摘　要：風（fēng）電軸承是風（fēng）電裝備（bèi）的關鍵零件，而套圈作為軸承的（de）核心組件（jiàn），對軸承（chéng）服役壽命以及（jí）主機運行可靠性至關重要。環件徑軸向軋製是製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（de）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（fèn）布差，削弱了套圈的力學性能。文章以（yǐ）典型的大型雙滾道風電軸承套圈為對象，開展其滾道軋製成形數值模擬和實驗

研究（jiū）。通過環件軋製工藝理論（lùn）分析，提出了（le）主要工藝參（cān）數設計方法；建立套圈徑（jìng）軸向（xiàng）軋製熱力耦合有限元（yuán）模型，通過模擬分析，對軋製進給規程進（jìn）行優化；根據模擬（nǐ）結果，開展了（le）軋製實驗，成功軋製成形（xíng）出合格的雙（shuāng）滾道軸承套圈。該文研究實現了大型（xíng）風電軸（zhóu）承（chéng）套圈滾道直接軋製成形，為風電以及其他領域用大型（xíng）軸承套（tào）圈、回轉支承環件節能節材的先進製造（zào），提供了有效的工藝理論指導。

關鍵詞：風電軸承；套（tào）圈；滾道；環件徑軸向軋製；數（shù）值模擬

引　言

      風（fēng）電軸承是風電機組的關鍵零件，也是當前風（fēng）電裝備國產化的瓶頸。作為（wéi）軸承的核心組件，軸承套圈的性能對軸承服（fú）役（yì）壽命及主機安全可靠（kào）運行至風電軸承套圈為代表的直徑１ｍ 以上（shàng）大型異形截麵環（huán）件，其傳統的主要（yào）製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（kǒng）製得矩形截麵環鍛件（jiàn），然後通過機械切削（xuē）加工出截麵輪廓。傳統（tǒng）製造工藝存在（zài）能耗高、材料利用率低、效率低、質量性能差等諸（zhū）多缺點，無法滿（mǎn）足風電軸（zhóu）承市（shì）場提出的高效、低耗、優質生產製造需求（qiú）。

      環件（jiàn）徑軸向軋製是一種製造大型無縫環件的塑性回（huí）轉成形新工藝［１］，其原理如圖１所（suǒ）示。驅動輥作主動旋轉（zhuǎn）；芯輥作（zuò）徑（jìng）向直線進給和被（bèi）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後退移（yí）動，同時上錐輥（gǔn）作軸向進給，兩輥構成軸向孔型；兩個導向輥在（zài）軋製過程中緊貼環件外表麵，隨（suí）環件外徑擴大作平動運動，以保證軋製穩（wěn）定（dìng）性和成形環件圓度；在上述軋輥的綜合作用下（xià），環坯在回（huí）轉過程中反複進入徑向和軸向孔型，經過多轉連續局部塑性變形積累，使（shǐ）其直徑擴大，壁厚和高度減小（xiǎo），截麵輪廓成形。相比傳（chuán）統工藝，環件（jiàn）徑軸向軋製具有低耗、高效、優質的顯著技術經濟特點（diǎn），已成為高性能大型無縫軸承套圈、齒圈、法蘭環不可替代的（de）先進成形製（zhì）造技術。

