外文翻译-有限元分析交叉楔横轧

外文资料翻译译文外文资料翻译译文外文资料翻译译文外文资料翻译译文 有限元分析交叉楔横轧 卢布林大学机械部副教授 兹比格涅夫佩特 摘要：在有限元分析方法的基础上，楔横轧过程的三维力学模型已经发展的比较 成熟。例如包括应变分布，应变率，平均应力，轧制负荷组件等在内的数值模拟。 通过此楔横轧制过程模型手段，能够预测限制成型稳定的现象，即使失控打滑和 核心缩颈是可能的。卷筒锻造的轧件已经作为一种更先进的楔横轧制过程中的热 机械模型而呈现出来。 关键词：交叉楔横轧，有限元分析，金属流动，实验。 引言引言 楔横轧过程包括产品的塑料成型， 通过具有楔形形状的特点和固定在滚轴上或轧 机上或凸或凹的平板的工具来完成的。 楔横轧过程中形成的顺序主要取决于正在使用 的工具的形状。一个典型的楔形模具（图 1）包括下列区域：切割区域，拉伸区域， 上浆区域。 在切割区域， 工具削减材料达到所需的深度h, 逐步减少直径从 d。 到 d。 然后在拉伸区域更进一步地减少直径在楔板侧壁的影响下到达所要求的 2l 宽度。上 浆区域是确保去除产生于过程前期的任何不想要的曲度。侧铣刀往往纳入后上浆区， 以分开锻造部分的形变末端，或者铣刀在同时形成两个锻造件的情况下分离产品。 成 形角度 ，扩散角度，和相对的减少量是主要的楔横轧工艺参数。 楔横轧过程应用于金属工业，主要用于形成拉长的产品，即阶梯轴或轴。此外这 个过程通常被用于须完成锻压得锻造预型件的制造。 在与传统的制造工艺相比，即加工，锻造，铸造，交叉楔横轧具有很多优点， 特 别是下面的 1.2 ： 高效率， 更好的材料利用率; 产品的高强度参数; 降低能源消耗; 促 进自动化和环境无害。尽管有这么多的优点，楔横轧工艺在工业条件一直没有广泛应 用。 原因主要是设计能够确保工艺平稳进行并且产品成型没有表面和内部的缺陷的刀 具存在困难。 因此， 需要进一步开展调查研究， 以确定的影响的跨楔横轧工艺的原因。 在笔者的管理下，作为活动的结果进行了开展，一个新的两阶段的用于设计楔横 轧过程的工具概念的已创建。在第一阶段，楔横轧的过程 3 5 层建模方法的基础上， 分析一系列流程案例，在假定目标函数 6.7 上，选择一个最佳的变型。那么，最佳的 变体是在第二阶段利用有限有限元方法，进行的详细分析。 在本研究中，楔横轧过程的机械和热机械模型使用有限元方法进行了讨论。一些 选定的数值模拟结果进行的理由商业软件包（MARC/ AutoForge）已经提出。 图 1交叉楔横轧 应用有限元方法模型描述 MARC/ AutoForge 商业软件套件，使用有限元分析位移表示已用于金属楔横轧过 程中的流动分析。这个软件是适用于机械或热机械发生在平坦部形成过程的建模， 轴 向对称或三维应变状态。 由于问题的复杂性质，楔横轧过程模拟，将专门在三维应变状态下执行。由于这 一事实，在连接发生的材料和边界条件下，非线性以及显著的工具冲程，需要数十小 时在即使简单的成形情况下计算。使用以下假设或简化： 假设这一过程是等温条件下进行;分析轧制工艺简单锻件;假设过程对称;适用于恒定 的摩擦系数;假设模型工具材料的刚性。使用上述的假设，楔横轧制过程中的几何模 型已被创建 - 见图 2。该模型包括：钢坯，对称面，线速度 0.1 米/秒的移动工具楔 子。为钢坯造型，8 节点立方元素已被使用。元素类型的选择是计算中所需的网格再 划分的结果，并且当等效应变设定值的增加已经超出时程序自动完成。 20MnCr5 钢热成型过程的数值模拟已执行。此钢种的流动应力由以下功能 8.9 ： 图 2交叉楔横轧的模型 正在形成的材料弹塑性模型已被用于计算。