摘　要：風電軸（zhóu）承是風電裝備的關鍵（jiàn）零件，而套圈作為軸（zhóu）承的（de）核心組件（jiàn），對軸承服役（yì）壽（shòu）命以及主機運（yùn）行可靠性至關重要。環件（jiàn）徑軸向軋製是製造各種大型無（wú）縫軸承套圈、回轉支承、法蘭環件（jiàn）的先（xiān）進回轉塑性（xìng）成形工藝。目前，風電裝（zhuāng）備中應用的各種球軸（zhóu）承，其套圈滾道均是通過切削加工成形，材（cái）料浪費多，加（jiā）工效（xiào）率低（dī），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（dà）型雙滾道風電軸（zhóu）承套圈為對象，開（kāi）展其滾道軋製成形數值模（mó）擬和實驗

研究。通過環件軋（zhá）製工藝理論分析，提出了主要工（gōng）藝（yì）參數設計方（fāng）法；建立套圈徑軸向軋製熱力耦合有限元模型，通過模擬分析，對軋製進給規程進行優化（huà）；根據模（mó）擬結果，開展（zhǎn）了軋製實驗，成功軋製成形出合格（gé）的雙滾道軸承套圈。該文研（yán）究實現了大型風電軸承套圈滾道直接軋製（zhì）成形，為風電以及其他（tā）領域用（yòng）大型軸承套圈、回轉支承環件節能節材的先進（jìn）製造，提供了有效的工藝理論指導（dǎo）。

關（guān）鍵詞（cí）：風電軸承；套圈；滾道；環件徑軸向軋製；數值模擬

引　言

      風電軸承是風電機組的（de）關鍵零件，也是當前風電裝備國產化的瓶頸。作為（wéi）軸承的（de）核心組（zǔ）件，軸承套圈的（de）性能對軸承服役壽命及主機（jī）安全可靠運行至（zhì）風電軸承套圈為（wéi）代表的直徑１ｍ 以上大型異形截麵（miàn）環件，其傳統的主要製造（zào）工（gōng）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），然後通過機械切削加工出截麵輪廓。傳統製造工藝存在能耗高、材（cái）料利（lì）用率低、效率低、質量性能差（chà）等諸（zhū）多缺點，無法滿足風電軸承市場提出的高效、低耗、優質生產製造需求。

      環件（jiàn）徑（jìng）軸向軋製是一種製造大型（xíng）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（zhǔ）動旋轉；芯輥作徑向直線進（jìn）給（gěi）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後退移動，同時上錐輥作軸向進給，兩輥構（gòu）成軸（zhóu）向孔型；兩個導向輥（gǔn）在軋製過程中緊貼環件外表麵，隨環件外徑（jìng）擴大作平動運動，以保證（zhèng）軋製穩定性和成形環件圓度；在上述軋輥的綜（zōng）合作（zuò）用（yòng）下，環坯在回轉過程中（zhōng）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，使其直徑擴大，壁厚和高度減小，截麵輪廓成（chéng）形。相比傳統工（gōng）藝，環件徑軸向軋（zhá）製具有低耗、高效、優質的顯著技術經濟特點（diǎn），已成為（wéi）高性能大型無縫軸承套圈、齒圈、法蘭環不可替代的（de）先進成形製造技術。

      環件徑軸向軋製過程（chéng）是一（yī）個多參數（shù）耦合（hé）作用下的動態變形過（guò）程，軋製過程中徑（jìng）向（xiàng）和（hé）軸向變形（xíng）區相件徑軸向軋製變形規律，和為工藝設計（jì）提供有效科學指導，有關（guān）學者先後開展（zhǎn）了相關的理論研究。文獻［２］最早分析了環件徑軸向軋製過程變形特征；文（wén）獻［３］研究了環件徑軸向軋環機可軋區；文獻［４］比較了外溝槽截麵（miàn）回轉支承（chéng）環件徑向軋製和徑軸向軋製工藝；文獻［５］研究了環件徑（jìng）軸向軋製剛度條件；

