摘 要：風電軸承是風電裝備的關鍵零件，而套圈作為軸承的核心組件，對軸承服役壽命以及主機運行可靠性至關重要。環件徑軸向軋制是制造各種大型無縫軸承套圈、回轉支承、法蘭環件的先進回轉塑性成形工藝。目前，風電裝備中應用的各種球軸承，其套圈滾道均是通過切削加工成形，材料浪費多，加工效率低，且滾道金屬流線分布差，削弱了套圈的力學性能。文章以典型的大型雙滾道風電軸承套圈為對象，開展其滾道軋制成形數值模擬和實驗
研究。通過環件軋制工藝理論分析，提出了主要工藝參數設計方法；建立套圈徑軸向軋制熱力耦合有限元模型，通過模擬分析，對軋制進給規程進行優化；根據模擬結果，開展了軋制實驗，成功軋制成形出合格的雙滾道軸承套圈。該文研究實現了大型風電軸承套圈滾道直接軋制成形，為風電以及其他領域用大型軸承套圈、回轉支承環件節能節材的先進制造，提供了有效的工藝理論指導。
關鍵詞：風電軸承；套圈；滾道；環件徑軸向軋制；數值模擬
引 言
風電軸承是風電機組的關鍵零件，也是當前風電裝備國產化的瓶頸。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安全可靠運行至風電軸承套圈為代表的直徑１ｍ 以上大型異形截面環件，其傳統的主要制造工藝為自由鍛擴孔和切削加工，即先在壓力機上通過芯軸擴孔制得矩形截面環鍛件，然后通過機械切削加工出截面輪廓。傳統制造工藝存在能耗高、材料利用率低、效率低、質量性能差等諸多缺點，無法滿足風電軸承市場提出的高效、低耗、優質生產制造需求。
環件徑軸向軋制是一種制造大型無縫環件的塑性回轉成形新工藝［１］，其原理如圖１所示。驅動輥作主動旋轉；芯輥作徑向直線進給和被動旋轉，兩輥構成徑向孔型；上、下軸向錐輥作主動旋轉和水平后退移動，同時上錐輥作軸向進給，兩輥構成軸向孔型；兩個導向輥在軋制過程中緊貼環件外表面，隨環件外徑擴大作平動運動，以保證軋制穩定性和成形環件圓度；在上述軋輥的綜合作用下，環坯在回轉過程中反復進入徑向和軸向孔型，經過多轉連續局部塑性變形積累，使其直徑擴大，壁厚和高度減小，截面輪廓成形。相比傳統工藝，環件徑軸向軋制具有低耗、高效、優質的顯著技術經濟特點，已成為高性能大型無縫軸承套圈、齒圈、法蘭環不可替代的先進成形制造技術。
環件徑軸向軋制過程是一個多參數耦合作用下的動態變形過程，軋制過程中徑向和軸向變形區相件徑軸向軋制變形規律，和為工藝設計提供有效科學指導，有關學者先后開展了相關的理論研究。文獻［２］最早分析了環件徑軸向軋制過程變形特征；文獻［３］研究了環件徑軸向軋環機可軋區；文獻［４］比較了外溝槽截面回轉支承環件徑向軋制和徑軸向軋制工藝；文獻［５］研究了環件徑軸向軋制剛度條件；
文獻［６－７］利用ＡＢＡＱＵＳ／Ｅｘｐｌｉｃｉｔ動力顯式有限元法，建立了環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變形行為；文獻［８］開展了帶涂層環件徑軸向軋制三維建模和成形參數優化模擬分析；文獻［９］通過解析計算和數值模擬分析，提出了環件徑軸向軋制穩定條件。然而，現有的環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件，對復雜截面環件研究較少。而對于異形截面環件，由于軋制過程中周向直徑擴大與徑向截面充型并非同步進行，金屬流動和變形規律更復雜，給工藝設計與過程控制提出了更高難度。由于缺乏工藝理論研究指導，致使目前環件徑軸向軋制實際工藝應用主要集中于矩形截面環件制造。如風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，產品力學性能差。
本文以大型雙滾道面風電軸承套圈為對象，開展其徑軸向軋制成形工藝模擬和實驗研究，以期實現其滾道直接軋制成形，為大型復雜截面環件徑軸向軋制工藝應用提供科學指導。
１主要軋制參數合理的設計范圍
１．１ 軋制比和徑軸向變形量比值
根據圖２所示初始環坯與軋制成形套圈鍛件的幾何關系，基于環件軋制工藝理論和塑性變形體積不變原理，確定環坯尺寸計算公式為：
由式（１）可知，在已知鍛件尺寸情況下，環坯尺寸取決于軋制比和徑軸向變形量比。文獻［１０］提出了環件徑軸向軋制不同變形情況下軋制比的設計方法。而環件徑軸向軋制中，為了抑制環件軋制過程中端面凹陷和表面折疊現象，環坯徑向和軸向變形量比值可根據鍛件的高厚比有效設計［１１］。由文獻［１０－１１］，并根據本文研究對應的軋制變形模式，確定軋制比和徑軸向變形量比為：
式中 Ｒｉ———芯輥工作半徑驅動輥和芯輥工作半徑為保證大型環件徑軸向軋制的穩定性，軋制線速度應控制在０．４ｍ／ｓ～１．６ｍ／ｓ之間［１］。而當軋環機設備確定后，軋環機主電機轉速ｎ、減速機減速比ｉ和驅動輥轉速ｎｄ則為定值，且有ｎｄ＝ｎ／ｉ。根據上述條件可確定驅動輥工作面半徑Ｒｄ范圍為：
１．３ 進給速度
根據文獻［１２］可知，為了實現環坯順利咬入孔型并被塑性穿透產生連續軋制變形，芯輥徑向進給速度ｖｒ應滿足如下條件：
此外，軋制中為保證徑向軋制與軸向軋制同時完成，芯輥徑向進給速度ｖｒ與上錐輥軸向進給速度ｖａ之間應滿足如下關系：
