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浙江工业人学硕士学位论文 轴对称典型件楔横轧精制坯的有限元模拟 摘要 相对于传统加工工艺，楔横轧具有产品强度好、生产效率高、节省材料、成 本低等重要优点，先进工业国家的重要轴对称典型件改用楔横轧来制造毛坯，广 泛应用于诸如齿轮轴、连杆等重要零件的生产。 然而楔横轧制坯工艺复杂，同时理论与实验研究相对缺乏，多方面的问题理 论研究难以解决。计算机软、硬件的飞速发展及有限元技术在塑性成形模拟中的 广泛应用，为楔横轧成形理论方面的突破及模具设计等提供了有利的条件。因此， 应用塑性有限元软件对楔横轧制坯过程及其典型的应用进行有限元热力耦合模拟 不仅具有重要的理论意义，而且具有很高的实用价值。 本文采用有限元技术对楔横轧轧制成形进行模拟；同时以楔横轧模具的各参 数为模拟变量，进行大量的模拟实验进行计算；采用v i s u a lb a s i c 对s o l i d w o r k s 进 行二次开发，对楔横轧模具进行参数化设计：采用大型商业有限元软件s u p e r f o r m 建立轧件有限元模型，对楔横轧进行三维热一力耦合有限元模拟；获得s l f f j 过程 中s l $ l j 力、力矩、内部应力场、速度场、温度场和应变场等方面大量的数据，并 针对模具参数、环境参数等对模拟结果的影响进行研究。最后选取齿轮轴和汽车 发动机连杆作为楔横轧制坯的典型应用件设计模具、轧制毛坯，并就其成形过程 进行有限元模拟，分析其成形质量及内部各参数的变化。 本论文是我的导师关于连续局部塑性精成形总体研究的一个组成部分，按照 “科、教、产”一体化的模式，密切结合浙江工业大学承担的浙江省重大科技计 划项目“辊压塑性精成形机的开发与研制”和我的导师的关于连杆和齿轮成形的 三个专利。本论文对楔横轧制坯及其典型的应用进行全过程模拟，并用大量的模 拟试验对轧件内部的各参数进行了定量研究，得出了有意义的结论，对楔横轧理 论的应用及成形工艺规范的制定起到指导性的借鉴作用。 关键词：楔横轧精制坯，弹塑性有限元法，热力耦合有限元仿真，轴对称典型件 齿轮轴，连杆 浙江工业大学倾f 。学位论文 f e ms i m u l a t i o no fc r o s sw e d g e r o l l i n g p r e c i s e p r e f o r m i n g o f t y p i c a la x i a l - - s y m m e t r yf o r g i n g a b s t r a c t t h eb e n e f i t so fc r o s sw e d g er o l l i n ga r es i g n i f i c a n t ：i tp r o d u c e ss t r o n g e rp r o d u c t s ， i ns h o r t e rt i m ep e r i o d s ，w i t hl e s sm a t e r i a l ，a n da tal o w e rc o s tt h a nm a n yt r a d i t i o n a l m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e s ，t y p i c a l a x i a l s y m m e t r yf o r g i n g i nm o s ta d v a n c e d i n d u s t r i a l i z e dc o u n t r i e sa d o p tc w rt op r o d u c ep r e f o r m c w rp e r f o r m i n gt e c h n o l o g y i sa p p l i e d w i d e l yf o rp r o d u c t i o no f v i t a lp a r t s ，s u c h a sg e a rs h a f ta n dc o n n e c t i n gr o d h o w e v e r , c o m p l i c a t e dt e c h n i c s ，r e l a t i v e l yd e f i c i e n tt h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a l r e s e a r c h e sm a k ei td i f f i c u l tt os o l v ea v a r i e t yo fp r o b l e m st h r o u g ht h e o r e t i c a ls t u d y t h e r a p i dd e v e l o p m e n to fs o t t w a r ea n dh a r d w a r ea n dw i d ea p p l i c a t i o no ff e a i np l a s t i c f o r m i n gs i m u l a t i o nl a y sf a v o r a