      文獻［６－７］利用（yòng）ＡＢＡＱＵＳ／Ｅｘｐｌｉｃｉｔ動力顯（xiǎn）式有限元法，建立了環件徑軸向軋製三維熱力（lì）耦合有限元模型，並分析了軋製過程熱力學變形行為；文獻（xiàn）［８］開（kāi）展了帶塗層環件徑軸向軋製三維建模和成形參數優化模（mó）擬分析；文獻［９］通過解（jiě）析計算和數值模擬分（fèn）析，提出了環件徑軸向軋（zhá）製穩定（dìng）條件。然而，現有的環件徑軸向軋製研究（jiū）大多集中（zhōng）於形狀簡單的矩形或近矩形截麵環件，對複雜截麵（miàn）環件研究（jiū）較（jiào）少。而對於異形截麵環件，由於軋製過程中周向直徑擴大與徑向截麵充型並（bìng）非同步進行，金屬流（liú）動和變形規（guī）律更複雜，給工（gōng）藝設計與過程控製提出了更高難（nán）度。由（yóu）於缺乏工（gōng）藝理論研究指導，致使目前環件徑軸向軋製實際工藝應用主要（yào）集中於矩形截麵環件（jiàn）製造。如風電裝備（bèi）中典型的雙滾道軸承套圈，通常（cháng）是先簡單軋製獲得矩形截麵環鍛件，然後再切削加工溝槽，不僅消耗大量材（cái）料（liào）和工時，而（ér）且無法獲得仿形的（de）金屬纖維流線分布，產品力學性能差。

      本文以大型雙滾道麵風電軸承套圈為對象，開展其徑（jìng）軸向軋製（zhì）成形工藝模擬和實（shí）驗研究，以期實現其滾道直接軋製成形，為大型（xíng）複雜截麵環件徑軸向軋製工藝應用提供科學指導。

１主要軋製參數（shù）合理的設計範圍

      １．１　軋（zhá）製比和徑軸（zhóu）向（xiàng）變形量比值

      根據圖２所示初始（shǐ）環坯與軋製（zhì）成形套圈鍛件的幾何關係，基於環件軋製工（gōng）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（qǔ）決於軋製比和徑軸向變（biàn）形量比。文獻［１０］提出了環件徑軸向軋製不同變形情況下軋製比的設計方法。而（ér）環件徑軸向軋製中，為了（le）抑製環件軋製過程中端麵凹（āo）陷和表麵折疊現象，環坯（pī）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［１０－１１］，並根據本文研究對應的軋製變形模式，確定軋（zhá）製比和徑軸（zhóu）向變形量比為：

      式中　Ｒｉ———芯輥（gǔn）工作半（bàn）徑驅動輥和芯輥工作半徑為保證大型環件徑軸向軋製的穩定性，軋製線速度（dù）應（yīng）控製在０．４ｍ／ｓ～１．６ｍ／ｓ之間［１］。而當軋環（huán）機設備確定後，軋環機主電機轉速ｎ、減速機減速比（bǐ）ｉ和驅動輥轉速ｎｄ則為定值，且有ｎｄ＝ｎ／ｉ。根據上（shàng）述條件可確定驅動輥工作麵半徑Ｒｄ範圍為：

１．３　進給速度

      根據文獻［１２］可知，為（wéi）了（le）實現環坯（pī）順利咬入（rù）孔型並被塑性穿透產生連（lián）續軋製變形，芯輥徑向進（jìn）給速度（dù）ｖｒ應（yīng）滿足如下條（tiáo）件：

　    此外，軋製（zhì）中為保（bǎo）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（zhuī）輥（gǔn）軸向進（jìn）給速度ｖａ之間應滿足如下關係：

２　有限元建模與模擬分析

     ２．１　三維熱力耦合（hé）有限元建模

      以在Ｄ５３Ｋ－３５００ 數（shù）控徑軸向軋環機上軋製（zhì）４２ＣｒＭｏ合金（jīn）鋼（gāng）材質的風電軸承雙滾道套圈為例，根據環件幾何尺（chǐ）寸和上述公式，結合實際軋環機設備參數和軋製工（gōng）藝條件，確定相關軋製參數如表１所示（shì）。