杨氏模量的值，热膨胀系数，比热和导热 系数已根据 MARC/ AutoForge 程序数据库 10.11 假设。假设这些计算中泊松比（0.3） 和密度（7680 公斤/米）的恒定值。 由于可变的接触面的摩擦力， 均匀摩擦下列的模式， 即根据金属工具， 滑移速度， 已应用在模拟过程中： 其中：m=摩擦系数； p v =滑移速度矢量; p a =系数，比滑移低几个数量级速度。对于 目前的分析， p a =已经假定 0.1的工具速度。此外，由于润滑，最高摩擦系数，m = 1.0, 已经假定材料工具的接触面。对于热机械计算假设钢坯和工具温度以及热交换 系数也是必要的。定期与工具的接触是在楔横轧过程中增加多次温度的工具。在工业 条件下，后者则稳定在约 120 度的水平 12 。钢坯及周围空气锻件部分能达到 1050 和 50分别的温度。10 千瓦/平方米的热交换因子的假定计算值应用于热轧过程建 模，对于污垢层接近 13 10 微米的金属层来说基本没有摩擦。 模拟之结果 精确跟踪材料的流动机制，应变分布的测定，应变率，温度和应力值，形成载荷 的计算和预测潜在的缺陷是可能的， 通过有限元素方法。 物料流通过下面的参数说明： = 30 度, = 5 度 , = 1.25, do= 25 mm (Figure 3). 人们已经发现，在最 初的切削阶段材料定位楔子在相反的方向旋转刀具的运动。当一个楔子确定的深度， 基本成形，在这期间所形成的材料是在刀具的运动方向旋转。一个 V 形槽当它们去除 材料时，通过楔子在材料圆周形成。流失的金属被存放造成局部直径增加。螺旋截面 减少工件的增加延长期间进一步相楔横轧节正在推出的整个长度的过程。 图 3应用有限元的分析过程 楔横轧过程的高级阶段确定的等效应变分布，参见图 4。选择为了使监测断面的分布 已确定滚动区域的整体长度的等效应变变化。应变分布层性质已发现的，在最外层， 减少对中央部分的锻造应变。这样的性格，应变结果，在楔横轧过程所形成的产品分 布也得到了证实实验 14.15 。也可以是正在推出的部分全长截面变化分析（图 4） 。在 楔形侧壁的影响下，横截面椭圆化发生，这将是大小的工具表面所淘汰。此外，面朝 成为凹（见图 4）的材料，作为一个导致材料表面流动。参考截面等效应变分布图 5， 坐落在对称平面，通过平板楔和三辊轧制过程确定。正如图中所示，三辊轧件的情况 下，一个几乎圆形截面可以更快的得到。因此可以断定，这交叉的方法楔横轧，将减 少的趋势失控滑的特点。然而，最终应变图获得模拟成形方法几乎相同。 从应力分析获得的重要数据。平均应力m 的变化在工件的截面坐落在对称平 面，如图 6。在谈到进一步平均应力m 的分布后工件定位（图 6a）和旋转后的工件 的 1/4（图 6b）和 1/2（图 6c） ，1 个全旋转（图 6d） 。对于m0 并进一步增加，凝 聚在这方面的材料损失的概率也更大。 作为一个地区金属切割工具直接秉承楔子的结 果，后者与压缩最低讲发生在接近地表附近的横截面与工具接触的角落。拉伸在秉承 方面讲似乎没有影响到 这些层的材料，没有任何变形之间的接触材料和工具。 连 接这两个地区通过中央部分的横截面。拉伸应力区减少削减到材料的楔子。 图 4应用有限元部分全长截面变化分析 图 5参考截面等效应变分布图 图 6平均应力m 的分布 参考图 7 为切线 x F （在工具的运动方向）和径向 z F （垂直表面校准 X Z 工具）的负 载元件分布计算无缝线路的过程中 3 例。正如所料，增加负载伴随增加相对减少。 得到曲线的质量符合所测得的实验曲线作者和包含的文件 16。 精确跟踪的现象产生不利影响的楔横轧过程中，尤其是失控滑和核心缩颈，有可 能通过有限元方法。不受控制的滑移发生时，由部队造成的时刻促进工件的旋转运动 低于力量抵消旋转运动的时刻。