b l ef o u n d a t i o n sf o rt h eb r e a k t h r o u g hi nt h e o r e t i c a ls t u d y a n dm o u l d d e s i g n t h e r e f o r e ，p l a s t i cf e a s o f t w a r en o to n l yh a ss i g n i f i c a n tt h e o r e t i c a l v a l u ei nf i n i t ee l e m e n tt h e r m om e c h a n i c a ls i m u l a t i o ni nt h e p r o c e s s o fc w r p e r f o r m i n ga n d i t st y p i c a la p p l i e dw o r k - p i e c e ，b u ta l s oh a sh i g h a p p l i e dv a l u e t l l i sp a p e ri sa b o u tt h es i m u l a t i o n so fc w r b yf e a ；m e a n t i m e a l lp a r a m e t e r so f c w rm o u l da r ea d o p t e da ss i m u l a t i o np a r a m e t e r , a n dan u m b e ro fe x p e r i m e n t sa r e c a r r i e do u tt oc a l c u l m er e l a t e d f i g u r e s ；v i s u a l b a s i ci si n t r o d u c e di nt h ef u i r t h e r d e v e l o p m e n to fs o l i d w o r k s a n d c w rm o d di sp a r a m e t e r i z e dt om o d e lt h em o u l d ； m o r e o v e r , g o o d s i z e dc o m m e r c i a lf e m s o f t w a r es u p e r f o r mi si n t r o d u c e dt os h a p e b i l l e tm o d e l ；b a s e do nt h o s e ，3 dt h e r m om e c h a n i c a lf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no ft h e r o l l i n gp r o c e s so fc w r a r ec a r r i e do u t ；ag r e a tn u m b e ro fd a t ao nt h er o l l i n gf o r c e ， r o l l i n gm o m e n t ，i n t e r n a ls t r e s s s t r a i nf i e l d ，v e l o c i t yf i e l da n dt e m p e r a t u r ei nt h er o l l i n g a r ea c q u i r e d ；a n dt h ei n f l u e n c eo fm o u l d p a r a m e t e ra n de n v i r o n m e n tp a r a m e t e r o nt h e r e s u l to ft h es i m u l a t i o ni ss t u d i e d g e a rs h a f ta n dc o n n e c t i n gr o da r es e l e c t e da st y p i c a l a p p l i e dw o r k p i e c eo fc w rp e r f o r m i n g 。d i e sa r ed e s i g n e d ，p e r f o r m sa r er o l l e da n d f e ms i m u l a t i o no ft h e i rf o r m i n gp r o c e s sa r ec a r r i e do u tt h e nt h r o u g ht h er e s u l t so f s i m u l a t i o n ，q u a l i t yo f f o r m i n g a n d v a r i e t yo f i n n e rp a r a m e t e r si sa n a l y z e d t h i sp a p e ri so n ep a r to ft h eo v e r a l lr e s e a r c ho fa b o u ts u c c e s s i v ep a