      文獻［７］是本文的前期工作（zuò），開展了４２ＣｒＭｏ合金鋼環件徑（jìng）軸向軋製三維（wéi）熱力耦合有限元建模（mó）研究，詳細描述了建模的關（guān）鍵技術，並在Ｄ５３Ｋ－３５００軋環機上對模型可靠（kào）性進行了實驗評定。本文基於前期建模（mó）研（yán）究基礎，根據表（biǎo）１中參數，在ＡＢＡＱＵＳ模擬軟件（jiàn）下建立雙滾（gǔn）道套圈（quān）徑軸向軋製三維熱力（lì）耦合有限元模（mó）型（xíng），如圖３所示。

      ４２ＣｒＭｏ合金鋼材料高溫本構方程與熱力（lì）物理性能參數參照文獻［７］。模型采用動力（lì）顯式有限元算法，以避免隱式算法求解非線性大變形問（wèn）題存在的時間消耗多和計算不收斂問（wèn）題［１２］。采（cǎi）用質量縮放技術，確定有效（xiào）的質量縮放方法，並在保證計算精度的前提下提高（gāo）計算效率［１３］。軋輥與環件之（zhī）間（jiān）接觸采用庫侖摩擦模型，摩（mó）擦係數為０．３５［７］。模型選用８節點六麵體熱力耦（ǒu）合線性減縮積分單元（yuán）（Ｃ３Ｄ８ＲＴ）進行（háng）均勻網格劃分，采用ＡＬＥ自適應網格重構技術，控製變形過（guò）程中的網格（gé）畸變。

      ２．２　模擬結果（guǒ）分析

     模型總單元數（shù）為２６３６４，整（zhěng）個模（mó）擬（nǐ）程序在ＨＰＺ８００工（gōng）作站上（shàng）運（yùn）行約４５ｈ。圖４ａ為軋製成形鍛件與初始（shǐ）環坯的俯視圖，可以看出，成（chéng）形鍛件（jiàn）的圓度較好；圖４ｂ為成形鍛（duàn）件沿對（duì）稱麵剖開的（de）截麵等效應（yīng）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。

      圖５為軋製中鍛件截（jié）麵成形過程（chéng），可以看出，初始時（shí）刻環坯（pī）內表麵僅滾（gǔn）道處與軋輥接觸，接（jiē）觸位置在環坯軸向靠下位置，如圖５ａ所示；隨著上（shàng）錐輥向變形，其內表麵上部先與芯棍接觸，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；軋製結束時，上滾道填充較好，而滾道中間區（qū）域和下（xià）滾道充填不太充（chōng）分，如圖５ｃ所示。

      由模擬結果可知，鍛件主要成形問題為（wéi）滾道金屬（shǔ）填（tián）充不充分。分析其原因，可能（néng）與軋（zhá）製過程中金屬軸向流（liú）動（dòng）行為有關。圖６分析了軋製徑向和軸向（xiàng）孔型中環坯金（jīn）屬軸向流動行為。從圖中可以看（kàn）出，軋製一（yī）轉（zhuǎn）過程中，軸（zhóu）向孔型中，在（zài）上錐輥（gǔn）向下進給作用下，金屬沿向下（xià）流動，滾道的位（wèi）置也會向下偏移，如圖６ｂ所示（shì）；徑向孔型（xíng）中，由於（yú）滾道位置經過軸向孔型後發生向下偏移，此時滾道上（shàng）半部分金屬仍（réng）與芯輥溝球接（jiē）觸，並受其擠（jǐ）壓而正常填充，但滾道下半部分金屬（shǔ）會偏離芯（xīn）棍溝球（qiú），無法受其擠壓而正常填充，如圖（tú）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（bú）足（zú）以補充滾（gǔn）道下半部分的偏移損失，則滾道（dào）下半部分就不能完全充型。