      環件徑（jìng）軸向軋製過程是一個多參數耦合作用下的動態變形過程，軋製過程中徑向和（hé）軸（zhóu）向變形區相件徑軸向（xiàng）軋製變形規律，和為（wéi）工藝設計提供（gòng）有效科學指導，有關學者先後（hòu）開展了相關的理論研究。文（wén）獻（xiàn）［２］最早分析了環件徑軸向（xiàng）軋製過程變形特征；文（wén）獻［３］研究了環件徑軸向軋（zhá）環機可軋區；文獻［４］比較了外溝（gōu）槽截麵回轉支承環件（jiàn）徑向軋製和徑軸向軋製工藝；文（wén）獻［５］研究了環件徑軸向軋（zhá）製剛度（dù）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製三維熱力耦合有限元模型，並分析了軋製（zhì）過（guò）程熱（rè）力學變形行為；文獻［８］開展（zhǎn）了帶塗（tú）層環件徑（jìng）軸向軋製三維建模和（hé）成形參數優化模擬分析；文獻［９］通過解析（xī）計算和數值模擬分析（xī），提出了環件徑軸向軋製穩定條件。然而（ér），現有的環件徑軸向軋製（zhì）研（yán）究大多集中於形狀簡單的矩形或近矩形截麵（miàn）環（huán）件（jiàn），對複雜截麵環件研究較少。而對於異（yì）形截麵環件，由於軋製過程（chéng）中周（zhōu）向直徑擴大與徑向截麵充型（xíng）並非同步進行，金屬流動和變形規律更複雜，給工（gōng）藝設計與過程控（kòng）製提出了更高難度（dù）。由於缺乏工藝理論研究指導，致使目前（qián）環（huán）件（jiàn）徑軸向軋製實際（jì）工藝應用主要集中於矩形截（jié）麵（miàn）環件製造（zào）。如風電裝備中（zhōng）典（diǎn）型的雙滾道軸（zhóu）承套圈，通常是先簡單軋製獲得矩形截麵環鍛件，然後再切削加工溝槽，不僅消耗大量（liàng）材料和工（gōng）時，而且無法獲得仿形的金屬纖維流線分布，產品力學性（xìng）能（néng）差。

      本文以大型（xíng）雙滾道麵風電軸承套圈為對象，開展其徑軸向軋（zhá）製成形工（gōng）藝模擬和實驗研究（jiū），以期實（shí）現其滾道（dào）直接軋製成形，為大型複（fù）雜截麵環件徑軸（zhóu）向（xiàng）軋製工藝（yì）應用提供科學（xué）指導（dǎo）。

１主要軋製參數合理的設計範（fàn）圍

      １．１　軋製比和徑軸向（xiàng）變形量比值

      根據圖２所示初始環坯與軋製（zhì）成（chéng）形套圈鍛件的幾何關係，基於環件軋製工藝理論和塑性變形（xíng）體積不變原理，確定環坯尺（chǐ）寸計算公（gōng）式為：

      由式（shì）（１）可知，在已知鍛件尺寸情況下，環坯尺寸取決於軋製比和（hé）徑軸向變形量比。文獻［１０］提出了環件徑軸（zhóu）向軋製不同變形情況下軋製比的設計方法。而環件徑軸向軋製中，為了抑製環件軋製過程中端麵凹陷和表麵折疊現象，環坯徑向和軸向變形量比值（zhí）可根據鍛件的高厚比有效設計［１１］。由文獻（xiàn）［１０－１１］，並根據本文研究對應的軋製變形模（mó）式，確定軋製比和徑軸（zhóu）向（xiàng）變（biàn）形量比為：

      式中　Ｒｉ———芯輥工作半徑驅動輥和（hé）芯輥工（gōng）作半徑為保（bǎo）證大型（xíng）環（huán）件徑軸向軋製的穩定性，軋（zhá）製線速度應控製在０．４ｍ／ｓ～１．６ｍ／ｓ之間［１］。而當軋環機設備確定後，軋環機（jī）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（yǒu）ｎｄ＝ｎ／ｉ。根據上述條（tiáo）件可確定驅動輥（gǔn）工作麵半徑（jìng）Ｒｄ範（fàn）圍為：

１．３　進（jìn）給速度

      根據文獻［１２］可知，為了實現環坯（pī）順利咬入孔型並被（bèi）塑性穿透產生連續軋製變形，芯輥徑向進給速度ｖｒ應滿足如下條件（jiàn）：

　    此（cǐ）外，軋製中為保證徑向軋製與（yǔ）軸向軋製同時完成，芯輥徑（jìng）向進給速度ｖｒ與上錐輥軸（zhóu）向進給速度ｖａ之間應滿足（zú）如下關（guān）係：