r t i a l p l a s t i c f o r m i n gw h i c h i sr e s e a r c h e db ym y t u t o r , c o m b i n i n gw i t ht h ez h e j i a n gp r o v i n c e sv i t a l i l 浙江工业大学硕士学位论文 z h e j i a n gp r o v i n c e s v i t a ls c i e n t i f i c s c h e m i n gp r o j e c t d e v e l o p m e n t a n dd e s i g no f r o l l e rr o l l i n gp l a s t i cp r e c i s ef o r m i n gm a c h i n e t a k e no l lb yz h e j i a n gu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g ya n dm y t u t o r st w o p a t e n t s ，t h ep a p e ri st oi n c l u d e t h ew h o l es i m u l a t i o no f c w r p e r f o r m i n ga n di t st y p i c a la p p l i c a t i o n f u r t h e r m o r e q u a n t i f i c a t i o n a lr e s e a r c h e s o nt h eb i l l e t si n t e m a lp a r a m e t e r sa r ed o n eo nt h eb a s i so fal a r g en u m b e ro fs i m u l a t i o n t r i a l s ，t h u s n o t o n l yd r a w i n gs i g n i f i c a n tc o n c l u s i o n s ，b u ta l s oh a v i n g i n s t r u c t i o n a l r e f e r e n c e ds i g n i f i c a n c eo nt h et h e o r e t i c a ls t u d yo fc w r s a p p l i c a t i o n a n de s t a b l i s h m e n t o f f o r m i n g t e c h n i c s sc r i t e r i o n k e yw o r d s ：c w r p r e c i s ep r e f o r m i n g ，e l a s t i cp l a s t i cf e m ，t h e r m om e c h a n i c a l c o u p l e d f i n i t e e l e m e n t s i m u l a t i o n ，t y p i c a la x i a l - s y m m e t r y f o r g i n g ，g e a r s h a f t ， c o n n e c t i n gr o d i l l 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 前言 第1 章绪论 连续局部塑性成形不同的等形状等截面产品在冶金领域的应用已相当成熟， 如板材、型材和管材等的轧制技术的发展不仅对工业生产、经济建设起到非常重 要的推动作用，而且在日常生活中也普遍使用了金属的板材、管材和型材。连续 局部塑性加工在型材轧制领域中之所以占有这样重要的地位，是由于这种加工技 术具有静压成形( 冲击、振动和危害环境甚小) 、能量利用率高、生产质量稳定、 易于实现自动化、生产效率高、能充分地发挥金属材料塑性的潜在能力等优点。 但是轧制的成形特点之一是只能生产不同形状等横截面的产品，至于生产变截面 的产品，则是在2 0 世纪5 0 年代才逐渐发展起来的，如楔横轧、辊锻、旋压、辗 环和摆辗等【“。 轴对称零件是目前高速发展的汽车工业中的主要零部件，对零件的质量要求 较高，需求量较大，以往汽车上的轴对称零件采用模锻、空气锤制坯，普遍存在 生产效率低、锻件质量不容易保证、工人劳动强度大等缺点，难以满足当前行业 的需求，迫切需要一种新的高效生产工艺提供高质量的锻坯。对于此类零件目前 改用辊锻制坯，并与机械锻压机配套，广泛应用于汽车行业，生产前轴、连杆、 传动轴、转向节等锻件 2 1 1 3 1 。 对于目前汽车上广泛应用的轴对称类毛坯及零件( 如齿轮轴、连杆、变速箱 一轴、二轴、双连齿轮坯等) ，楔横轧工艺具有模具寿命长，生产效率高，材料利 用率高，产品合格率高等优点。楔横轧这一轴类零件新的成形工艺，以其独特的 优点被公认为是目前轴类件生产的最佳工艺。它在技术和经济两个方面都显示出 特有的优越性，受到塑性加工界的高度重视，因此研究楔横轧技术具有很大的现 实意义【4 1 。 