摘　要：風電軸承是風電裝備（bèi）的關鍵零件，而套圈作為軸承的核心（xīn）組件，對軸承服役壽命以及主機運行可靠性至關重要。環（huán）件徑軸（zhóu）向軋製是製造各（gè）種大型無縫（féng）軸承套圈、回（huí）轉支承（chéng）、法蘭環（huán）件的先進回轉塑性成（chéng）形工藝。目前，風電裝備中應用的各種球（qiú）軸承，其套圈滾道均是（shì）通過切削加工成形（xíng），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，開展其滾道軋製成形數值模擬（nǐ）和實驗

研究。通過環件軋製工藝理論分析，提出了主要工藝（yì）參數設計方法；建立套圈徑軸向軋製熱力耦（ǒu）合（hé）有限元（yuán）模型（xíng），通過模擬分析，對軋製進給規（guī）程進行優化；根據（jù）模擬結果，開展了軋製（zhì）實驗，成功軋製成形出合格的雙滾（gǔn）道軸承（chéng）套圈。該文研究實現了（le）大型風電軸承套圈滾道直接軋製成形，為風電以及其他領域用（yòng）大型軸承套圈、回轉支承環件節能節材的先（xiān）進製造（zào），提供了（le）有效的工（gōng）藝理論指導。

關鍵詞：風電軸承；套圈；滾道；環件徑軸向軋製；數值（zhí）模擬

引　言

      風電軸承是風電機組的關鍵零（líng）件，也是當前風電裝備國產化的瓶頸。作為軸（zhóu）承（chéng）的核心組件，軸承套圈（quān）的性能對軸承服役壽命及主機安全可靠運行至風電軸（zhóu）承（chéng）套圈為代表的（de）直徑１ｍ 以上大型異形截麵環件，其傳統的主要製造工藝為自由鍛擴孔和切削加工，即（jí）先在壓力機上通過芯軸擴孔製得矩形截麵環鍛件（jiàn），然後通（tōng）過（guò）機械切削加工出截麵輪廓。傳統製造工藝存在能耗（hào）高、材料利用率低、效（xiào）率低、質量性能差等諸多缺點（diǎn），無法滿足風（fēng）電軸承市場提出的高效、低（dī）耗、優質生產製（zhì）造需求。

      環件徑軸向軋製是一種製造大型無縫環件的塑性回轉成形（xíng）新工藝（yì）［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後退（tuì）移動，同時上錐輥作軸向（xiàng）進給，兩（liǎng）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，隨環（huán）件外徑擴大作平動運動，以保證軋製穩定性和成形環件圓度；在上述軋輥的綜合作用下，環（huán）坯在回（huí）轉過程（chéng）中反複進入徑向（xiàng）和（hé）軸向孔型，經過多轉（zhuǎn）連續局（jú）部塑性變形積累，使其直徑擴大，壁厚（hòu）和高度減小，截麵輪廓（kuò）成形。相比傳統工藝，環件徑軸向軋製具有低耗、高效（xiào）、優（yōu）質的顯著技（jì）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（dài）的先進成形製造技術。

      環件徑軸向軋製過程是（shì）一個多（duō）參數耦合作用下的動態變形過程，軋製過（guò）程中徑向和軸向變形區相件徑軸向（xiàng）軋製（zhì）變形規律，和（hé）為工藝設計（jì）提供有效科學指導，有關學者先後開（kāi）展（zhǎn）了相關的（de）理論研究。文獻［２］最（zuì）早分析了環件徑軸向軋製過程變形特征（zhēng）；文獻（xiàn）［３］研究了環件徑軸向軋環（huán）機可軋區；文獻［４］比較了外溝槽截麵回轉支承環件徑向（xiàng）軋製和徑軸向軋製工藝（yì）；文獻［５］研究了環件徑軸向軋（zhá）製剛度條件；

      文獻［６－７］利用ＡＢＡＱＵＳ／Ｅｘｐｌｉｃｉｔ動力顯式有（yǒu）限元法，建（jiàn）立了環件徑軸（zhóu）向軋製三維熱力耦合有限（xiàn）元模型，並分析了軋製過程（chéng）熱力（lì）學變形行為；文獻［８］開展了帶塗層環件徑軸（zhóu）向軋製三維（wéi）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（nǐ）分析（xī），提出了環件徑軸向（xiàng）軋製穩定條件。然而，現有的環件徑軸向軋（zhá）製研究大多集中於形狀簡單的矩形或近矩形截麵環件，對複雜截麵環件研究較少。而對於異形截麵環件，由於軋（zhá）製過程中周向直徑擴大與（yǔ）徑向截麵充型並非同步進行（háng），金屬流動和變形規（guī）律更（gèng）複雜，給工藝設計（jì）與過程控製提（tí）出了更高難度。由於（yú）缺（quē）乏工藝理（lǐ）論（lùn）研究指導，致使目前環件徑軸向軋製實際工藝（yì）應（yīng）用主要集中於矩形（xíng）截麵環件製（zhì）造。如（rú）風電裝備中典型的雙（shuāng）滾道軸（zhóu）承套圈，通常是先簡單軋製獲得矩（jǔ）形截麵環鍛（duàn）件，然後再切（qiē）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（chà）。

