元模拟是解决塑性成形工艺缺陷和优化的一种非常具有经济价值的工具，但环轧由于其工艺特点，在仿真模拟时具有难度。首先，接触的高度非线性变化，轧辊与坯料都是沿轴向线接触，接触带较窄，且在不断变化。另外，轧制旋转接触展开后，轧制长度较长，而有限元计算的步长被网格尺寸限制，环轧模拟的总步数相对于其它类型工艺模拟数量较多，真实的环轧工艺模拟计算达上万步，因此计算时间也较长，也不符合实际工艺开发的需求。

2.Ring Rolling环轧专用算法

SFTC公司针对以上两个问题，首先对于接触处理，采用高精度的六面体网格，并且在接触位置自动加密网格，即使较小的接触容差值，坯料上的接触面积也会和实际保持一致，保证坯料与各轧辊之间的接触面积。下图为容差值均为0.007时，不同类型网格的接触对比。

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四面体网格圆弧接触

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六面体网格圆弧接触

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Ring rolling模块中接触部位网格自动加密

由于接触位置不断变化，如果继续使用传统的拉格朗日法，接触部位的局部加密网格就会旋转移动，网格不断重划分将会占用大量计算时间。Ring rolling算法参考ALE法的优点，边界网格与实际坯料边界保持一致，表面网格可根据计算结果发生变化（不包含旋转），而内部网格与坯料质点分离，只用于记录材料流动数据，不但在网格较少的前提下保证较高的计算精度，而且即使相同的网格数量，Ring rolling算法的每一步计算时间也大大缩短，整体环轧工艺计算时间明显减少。另外，随着环件直径长大和驱动辊的接触，截面形状变化，用户可控制六面体网格多次重划分。

Ring rolling算法的还有一个特点是稳定控制，计算过程中环件在水平和垂直方向上的移动和旋转保持稳定，以及强制驱动工件旋转（防止几何和网格较粗糙时造成接触不足）。对于这几项稳定约束在设置过程中可选择性的关闭或打开。环轧模拟的目的在于寻找一种稳定长大且没有缺陷的轧制工艺参数，这些约束不但不会影响研究目的，反而更快地预测工艺缺陷，找到最佳工艺参数。

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稳定性控制示意图

DEFORM计算过程中具有了稳定控制，deform-3d物体设置中就不需要添加抱辊，计算完成在后处理界面中，用户对抱辊接触坯料的位置反向点追踪，能够得到抱辊最佳的退让轨迹，而不是前处理设置中用理论计算给出一个退让路径，前处理设置抱辊路径不仅路径计算复杂而且不符合实际工艺，导致模拟失去现实意义。如果需要对抱辊做详细研究，DEFORM软件建议使用拉格朗日法对抱辊模拟计算，指定抱辊的具体平移路径或弹簧载荷力抱紧运动，研究抱辊对轧制过程的影响。

3.Ring rolling环轧向导界面

为了更方便的完成环轧模拟的前处理设置，DEFORM软件在ring rolling环轧向导界面中，添加了很多智能化功能。

1.自动定位

环轧工艺通常除了坯料外，还有驱动辊、芯辊、锥辊等等，几何建模时DEFORM软件就开始收集各几何的2D横截面信息，获取旋转轴和旋转中心，获取2D横截面，从切面视角直接定位，用户只需根据工艺按界面提示输入几个简单位置参数完成各轧辊与坯料的自动对齐。

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锥辊自动定位

2.轧辊运动定义

驱动辊和芯辊的运动包括了主动旋转、被动旋转、按时间或行程的径向进给运动等。锥辊的运动较为复杂，除沿轴向运动外，还包括主动旋转、自适应被动旋转、根据环件半径或直径长大的径向自动/主动退让等，这些均可在轧辊的运动设置界面找到相应的输入和选择。

3.虚拟工作台

环件轧制过程中，实际设备常会有一个平面工作台，由于其形状简单，作用是阻止工件在轧制过程中不超过该平面，所以该工作台可参数化表示其作用，虚拟简化设置，环轧向导界面中只需选择是在工作台在环件的上方还是下方，距离环件上、下面的轴向距离。

以上设置能够大大简化环轧模拟的前处理设置流程，使工艺人员快速完成前处理，得到与实际工艺相符且极具经济价值的模拟结果数据deform安装教程。

4.制坯—冲孔—扩孔—环轧联合模拟计算

在目前的环轧模拟应用中，很多软件展示的案例都是初始坯料理想化的几何和统一状态变量分布，模拟结果严重不符合实际工艺。其中一个重要原因在于环轧前后还有进行制坯、冲孔、（扩孔）等工艺，模拟计算时未考虑前面的这些工序。

DEFORM软件十几年前在行业内首先提出了多工序模拟技术，传热、多次锻造之间的坯料数据完美衔接，但锻造与环轧之间的工序连接存在难点，主要在制坯锻造阶段属于金属大变形模拟，通常采用重划分网格容易的四面体网格计算制坯、冲孔过程，而环轧需要高精度的六面体网格，才能保证计算效率。DEFORM软件在新的环轧向导模块中，完美解决了该问题，即使制坯后的坯料非轴对称，也能自动提取多个2D横截面，采用DEFORM软件特有的morphing变形计算，自动生成变截面的六面体网格，保留制坯阶段的缺陷，并自动将四面体网格数据插值到六面体网格中。

DEFORM MO多工序模块中，一次前处理即可完成从制坯到环轧的全过程设置，并为工序之间的传热提供了heat transfer传热向导模块，如果还有扩孔工序，也可使用Cogging向导模块快速设置，坯料之间的数据自动传递，设置方便快捷。

5.Ring rolling环轧向导其它应用

火车轮的轧制与环轧工艺类似，SFTC公司在Ringrolling向导模块基础上进一步开发，增加了火车轮轧制的向导设置功能，能够定义上下两个辐板辊，借用ring rolling 算法快速完成模拟计算。该模块功能已成功应用到国内外的车轮轧制生产厂家。

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