1 2 选题的依据、目的及意义 1 2 ，l 选题的依据 本论文是我的导师宋玉泉教授关于“连续局部塑性精成形设备及工艺，研究 l 浙江工业大学硕士学位论文 方向的一个组成部分，并拟按照他所提出的“科、教、产一体化”的模式进行学 位论文工作。科是科学研究，论文必须与科研项目结合，本论文结合浙江省重大 科技计划项目“辊压塑性精成形机的开发与研制”和国家科技攻关计划项目“汽 车连杆辊压塑性精成形的新设备和新工艺”( 课题任务书编号：2 0 0 3 b a 2 1 2 c ) ，并 受到吉林省科技发展重点项目“汽车用圆柱圆锥直齿轮滚轧和挤压组合成形设备 的研制”( 课题合同编号：2 0 0 3 0 3 1 1 ) 的启发，结合导师的关于连杆制坯和齿轮成 形的两个专利【5 】，对工艺进行分析和探讨，如图1 - 1 所示为浙江工业大学汽车零部 件加工中心设计的板压滚动塑性精成形机的仿真模型，图1 2 为其模具安装位 置：教是指人才培养，本人已顺利完成了研究生课程学习、论文开题报告，通过 资料查询、文献综述、模拟方法的确定及软件的选用，对成形工艺的模拟、结果 的分析及论文的书写等进行较为系统的分析问题、解决问题和总结问题的培养和 训练；产是指面向经济建设，要对生产的发展有所贡献，本论文结合我的导师宋 玉泉教授的专利及科研项目完成“轴对称典型件的楔横轧精制坯的有限元模拟”， 对连杆的制坯、齿轮轴制坯及生产具有一定的指导性。 图l - 1 板压滚动塑性精成形机仿真模型 图l - 2 板压滚动塑性精成形样机模具位置 本文将结合导师的项目，选取齿轮轴和连杆作为楔横轧制坯的应用对象。通 过对国内外齿轮轴加工现状的了解f 6 j 【7 】，目前加工齿轮轴最常见的方法为模锻制 坯、切削加工，这种工艺较复杂，材料利用率低( 仅4 0 左右) ，能源消耗大，生 产率低，成本蒯引。而采用楔横轧制坯、轧制成形齿轮轴，可以克服以上不足，提 供一种既能大大缩短齿轮轴加工工时，又能提高加工后齿轮轴的质量的加工方法。 连杆是所有将圆周运动转化为直线运动或者将直线运动转化为圆周运动的关键部 件，在飞机、汽车等的各种柱塞式发动机中担当着重要角色，不仅尺寸精度和总 量公差都有较高的要求，而且对其力学性能有很高的要求，目前还不能用铸造和 浙江t 业人学硕卜学位论义 粉末冶金等工艺完全取代锻造。因此，目前连杆的锻造生产主要靠摩擦压力机、 模锻锤、电液锤、热模锻压力机等设备完成，除了模锻锤适用于自己完成制坯工 步外，其它的则要配备相应的制坯设备。因此连杆锻造生产中制坯工步的选配是 不容忽视的。目前国内外连杆的制坯主要用辊锻或者空气锤，近几年开始采用的 楔横轧连杆制坯，已显示出它的优越性，并迅速被连杆生产企业所接受。 楔横轧轧制变形是复杂的三维变形，其变形区为三维立体空间，变形机理十 分复杂。在现有的实验条件下，很难得到轧件内部应力、应变分布的准确信息， 至于楔横轧变形过程中动态的应力、应变、力能参数和温度场分布等重要信息的 获得就更加困难，这无疑影响了楔横轧理论研究和工程应用的进展。目前，信息 技术的飞速发展，使得借助于计算机模拟技术来研究楔横轧成形过程成为可能， 这样就可以在不花费大量的人力、物力进行实验的情况下，定量地得到相关的信 息【9 】o 以往研究金属成形的方法主要是反复试验法、理论计算以及几何模拟，从 1 9 7 3 年开始，l e e 和o h 等人将有限元方法用于模拟金属成形过程为金属成形工 艺的制定和产品开发提供了一种崭新的技术【lo 】。随着计算机技术和有限元方法理 论的发展，目前三维有限元模拟技术正走向成熟。最近几年，国内外都开始在这 方面进行应用研究，并取得一定的成果，与此同时，作为体积成形的楔横轧技术， 在塑性模拟方面也取得很大的进展i i ”。 国内外对楔横轧技术进行了广泛的研究，在数值模拟方面已经取得了很大的 进展，特别是以z b p a t e r 和y a m i o nd o n g 带头的两个研究小组在这方面进行了深 入的研究，并取得较大进展 12 】 【2 0 】；gf a n g 、北京科技大学的束学道和胡正寰院士 2 ill 冽等人分别在几何模拟1 2 3 1 1 2 4 1 和三维变形模拟【9 】方面取得很大的进展，并可以进 行一些简单的分析，如应力、应变、速度场、温度场以及内部的一些参数等。根 据文献 2 5 2 6 1 所述，国内外关于齿轮精锻的数值模拟取得了相当大进展，而韩国 海洋大学的j r c h o 使用辊锻制坯 ”l ，并采用新的网格重划分原理对连杆模锻成形 进行三维有限元模拟；美国俄亥俄州州立大学v i c t o rv a z q u e z 等用楔横轧制坯来优 化连杆无飞边锻造的毛坯设计，并通过模拟结果进行了较为详细的讨论f 2 8 】口。 通过国内外大量资料的查阅，对楔横轧制坯工艺在轴对称类锻件上的应用以 及国内外金属成形过程模拟的深入了解，确定了本论文相关的研究内容。 浙江1 。业大学硕卜学位论文 1 2 2 选题的目的及意义 齿轮轴和连杆作为典型的轴对称零件，在本文中把其作为应用对象，具有重 要的研究意义。本论文结合我的导师宋玉泉教授的专利1 5 j 思想，对这类零件的楔横 轧精制坯的成形过程进行有限元模拟。旨在解决解析力学求解无法克服的难题及 补充物理模拟的不足，同时针对采用板式滚动塑性精成形机进行连杆和齿轮轴楔 横轧精制坯及轧制齿轮轴的成形过程进行分析。 