     由上述分析可知，要消除（chú）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（lì）影響，同時促進滾道下（xià）半部（bù）分金屬在徑向孔型中的流動填充，這就需要（yào）合理分配環（huán）坯徑（jìng）向和軸向的變形量。當環坯尺（chǐ）寸確定時，其徑向和（hé）軸向總變形量一（yī）定，則可以通過（guò）改變進給規程來階段性調控軋製過程中環坯徑向和軸向變形量分配，如圖７所示。曲線（xiàn）ＡＣＢ 為初（chū）始模擬的進給規（guī）程曲線。采用該進（jìn）給（gěi）規（guī）程時，由於徑軸向變（biàn）形量比值偏小，導致滾道（dào）下半（bàn）部分不能完全充填滿（mǎn）。曲線ＡＤＢ 為改變後（hòu）的進給（gěi）規程曲線，該進給（gěi）規（guī）程分為兩階段，即第一階段以軸向軋製為主，該階段徑軸向變（biàn）形量比值較小，主要進行環坯軸向高度的軋製；第二階段以徑（jìng）向軋（zhá）製為主，該（gāi）階（jiē）段徑軸向（xiàng）變形（xíng）量比值較（jiào）大，主要進行（háng）環坯徑向壁（bì）厚的軋製。具體軋製進給參（cān）數如表２所（suǒ）示。

      采用改進（jìn）的進給規程進行模擬（nǐ）分析，成形結果（guǒ）如圖８所示。由圖８ａ可以（yǐ）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（míng）顯的未（wèi）充滿（mǎn）缺陷，從而說明修改的進給（gěi）規程是（shì）有效的。分析其原因，修改後的進給規程在第一（yī）階段增大軸向進給量和進給速度，以軸向軋製為

     主，使環坯軸向變形主（zhǔ）要發生在滾道（dào）成形初（chū）期，從而削（xuē）弱由於（yú）軸（zhóu）向變形引起的滾道偏移對（duì）滾道成形的影響；在第二階（jiē）段增大徑向進給量和進給速度，以徑向（xiàng）軋製為主，使（shǐ）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（chōng）孔型。因此，通過合理的階段性分配徑（jìng）向和（hé）軸向變形量，促進了滾道的充分成（chéng）形。

３　軋製實驗

      參照模擬軋（zhá）製參數和修正後的軋（zhá）製進（jìn）給規程，在成都天馬鐵路軸承有限（xiàn）公司Ｄ５３Ｋ－３５００數控徑軸向軋環機上（shàng），開（kāi）展了該風電（diàn）軸承雙滾道套圈軋製（zhì）工（gōng）藝實（shí）驗。軋製過程和成（chéng）形結果如圖９、圖１０所示。

      由圖１０可以看出，軋（zhá）製成形鍛件外形無明顯缺陷，滾道成形充分，與芯輥孔型（xíng）貼合度較好。表３比較了標準鍛件與模擬（nǐ）和實驗鍛（duàn）件（jiàn）尺寸（cùn）。其中，模（mó）擬鍛件外（wài）徑（jìng）、內徑和高度為在鍛件外圓、內圓和端（duān）麵不同位置測量取平均值；實驗鍛件尺寸通（tōng）過紅外（wài）線測距（jù）儀和遊標卡尺（chǐ）測量。通過比較可知，第一次模擬由於滾道成形不充分，多餘金屬沿周向流動致使鍛件直徑（jìng）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（zhǔn）鍛件尺寸要求。從而證明了上述工（gōng）藝的可行性。

４　結　論

      本文以大型雙滾道（dào）風電軸承套圈為對象，開展（zhǎn）了其滾道軋製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（tí）出了可（kě）靠的軋製工藝參數設計方法，分析了其軋製成形缺陷和原因，優（yōu）化了軋製進給規程，最終軋製（zhì）成形了滿足尺寸要求的雙滾道軸承套（tào）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製成形製造提供有效的工藝理論指導。