２　有限元建模與模（mó）擬分析

     ２．１　三（sān）維熱力耦合有限元建模

      以在Ｄ５３Ｋ－３５００ 數控徑軸向軋環機上軋（zhá）製４２ＣｒＭｏ合金鋼（gāng）材質的風電軸承雙滾道套圈為（wéi）例，根（gēn）據環件幾何（hé）尺寸（cùn）和上述公式，結合實（shí）際軋（zhá）環機設備參數和軋製工藝條件，確定相關軋製參數如表１所示。

      文獻［７］是本文的前期工作，開（kāi）展了４２ＣｒＭｏ合金鋼（gāng）環件（jiàn）徑軸向軋製三維（wéi）熱力耦合有限元建模研（yán）究，詳（xiáng）細（xì）描（miáo）述了建模的關（guān）鍵技術，並在Ｄ５３Ｋ－３５００軋環機上對模型可（kě）靠性進（jìn）行了實驗評定。本文基於前（qián）期建模研究（jiū）基礎，根據表１中參數，在ＡＢＡＱＵＳ模擬軟件下建立雙（shuāng）滾道套圈徑軸向軋製三維熱力耦合有限元（yuán）模型，如圖３所示。

      ４２ＣｒＭｏ合（hé）金鋼材料高溫本構方（fāng）程與熱力物理性能參數參照文獻（xiàn）［７］。模型采用動力顯（xiǎn）式有限元算法，以（yǐ）避免隱式算法求解非線性（xìng）大變形問題存在的時間消耗多和計（jì）算不收斂問（wèn）題［１２］。采用質量縮放技術，確定有（yǒu）效的質量縮放方法，並在保證計算精度的前提（tí）下提高計算效率［１３］。軋輥與環件之間接觸采（cǎi）用庫侖摩擦模型，摩（mó）擦係數為０．３５［７］。模型選用８節點六麵體熱力耦合線（xiàn）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，控製（zhì）變形過程中的網格畸變。

      ２．２　模擬結果分析

     模型（xíng）總單元數為２６３６４，整個模擬程序在ＨＰＺ８００工作站上運行約（yuē）４５ｈ。圖（tú）４ａ為軋製成形鍛件與初始環坯的俯視圖，可以看出，成形鍛（duàn）件的圓度較好；圖４ｂ為成（chéng）形鍛件沿對稱麵剖開的截麵等（děng）效應變上下端麵以及外表麵的成形效果都較好，但是滾道區域填充不充分（fèn）。

      圖（tú）５為軋製中鍛（duàn）件截麵成形過程，可以看出，初始時刻環坯內表麵（miàn）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（suǒ）示；隨著上錐輥向變形，其內表（biǎo）麵上部先與芯棍（gùn）接（jiē）觸，接觸線從上至下呈（chéng）現一（yī）定錐度，此時溝槽處金屬開始（shǐ）填（tián）充，如圖５ｂ所示；軋製結束時，上滾道填充較好，而滾道中間區域和下滾道（dào）充填不太充分，如圖５ｃ所示。

      由模擬結果（guǒ）可知，鍛（duàn）件主要成形問（wèn）題為（wéi）滾道金屬填充不充分。分析其原因，可能與軋（zhá）製過程中金屬軸向流動行為有關。圖６分析了軋製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，軋製一轉過程中（zhōng），軸向孔型中，在上錐輥向下進（jìn）給作用下，金（jīn）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，由於滾道位置經（jīng）過軸向（xiàng）孔型後發生向下偏移，此時滾道（dào）上半部分金屬仍與芯輥溝球（qiú）接觸，並受其（qí）擠壓而正常填充，但（dàn）滾道下（xià）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（néng）完全充型（xíng）。