本论文研究的重要目的在于通过对板式楔横轧制坯进行模拟，得到三维状态 下的应力、应变分布，轧件表面变形及模具的受力情况等重要信息，为深入认识 楔横轧变形规律提供了依据，并深入认识楔横轧内部缺陷的产生机理【1 3 】【1 5 】【1 7 】以及 交界面滑移的产生机理【1 4 【1 8 ；研究楔横轧在轴对称典型件生产中的应用，齿轮轴 齿廓的成形原理、充满状况，齿轮轴楔横轧制坯、连杆楔横轧制坯、使用热轧方 法轧制齿轮轴的优缺点，并以此为依据，基于优化设计方法，实现模具的c a d 参 数化 3 1 】【33 】以及c a d c a l e 在金属塑性加工过程中的集成 3 4 】，以此来减少试验的次 数，增加试验成功的概率，确定优化的模具参数和工艺参数。 齿轮轴楔横轧精制坯和连杆楔横轧精制坯作为一种无切削的金属塑性加工工 艺，属于绿色塑性加工技术，在其中融合现代计算机技术，把绿色加工提高到相 对高度。不但具有节材、节能、经济效益高、减少试验次数、提高试验成功率等 优点，同时对改善工作人员的环境、减少环境的污染等，具有重大的社会意义 1 3 5 h 3 7 1 。 国内外对楔横轧的研究及模拟主要集中在简单的阶梯轴零件，未能深入到复 杂零件，楔横轧的加工也主要集中在比较规范的轴类零件0 8 1 。楔横轧轧制加工齿 轮轴的实现，无疑将楔横轧的加工和齿轮轴加工技术提高到一个新阶段，它克服 了以往加工齿轮轴的不足。而连杆作为发动机的主要部件，采用楔横轧制坯具有 高效、节材节能、高合格率的特点，通过模拟的方法对其制坯质量进行分析，具 有一定的学术价值。 1 3 本论文的主要研究内容、研究特色 本课题基于大变形弹塑性有限元方法，使用开发软件v i s u a lb a s i c 6 0 对c a d 软件s o l i d w o r k s 2 0 0 3 进行二次开发建立模具模型，并采用大型非线性体积成形专 浙江t 业人学硕j 。学位论文 用有限元软件m s c s u p e r f o r m 建立轧制模型对楔横轧成形采用三维热力耦合有限 元模拟，最后对模拟结果进行总结。同时讨论了楔横轧在轴对称典型件制坯上的 应用，通过对齿轮轴、连杆等轴对称典型件的楔横轧制坯及其成形的模拟来阐述 楔横轧的广泛应用。本论文主要包括以下研究内容： ( 1 ) 使用开发软件建立c a d 软件的二次开发平台，建立模具参数化系统； ( 2 ) 楔横轧轧制成形的力能参数和应力应变等规律的研究； ( 3 ) 楔横轧轧制过程中模具参数( 轧件半径、轧制温度、展宽角、楔入角、 摩擦系数和断面收缩率等) 对成形质量的影响： ( 4 ) 轧制初始温度和模具温度对轧制成形的影响，即热力耦合模拟分析； ( 5 ) 楔横轧制坯的典型应用，并通过齿轮轴和连杆这两种零件的制坯及成形 对楔横轧制坯方法进行阐述； ( 6 ) 齿轮模具参数及初始条件对成形质量的影响。 本论文将基于弹塑性有限元法系统地对楔横轧轧制过程进行热力耦合模拟， 并通过大量的模拟数据对楔横轧工艺进行深入分析探讨，同时为模拟实验设计模 具参数化系统，并对楔横轧制坯的典型应用之一齿轮轴轧制成形过程进行齿部成 形的二维热力耦合模拟，设计模具的优化齿形，最后以轴对称典型件齿轮轴和连 杆作为楔横轧精制坯的典型应用进行模拟分析。 1 4 楔横轧技术的发展及应用简介 1 4 1 楔横轧技术及工艺简介 楔横轧是指圆形坯料在两轧辊的扇形模具或两平板模具之间发生连续局部变 形的一种回旋加工工艺，轧制成的零件形状与模具底部型槽的形状一致，因其利 用带楔形的扇形模具或板式模具对坯料进行横轧而得名。楔横轧加工过程中，工 件与轧辊反向旋转，变形由局部开始逐渐积累完成。分为楔入段、楔入平整段、 展宽段和展宽精整段。 楔横轧主要分为辊式、板式和单辊弧形式楔横轧三种基本类型，图1 - 3 ( a ) 、( b ) 和( c ) 分别显示了其基本原理。但是目前普遍应用的辊式楔横轧和板式楔横轧机。 近年来，我国研制出的平板式楔横轧机已投入使用，平板式楔横轧技术的出现， 克服了辊式楔横轧其扇形模具的机加工和热处理比较困难、模具制造成本高、寿 浙江工业大学硕【。学位论文 命低等缺点。但板式楔横轧机也有不少弊端，如比较复杂，刚度不好等，但是已 得到我的导师宋玉泉教授的解决，并获得专利【1 l 【”】。 楔横轧技术在我国经过近5 0 年的发展，在理论和工艺技术的研究方面均取得 了重大进展，使我国楔横轧的工艺水平大为提高，现已逐渐扩展应用到一些机械 性能和精度要求较高的制件上，并且楔横轧被国家部委列入重点推广计划，为楔 横轧技术在我国的推广应用创造了良好的外部环境。 楔横轧工艺的主要参数有成形角a 、展宽角b 以及断面收缩率叫3 9 】。如何确 定这些参数，直接关系到楔横轧工艺能否 i f 页；f u 地进行，确定参数的基本原则是实 现稳定轧制和能够得到合格的产品，为了实现稳定轧制，除了必须满足旋转条件 以外，还必须保证轧件在轧制过程中不断裂，能得到合格的产品，楔横轧产品 是否合格，包括尺寸形状精度和内部组织缺陷。主要表现形式为螺旋压痕、不圆 度较差和中心疏松。 