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 數控徑軸向軋環機上軋制４２ＣｒＭｏ合金鋼材質的風電軸承雙滾道套圈為例，根據環件幾何尺寸和上述公式，結合實際軋環機設備參數和軋制工藝條件，確定相關軋制參數如表１所示。
文獻［７］是本文的前期工作，開展了４２ＣｒＭｏ合金鋼環件徑軸向軋制三維熱力耦合有限元建模研究，詳細描述了建模的關鍵技術，并在Ｄ５３Ｋ－３５００軋環機上對模型可靠性進行了實驗評定。本文基于前期建模研究基礎，根據表１中參數，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方程與熱力物理性能參數參照文獻［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］。采用質量縮放技術，確定有效的質量縮放方法，并在保證計算精度的前提下提高計算效率［１３］。軋輥與環件之間接觸采用庫侖摩擦模型，摩擦系數為０．３５［７］。模型選用８節點六面體熱力耦合線性減縮積分單元（Ｃ３Ｄ８ＲＴ）進行均勻網格劃分，采用ＡＬＥ自適應網格重構技術，控制變形過程中的網格畸變。
２．２ 模擬結果分析
模型總單元數為２６３６４，整個模擬程序在ＨＰＺ８００工作站上運行約４５ｈ。圖４ａ為軋制成形鍛件與初始環坯的俯視圖，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變上下端面以及外表面的成形效果都較好，但是滾道區域填充不充分。
圖５為軋制中鍛件截面成形過程，可以看出，初始時刻環坯內表面僅滾道處與軋輥接觸，接觸位置在環坯軸向靠下位置，如圖５ａ所示；隨著上錐輥向變形，其內表面上部先與芯棍接觸，接觸線從上至下呈現一定錐度，此時溝槽處金屬開始填充，如圖５ｂ所示；軋制結束時，上滾道填充較好，而滾道中間區域和下滾道充填不太充分，如圖５ｃ所示。
由模擬結果可知，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。圖６分析了軋制徑向和軸向孔型中環坯金屬軸向流動行為。從圖中可以看出，軋制一轉過程中，軸向孔型中，在上錐輥向下進給作用下，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，由于滾道位置經過軸向孔型后發生向下偏移，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生的不利影響，同時促進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坯徑向和軸向的變形量。當環坯尺寸確定時，其徑向和軸向總變形量一定，則可以通過改變進給規程來階段性調控軋制過程中環坯徑向和軸向變形量分配，如圖７所示。曲線ＡＣＢ 為初始模擬的進給規程曲線。采用該進給規程時，由于徑軸向變形量比值偏小，導致滾道下半部分不能完全充填滿。曲線ＡＤＢ 為改變后的進給規程曲線，該進給規程分為兩階段，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，主要進行環坯軸向高度的軋制；第二階段以徑向軋制為主，該階段徑軸向變形量比值較大，主要進行環坯徑向壁厚的軋制。具體軋制進給參數如表２所示。
采用改進的進給規程進行模擬分析，成形結果如圖８所示。由圖８ａ可以看出，成形環件的圓度仍然較好。由圖８ｂ可以看出，鍛件滾道充型較好，沒有出現明顯的未充滿缺陷，從而說明修改的進給規程是有效的。分析其原因，修改后的進給規程在第一階段增大軸向進給量和進給速度，以軸向軋制為
主，使環坯軸向變形主要發生在滾道成形初期，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給量和進給速度，以徑向軋制為主，使環坯金屬產生充分的徑向變形，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，促進了滾道的充分成形。
３ 軋制實驗
參照模擬軋制參數和修正后的軋制進給規程，在成都天馬鐵路軸承有限公司Ｄ５３Ｋ－３５００數控徑軸向軋環機上，開展了該風電軸承雙滾道套圈軋制工藝實驗。軋制過程和成形結果如圖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比較了標準鍛件與模擬和實驗鍛件尺寸。其中，模擬鍛件外徑、內徑和高度為在鍛件外圓、內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、內徑和高度均滿足標準鍛件尺寸要求。從而證明了上述工藝的可行性。
４ 結 論
本文以大型雙滾道風電軸承套圈為對象，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、數值模擬和實驗測試，提出了可靠的軋制工藝參數設計方法，分析了其軋制成形缺陷和原因，優化了軋制進給規程，最終軋制成形了滿足尺寸要求的雙滾道軸承套圈。本文研究結果可為大型風電軸承套圈和回轉支承精確軋制成形制造提供有效的工藝理論指導。
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