      本文以大（dà）型雙滾道麵風電軸承套（tào）圈為對象，開展（zhǎn）其徑軸向軋製成形（xíng）工藝模擬和（hé）實驗（yàn）研究，以期實現其滾道直接軋製成（chéng）形，為大型複雜（zá）截麵環件徑軸向軋製工藝應（yīng）用提供科學指導。

１主（zhǔ）要軋製參（cān）數合理的（de）設計範圍

      １．１　軋製比和徑軸向變形量比值

      根據（jù）圖２所示初始環（huán）坯與軋製成（chéng）形（xíng）套圈鍛件的幾何關（guān）係，基於（yú）環件軋（zhá）製工藝理論和塑性變形體積不變原理，確定環（huán）坯尺寸計算公式為：

      由式（１）可知，在已（yǐ）知鍛件（jiàn）尺寸情況下，環坯尺寸取決於軋（zhá）製（zhì）比（bǐ）和徑（jìng）軸向變形量比。文獻（xiàn）［１０］提出了環件徑軸向軋製不同變形（xíng）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（xiàn）象，環坯徑向和（hé）軸向變形量比（bǐ）值可根據鍛件的高厚比有效（xiào）設計［１１］。由文獻［１０－１１］，並根據本文研究對應的軋製變形模式（shì），確定（dìng）軋製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（bàn）徑為保證大型環件徑軸向（xiàng）軋製的（de）穩定性，軋製線（xiàn）速度（dù）應控製在０．４ｍ／ｓ～１．６ｍ／ｓ之間［１］。而當（dāng）軋環機設備確定後，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。根據上述條件可確定驅動輥（gǔn）工（gōng）作麵半徑Ｒｄ範圍為：

１．３　進（jìn）給速度

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

　    此外，軋製（zhì）中為保證徑向軋（zhá）製與軸向軋（zhá）製同時（shí）完成，芯輥徑向進給速度ｖｒ與上錐輥（gǔn）軸向進給速度（dù）ｖａ之間應滿足如下關係：

２　有限元建模與模擬分析

     ２．１　三維熱力耦合有限（xiàn）元建模

      以在Ｄ５３Ｋ－３５００ 數控徑軸向軋環（huán）機（jī）上軋製４２ＣｒＭｏ合金鋼材質（zhì）的風電軸承雙滾道套圈為例，根據環件幾（jǐ）何尺寸和上述公式（shì），結合實際軋環機設備參數和軋製（zhì）工藝條件，確定相關軋製（zhì）參數如表１所示（shì）。

      文獻［７］是本（běn）文的前期工作（zuò），開展了４２ＣｒＭｏ合金鋼環（huán）件徑軸向軋製（zhì）三維熱力耦合有限元建模研究，詳細（xì）描（miáo）述了建模的關鍵技術（shù），並在Ｄ５３Ｋ－３５００軋環機上對模（mó）型可靠（kào）性進行了實驗評定。本文基於前期建（jiàn）模研究基礎，根據表１中參數，在ＡＢＡＱＵＳ模擬軟件下建立（lì）雙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合金鋼材料高溫本構方程與熱力物（wù）理性能參數參照（zhào）文獻［７］。模型采用動力顯式有限元（yuán）算法，以避免隱（yǐn）式算法求解（jiě）非線性（xìng）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（liàng）縮放方法，並在保（bǎo）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（lún）摩擦模型，摩擦（cā）係數（shù）為０．３５［７］。模型選用８節點六麵體熱力耦合線性減縮（suō）積分單（dān）元（Ｃ３Ｄ８ＲＴ）進行均勻網格劃分（fèn），采用ＡＬＥ自適應網格重構技術（shù），控製變形過程中的網（wǎng）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（zài）ＨＰＺ８００工作站上（shàng）運行約４５ｈ。圖４ａ為軋製（zhì）成形鍛件與初始環坯的俯視圖，可以看（kàn）出，成（chéng）形鍛件的圓（yuán）度較好；圖４ｂ為成形鍛件（jiàn）沿對（duì）稱麵剖開的截麵等效應變上下端麵以及外表麵的成形效（xiào）果都較好，但是滾道區域填充不充分。

      圖（tú）５為軋製中鍛件截麵成形過程，可以看（kàn）出，初始（shǐ）時刻環坯內表麵僅滾道處與軋輥接觸，接觸位置在環（huán）坯軸向靠下位置，如圖５ａ所示；隨著上錐輥（gǔn）向變形，其內表麵上部先與芯棍接（jiē）觸，接觸線從上至下呈現一定錐度，此時溝槽處金屬開始（shǐ）填充，如（rú）圖（tú）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充填不（bú）太充分，如圖５ｃ所示。