a ) 板式楔横轧 盛画 b ) 两辊式楔横轧c ) 单辊弧形式楔横轧 图1 - 3 板式、辊式和三辊式楔横轧的基本工作原理 6 浙江工业大学硕士学位论文 1 4 2 楔横轧工艺的优缺点 楔横轧成形工艺与传统的锻造或切削工艺相比有如下优点： ( 1 ) 一般在机g n - r 过程中材料有4 0 以切屑的形式被浪费掉，而在楔横轧工 艺中，少于1 0 的原材料在切头和磨削中消耗掉，相比而言，可节约材料2 0 3 5 。因此，楔横轧工艺能在很大程度上降低原材料的浪费。 ( 2 ) 生产效率高：每次轧制能生产一件或多件工件，通常生产效率至少为1 0 3 0 件m i n ，可比其它工艺提高5 2 0 倍。 ( 3 ) 产品质量好，楔横轧件金属纤维流线沿产品外形连续分布，无切削断头、 晶粒细化、静力强度、疲劳强度和耐磨性大大提高，而且无飞边，尺寸形状精度 高。 ( 4 ) 所需设备吨位小，模具寿命高，平均寿命可达到2 0 3 0 万件。 ( 5 ) 由于楔横轧轧制成形过程无冲击，噪音小，使工作环境大为改善，而且 易于实现机械化、自动化，使劳动强度大大降低。楔横轧的诸多优点可使平均生 产成本降低2 0 3 0 。 但是楔横轧工艺也存在一定的缺点，如通用性差，仅对旋转形工件更为适用， 需要专门的设备和模具，而且工艺调整比较复杂，因此多用于种类少、批量大的 零件生产。本论文所研究的齿轮轴和连杆非常适合楔横轧模具结构和工艺特色。 1 4 3 楔横轧的发展概况 近年来楔横轧技术得到较大的发展： ( 1 ) e 1 本的叶山益次郎关于楔横轧的加工范围研究为扩大楔横轧技术的应用 范围提供了理论依据 4 t l ：颜世公、权修华进行了冷楔横轧的理论与实验研究为楔 横轧工艺的应用开阔了思路【4 2 】1 4 3 l ；张康生、梁继才和r e i m u n dn e u g e b a u e r 等为扩 大楔横轧的应用范围，进行了空心件m h 4 6 1 ，偏心件，非圆曲面的楔横轧的研究： 张康生和胡正寰关于接触面解析的分析与精确求解各类空间截齐曲线的阐述，为 制造和修正模具提供依据 4 7 】【5 。1 ；并开展了空心件的研究，进一步拓宽了楔横轧的 应用范围。 ( 2 ) 王全先及束学道等人分别用理论和模拟的方法进行了板式楔横轧力能参 数的研究删【5 3 1 ：研究了成形参数对楔横轧轧制内外部缺陷【甜】【5 5 】、旋转条, l = _ 4 0 1 1 5 6 1 浙江工业大学硕士学位论文 和滑移的影响的研究1 1 8 】；设计了系列化的楔横轧机，并对板式楔横轧的加工稳 定性提出了改进方法【16 j ； ( 3 ) 实现大截面零件楔横轧的轧制成功刚【”】，为大变截面齿轮轴的加工创造 条件。对轧制非回转体轮廓的辊形曲面进行了探讨【5 9 1 ，为轧制非圆锻坯的实现打 下基础；混合楔形成形法的研究【删，解决了较长阶梯轴在轧制过程中的不稳定， 使不对称件成形良好；多楔同步楔横轧工艺的应用的研究，实现了变形段多而又 长的阶梯轴类件的楔横轧，增加了轧件的变形长度；双成形面成形法，实现了小 角度台肩的成形。 ( 4 ) 开展了对楔横轧模具的c a d c a m c a p p 的研究，并开发出相应应用软 件，如r o l l 3 d 等口1 h ”l ，提高了设计效率，为模具加工和检测提供了方便。楔横轧 计算机模拟得到广泛应用。在国内，刘桂华 9 1 1 2 1 2 2 1 等人分别在几何模拟和基于 d e f o r m3 d 软件的三维变形模拟方面取得很大的进展；在国外，特别是以z b p a t e r 和y a m i o nd o n g 带头的两个研究小组在这方面进行了深入的研究，并取得进展， 可以参阅1 2 i 。 2 0 i ，较为系统地分析了成形角n ，展宽角p ，端面收缩率 摩擦系 数等对楔横轧成形、轧制力、轧制力矩、应力、应变、滑移、内部缺陷、模具的 优化设计和加工稳定性等的影响。 1 4 4 楔横轧技术的国内外应用简况【4 】【3 8 】 人们很早就探讨用楔横轧方法成形轴类零件，由于技术上的原因，一直未能 应用于生产。直至上世纪6 0 年代初，才由捷克期洛伐克的工程师基利哈罗勃 ( j i r i h e l u b ) 完善这项工艺设备，将辊式楔横轧应用于生产，主要产品为五金工具 坯、汽车小零件等。并在莱比锡国际博览会上展出，得到人们的广泛重视，从而 成为世界上众所周知的轴类零件成形的新工艺和新技术。 1 9 6 7 年由东德埃尔富特( e r f r u t ) 公司研究制造的u w q 4 0 2 4 0 0 、u w q s o x 6 3 0 两种板式楔横轧机，再次在莱比锡国际博览会上展出，并且获得金奖，为此 工艺的应用和推广起到积极的作用。将板式楔横轧机也研究成功并投入生产这项 技术在原苏联也得到较广泛的应用，除有辊式、板式楔横轧机外，还有单辊弧形 式楔横轧机。生产的产品有汽车、拖拉机、电机以及煤炭机械上的轴类零件。日 本三菱公司也将楔横轧技术用于生产汽车轴类零件。 在国内，6 0 年代初，重庆大学最早进行楔横轧汽车球销的实验研究工作，并 s 浙江工业大学硕士学位论文 获得初步成功。 7 0 年代初，原东北工学院( 现东北大学) 在实验室试轧出火车d 轴的模拟件， 以后与沈阳轧钢厂合作，试轧出火车d 轴，但由于种种原因未能应用于生产。 7 0 年代中期，清华大学与北京电讯工具厂合作，试轧出尖嘴钳毛坯。上海锻 压机床三厂研制成功单辊弧形式楔横轧鲤鱼钳毛坯新工艺，是我国最早将楔横轧 应用于生产的单位，并收到较好的经济效果。