旋转能力的损失工件通常发生在伸展区的初始阶段。 失控的滑移促进了：大传播角度和大成形的角度，低摩擦系数 m;值低的相对减 少。席地被不受控制的滑移影响的过程中获得的产品，应变分布的分析，可以发现发 生在工件表面的金属位移从侧墙造成的结果，最大应变值在轴向方向的楔形（图 8）。 然而，在可见的横截面显着的材料椭圆化锻造层株具有一定倾角的楔形方向。这种倾 斜的结果是工件旋转过程中的初始阶段，即在砍阶段。 锻造核心缩颈是大传播的角度和大型成形角度和过度值的结果同时承担 相对减少。 请参阅图 9 缩颈模拟机制的核心手段有限元分析。 上滚动案例分析的理由， 其中代表，可以发现在这一过程是稳定初始阶段的过程，即在切割阶段。然而，分歧 出现在伸展阶段，延伸的楔形侧面墙壁，造成材料的伸长率在轴向方向，而不是其拉 伸（拉伸） 。螺旋减少，导致增加，直到出现金属凝聚力的丧失。在这种滚动的最大 株情况下， 出现在被削减的核心。 楔横轧过程的影响从核心的稳定造成的损失径向 x F 组件和负载发生在缩颈是由减少切线 z F 值的特点 X Z 伸展区。 图 7切线 x F 和径向 z F 的负载元件分布 图 8轴向方向的最大应力值 已取得使用卷轴锻造形成的楔横轧制过程中的热机械模拟平面工具手段（图 10a） 。 它假设计算，所形成的锥面上辘手段凸楔子。为了获得这样一个形状的锻造，工具与 变楔角，设计按照文献 17 假设包括指引。图 10b 所示的工具。参考卷轧制过程中获 得的温度分布图 11，结果其中有关由 75 毫米，150 毫米，225 毫米和 300 毫米，为 楔位移连续的过程阶段分别。使用图 11 中，一个可以分析楔横的过程中，在温度发 生变化轧制过程。一般来说，最高温度出现在锻造的核心部分，其中温度可增加高达 30，应变产生的热量引起的。最酷的金属发生在附近的金属刀具接触陡峭的温度梯 度的特点是密集的金属冷却到 150该工具。同时，未受影响的表面由空气冷却，温 度在轧制过程中减少了约 50。 图 9缩颈模拟机制的核心手段有限元分析 图 10楔横轧制过程 图 11高温轧制过程 实验验证 为验证计算结果的目的，进行了一个特殊的实验。在这个实验形成了直径为 22 毫米的钢坯，使用一个滚动的立场 WPK-1，由作者设计和建造。详细说明这台机器的 提出在文献。钢坯轧制直径为 14 毫米（1.57）与楔子 30 度成形的角度和传播角度 5 度。为了提高轧制过程的稳定性，锯齿上作了成形楔形双方工件和刀具之间，以防止 失控打滑。实验进行了在室温下。商业纯铅的流动应力与应变曲线由钢坯公式如下： WPK-1 机配备了一个数字化测量系统。这使得测量以下参数：工件和轧辊转速，径向 载荷和轧制力矩。所有参数的测量辊的旋转同步进行，每 1 度。工件转速以及在实验 过程中获得的径向负荷分布显示在图 12。此外，通过有限元计算这些参数的特点是 在图 12。 图 12 的实验和理论结果比较，我们发现，参数值认为相关性非常良好。 这表明，得到的数值结果确实产生可靠的结果。 结论 在本研究中已经呈现一个完整的楔横轧过程的数值模型。 该模型这是根据有限元 理论为基础，使我们能够预测的应变和应力状态，载荷计算价值，以及预测限制的楔 横轧制过程稳定的现象。 这个模型可以用来分析楔横轧过程中成形的几个工艺参数的 影响。因此，工具的方法设计试验和目前的基础上错误的方法，将大大简化。目前为 了使产品的楔横轧过程的模拟模型将不断发展更复杂的形状。 图 12径向负荷分布显示图 参考文献 1Y.Dong, M. 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