     由上述分析可知，要消除滾道充型缺陷，需要減小滾道位置（zhì）在軸向孔型向下（xià）偏移產（chǎn）生的不利影響，同時促進滾道下半部分金屬（shǔ）在徑向孔型中的流動填充，這就需要合理分（fèn）配環坯徑向和軸向（xiàng）的（de）變（biàn）形量。當環坯尺寸確定時，其徑向和軸向總變形量一定（dìng），則（zé）可以通過改變（biàn）進給規程來階段性調控軋製過程中環坯徑向和軸（zhóu）向變形量分配，如圖７所示。曲線ＡＣＢ 為初始模（mó）擬的進給規程曲線。采用該進給規程時，由於徑（jìng）軸向變形量（liàng）比值偏小，導致滾道下半部分（fèn）不能完（wán）全充填滿。曲線ＡＤＢ 為改變後的進（jìn）給規程曲線，該進給規程分為兩階段，即（jí）第（dì）一階段以軸向軋製為主，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製（zhì）；第二階段以徑向軋（zhá）製為主，該（gāi）階段徑軸向變形量比值較大，主要（yào）進行環坯徑向（xiàng）壁厚的軋製。具體軋製進給參數如表２所示。

      采用（yòng）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（rán）較好。由圖８ｂ可以看出，鍛件滾（gǔn）道充型較好，沒有出現明顯的未充滿缺陷，從而說明（míng）修（xiū）改的進給規程是有效的。分析其原因，修改後的進給規程在第一階（jiē）段增大軸向進給（gěi）量（liàng）和進給速度，以軸向軋製為

     主，使環坯軸向變形主要發（fā）生在滾道成形初期，從而削弱由於軸向變形引起的滾道偏移對滾道成形的影響；在第（dì）二階段增大徑向進給量和進給速度（dù），以徑向（xiàng）軋製為主，使環坯（pī）金屬（shǔ）產（chǎn）生充分的徑向（xiàng）變形，從（cóng）而促使金屬徑向流動（dòng）填充孔型。因此，通（tōng）過合理的階段性分配徑向和軸向變形（xíng）量，促進了滾道的充分成形。

３　軋製實驗

      參照（zhào）模擬軋製參數和修正後的軋製（zhì）進給規程，在（zài）成都天馬（mǎ）鐵（tiě）路軸承（chéng）有限公司Ｄ５３Ｋ－３５００數控徑軸向軋環（huán）機（jī）上，開展了該風電軸承雙滾道套圈軋製工藝實（shí）驗（yàn）。軋製（zhì）過程和成形結果如圖９、圖１０所示。

      由圖１０可（kě）以看出，軋製成形鍛件外形無明顯缺陷，滾（gǔn）道成形充分（fèn），與（yǔ）芯輥孔型貼合度較好。表３比較了（le）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（gāo）度為（wéi）在鍛件外（wài）圓、內圓（yuán）和（hé）端麵不同位置測量取平均值；實驗鍛件尺寸通過紅外線測（cè）距儀和（hé）遊（yóu）標卡（kǎ）尺測量。通過比（bǐ）較可知，第一次模擬（nǐ）由（yóu）於滾道成形不充分，多餘（yú）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（jìng）、內徑和高度均（jun1）滿足標準鍛件尺寸要（yào）求。從而（ér）證明了（le）上述工藝的可行性。

４　結（jié）　論

      本文以大型（xíng）雙滾道風電軸承套圈為對象，開展了其滾道軋製成形工藝模擬和實驗研究。通（tōng）過理論計算、數值模擬和實驗測試，提出了可靠的軋製工藝參數設計方法，分析了其（qí）軋（zhá）製成形缺陷和原因，優化了軋製進給規程，最終軋製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（hé）回轉支（zhī）承精確（què）軋製成形製造提供（gòng）有（yǒu）效的工藝理論指導。