由于单辊弧形式楔横轧在模具制造、 工艺调整等方面都十分困难，故一直不能得到推广。 从7 0 年代初起，北京科技大学( 原北京钢铁学院) 在有较好孔型斜轧技术基础 上开展楔横轧技术的研究开发与推广工作，先后帮助工厂建成楔横轧生产线4 0 多 条和1 0 多个楔横轧专业化工厂，开发并应用于生产的零件1 3 0 多种，包括汽车、 拖拉机、摩托车、发动机、油泵与水泵等机器的轴类零件，楔横轧机系列化并定 点制造，同时得到国家科委、计委和冶金部的支持，由胡正寰等建立的零件轧制 研究中心，不仅在国内居冠，而且在国际上也有良好的影响。 8 0 年代以来，机械部的济南铸锻研究所、郑州机械所、北京机电研究所、原 吉林工业大学，先后开展的楔横轧研究与开发工作也取得可喜的进展。 1 5 金属塑性成形分析数值模拟方法【6 i 】 金属塑性成形是利用金属的塑性，通过模具使简单形状的毛坯成形为所需工 件形状的技术。在塑性成形中，材料的塑性变形规律、模具与工件之间的摩擦现 象、材料中温度和微观组织的变化及其对制件质量的影响等等，都是十分复杂的 问题。利用力学解析研究金属塑性变形的规律，能揭示材料参数、力学参数和条 件参数间的本质联系，并对客观存在的问题给予规律性的指导和普遍性的解答具 有重要意义。但对复杂的塑性变形过程，不仅精度不足，甚至无能为力。借助于 数值模拟方法，则能使人们获得对于塑性成形过程更为精确的认识，能以较小的 代价、在较短的时间内为找到最优的或可行的设计方案制定依据。 1 5 1 塑性成形中有限元方法的发展及应用【6 1 】【蜊 将有限元数值模拟方法用于求解金属变形过程的应力、应变和温度场等的分 布规律，进行模具受力分析以及预测金属的成形缺陷，已成为计算力学的重要分 浙江工业大学硕士学位论文 支之一。 1 9 6 7 年，m a r c a l 和k i n g 首先提出了弹塑性有限元法。经过6 0 、7 0 年代中期 y y a m a d a 、r h i l l 、h d h i b b i t 、o s i a s 和r m c m e e k i n g 等人的充实和改进，大变形 弹塑性有限元法不断地完善。弹塑性有限元比较适合板料成形等问题的模拟，其彝 采用的增量型本构关系不允许使用大的变形增量，总的计算时间较长。在大变形g 的金属成形问题中，有时可以忽略其中的弹性变形，而采用刚塑性材料模型。1 9 7 1 年德国的l u n g ，1 9 7 3 年美国的l e e 和k o b a y a s h i 分别提出刚塑性有限元法，刚塑 性比较适合体积成形的模拟。为了考虑变形速率对金属塑性流动和变形抗力的影 响，可采用刚塑性有限元扩展而得的刚黏塑性有限元法。在金属成形过程的有限 元模拟方面，各国学者已做了大量的研究工作。8 0 年代末期以来，金属塑性成形 过程的计算机模拟技术逐渐成熟并进入实用阶段，已经实现软件的商业化。在一 些发达国家它已经成为检验模具设计的有效手段。近年来无论是在板料成形( s h e e t f o r m i n g ) 方面还是在体积成形( b u l kf o r m i n g ) 方面均取得较大进展，并在工艺 设计和优化方面得到了很好的利用。随着计算速度的提高和有限元算法的不断完 善，有限元模拟将会广泛地被应用于工程实践之中。 在有限元软件领域，涌现出一批比较成熟的商用软件如e t a d y n a f o r m 、 d e f o r m ，m a r c ，a n s y s ，s u p e r f o r m ，a u t o f o r m ，a b a q u a s n a s t r a n ， p a m - s t a m p 、r o b u s t 、s h e e t - 3 d 和i t a s 一3 d 等。近年来，有限元软件行业竞 争激烈，各种专用软件相继出现并逐渐向专业化、并行性和智能化的方向发展。 1 5 2 塑性加工中热力耦合有限元分析方法的研究进展【6 3 】 将热力耦合有限元分析应用于金属塑性成形过程是金属塑性成形数值模拟技 术的一大进步。金属塑性成形过程中，材料的温度与流动应力，流动方式等实际 上是交互作用的，成形过程中由热效应引起的温度变化，反过来又对变形体变形 行为产生影响。为了能准确模拟金属成形过程，应该考虑到这种交互作用，对变 形与传热进行热力耦合分析，才能得到材料变形时温度、应力、应变状态等的准 确数据。 早期对热塑性n t 过程的分析是非耦合的，很多采用上限法分析金属流动， 而用有限差分法分析温度场。关于热力耦合的实现五十年代就已经有了，最初熟 力耦合是应用于弹性力学中。1 9 5 6 年，b i o t 对傅立叶传热方程进行了修正，考虑 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 到弹性体的体积改变，认为这种体积改变是由于温度场和应变场变化改变的综合 结果，因此求解温度场问题不能独立地确定，需要与运动方程联立求解，这就是 弹性力学问题的耦合理论模型。 对变形和传热耦合分析的研究始于8 0 年代。首次进行真正的热加工变形和热 传耦合分析是o d e n 。