      由模擬結果（guǒ）可知，鍛件主要成形（xíng）問（wèn）題為滾道（dào）金屬填充（chōng）不充分。分析其原因，可能（néng）與軋製過程中（zhōng）金（jīn）屬軸向流動行為有關。圖６分（fèn）析了軋製徑向和軸向孔型中環坯金屬軸向流動行為（wéi）。從圖中可以看出，軋製一轉過程中，軸向（xiàng）孔型中，在上錐輥向下進給作用（yòng）下，金屬沿向下流動，滾道的（de）位置也會向下偏移，如（rú）圖６ｂ所示；徑向孔型中，由於滾道位置經過軸向孔型後發生（shēng）向下偏移，此時滾道上半部分金屬仍與芯輥（gǔn）溝球接觸，並受其擠壓而正常填充（chōng），但滾道下半部分金屬會偏離芯棍溝球（qiú），無（wú）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（rú）果向下（xià）分流的金屬不足以補充滾道下半部分（fèn）的（de）偏移損失，則（zé）滾道（dào）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（xíng）缺陷，需要減小滾道位置在軸向孔型向下偏移產（chǎn）生的不利影響，同時促（cù）進滾道下半部分（fèn）金（jīn）屬在徑向孔型中的流動填充，這就需要合理（lǐ）分配環坯（pī）徑向和軸向的變（biàn）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製過程（chéng）中環（huán）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（guī）程時，由（yóu）於徑軸向變形量比值偏小，導致滾道（dào）下半部分不能完全充填滿。曲線ＡＤＢ 為改變（biàn）後的進給規程曲線，該進（jìn）給規程分為兩階段，即第一階段以軸向軋（zhá）製（zhì）為主（zhǔ），該階段徑軸向變形量比值較小，主要進行環坯軸向高（gāo）度的軋製；第二階段以徑向軋製為主，該階段（duàn）徑軸向變（biàn）形量比值較大，主要進行（háng）環坯徑向壁厚的軋製。具體軋製進給參數（shù）如表２所示。

      采用改（gǎi）進（jìn）的進給規程進行模擬（nǐ）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（jiào）好，沒有出現明顯的未充滿（mǎn）缺陷，從而說明修改的（de）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段增大（dà）軸向進給量和進（jìn）給速度，以軸（zhóu）向軋製為

     主，使環坯軸向變形主（zhǔ）要發生在滾道成（chéng）形初期，從而削弱由於軸向變形引起的滾道（dào）偏移對（duì）滾道成形的（de）影響；在（zài）第二階（jiē）段增大徑向進（jìn）給量和進給速度（dù），以徑向軋（zhá）製為主，使環坯金屬產生充分的徑向變形，從而促使金屬（shǔ）徑向流動填充孔型。因此，通過合理的階段性分配（pèi）徑（jìng）向和軸向變形量，促進了（le）滾道的充分成形。

３　軋製實驗

      參照模擬軋製參數和修正後的軋製（zhì）進給規程，在成都天馬（mǎ）鐵路軸（zhóu）承有限公司（sī）Ｄ５３Ｋ－３５００數控徑軸（zhóu）向軋環機上，開展了該風電軸承雙滾道（dào）套圈軋製工（gōng）藝實驗。軋製過程和成形結果如圖９、圖１０所示。

      由圖１０可以看出，軋製成（chéng）形鍛件外形無明顯缺陷，滾道（dào）成形充分（fèn），與芯輥孔型貼合度較好（hǎo）。表（biǎo）３比較了標準鍛件與（yǔ）模擬（nǐ）和（hé）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、內圓和端麵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遊標卡尺測（cè）量（liàng）。通過（guò）比較可知，第一次模擬由於滾道成形不充（chōng）分，多餘金屬沿周（zhōu）向流（liú）動致使鍛件直徑偏大（dà），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（duàn）件尺寸要求。從而證明（míng）了上述工藝的可行性。

４　結　論

      本文以大型雙滾道（dào）風電軸承套圈為對象，開展了其滾道軋製成形工藝模擬和實驗研（yán）究。通過理論（lùn）計算、數值（zhí）模擬和實驗測試，提出了可靠（kào）的軋製工藝參數設計方法，分析了其（qí）軋製成形缺陷和（hé）原因，優（yōu）化了軋製（zhì）進給規程，最（zuì）終軋製成形了滿足尺寸（cùn）要求的雙滾道軸承套圈。本文（wén）研究結果可為大型風電軸（zhóu）承套圈和回（huí）轉（zhuǎn）支（zhī）承精確軋製成形製造（zào）提（tí）供有效的工藝理論指導。