1 9 7 8 年，z i e n k i e w i c z 等人提出了两种热耦合分析的方法，一 是联立求解传热和变形方程，二是将两组方程分开，并采用变形和传热联立的解 法对稳态挤压过程进行了热力耦合分析。t 9 8 1 年r e b e l o 和k o b a y a s h i 对热力耦合 方法在原理上作了相应的改变。他们用热力学的方法导出了塑性成形过程中的传 热方程，将变形和传热看作独立的瞬态过程，在两者之间进行迭代求解，提出用 迭代法求解耦合问题，并蓄次对圆柱体和圆环镦粗等轴对称变形过程做了热力耦 合分析。另外，还有学者对力学问题和传热问题分别采用变分法推导出泛函的形 式，把两者的泛函相加再求变分，得到耦合问题的解。之后各国学者在这方面进 行了大量的工作，国内早期在这方面的研究多集中在纯温度场和纯变形场方面。 1 9 8 5 年刘建生首次采用了热力耦合分析方法对大型转子锻件的j s t 法进行了模拟 分析，并与实验结果进行了对比。孙捷首先对圆柱体镦粗过程进行了耦合分析， 而1 9 8 9 年罗之建首次对冷镦过程进行了耦合分析的实验验证研究。到了9 0 年代， 国内这方面研究得到很大的发展，涉及到金属加工过程的许多方面，开始了锻件 的微观组织的模拟，并开发了系列软件，如卫原平等开发了通用二维有限元软件s - - f o r g e ，其中就采用了热力耦合分析技术。随着计算机技术的发展，出现了许 多包含热力耦合分析技术的三维有限元分析软件，并在研究中得到应用，刘才等 建立了三维热力耦合问题弹塑性有限变形有限元法6 5 】，并对板材热轧进行了模拟， 而洪慧平等使用m a r c a u t o f o r g e 软件对连轧大规格合金芯棒钢进行了三维热力耦 合模拟仿真【6 6 】，近年来国内外在三维热力耦合问题的研究上由于商业化软件的出 现，应用非常广泛。 毋容置疑，熟力耦合分析方法由于能同时分析传热和应力、应变问题，能较 为真实地模拟高温下金属塑性成形过程的传热和变形的相互影响，得到的结论被 实验证明比较准确可靠。随着对产品质量及材料质量要求的提高，热力耦合分析 方法的应用将日益广泛。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章塑性成形大变形理论及热力耦合弹塑性有限元法 2 1 引言 近年来由于有限变形理论和电子计算机技术的发展，用有限元法求解塑性加 工问题得到越来越广泛的重视，由于基于有限变形理论的弹塑性有限元法能同时 考虑材料非线性和几何非线性，因此采用有限应变弹塑性有限元法。可以有效地 模拟和分析存在大位移和大变形的塑性加工成形过程。 目前国外的一些大型有限元软件纷纷进入国内市场，在采用这些软件来解决 工程问题的同时，必须对数值计算、力学理论和有限元方面的知识有较深的了解。 鉴于本文将采用大变形热力耦合弹塑性有限元法来模拟和分析实际的楔横轧精制 坯的成形过程，并对其典型应用齿轮轴滚轧成形及连杆制坯成形进行模拟， 本章将对有限变形理论、基于有限变形理论的弹塑性有限元法以及s u p e r f o r m 软件 对金属成形过程中的热力耦合、接触和网格重划分等问题的处理方法予以描述。 2 2 塑性成形大变形问题的基本方程 当物体内产生的位移远小于物体自身的几何尺度，即应变远小于1 时，可按 一阶无穷小线性应变度量物体的实际应变，这是按线性化处理小变形问题的常用 方法。在此前提下，建立物体平衡方程时可以不考虑物体变形前后位置和形状的 差异，直接将力平衡方程建立在变形前的位形上，大大简化了实际问题。然而， 许多实际问题并不符合小变形的假设，在金属塑性加工成形过程中，涉及到几何、 材料和边界的三重非线性的问题，对这类问题的处理方法，在很多方面与材料非 线性问题相似。不同的是，由于几何非线性效应，小变形情况的几何方程和平衡 条件不再适用，需要给出大变形下的应变和应力的度量以及平衡方程的表述。 2 2 i 应变张量：格林( g r e e n ) 应变和阿耳曼( a l m a n s i ) 西应变【6 【】 变形有伸缩、剪切和弯曲等多种形态，物体变形的基本标志是物体中质点之 间的距离发生了变化。因此可用质点间距离的变化来描述变形。在有限变形中应 变的度量方式有两种，即格林应变张量和阿尔曼斯应变张量。 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 1 1 格林应变张量 在初时刻两相邻的质点p ( x 。) 和o ( x 。+ d x ，) ，其间的距离为d l 。 她。) 2 = ( 村) 2 + ( 掰：) 2 + ( a ) 2 = 屯册；d x ， ( 2 1 ) 在终时刻，此两质点到达新位置p g ) 和q x 。+ d x ) ，其间的距离为d l 池) 2 = 慨。) 2 + 陋：) 2 + ) 2 = 毛出。d x ，( 2 2 ) 由于z ，= t ( x ，x 2 ，x 3 ) 和x ，= 置( 工i ，工2 ，x 3 ) ，假设这些函数连续可微，采用拉 格郎日变形量。上述两式得两点间距离的平方改变量为 扭) 2 一池。) 22 e o d x ，d x ， ( 2 3 ) 其中 = 互1l ( 6 ，甄o x , , 酉o x p 一岛 ( 2 4 ) 等式左边为标量，d x ，d x ，是二阶张量，由张量识别定理知毛是二阶张量，并 从