（机械设计及理论专业论文）三辊楔横轧轧齐曲线的研究.pdf

摘要 摘要 楔横轧是一种高效的轴类零件塑性成形新工艺和新方法。提高楔横轧 轴类零件产品外形尺寸的精度是目前楔横轧技术发展的一个重要内容。内 直角台阶的精确成形是楔横轧成形工艺中重要的组成部分。目前，对内直 角台阶成形尚处于研究阶段，而轧齐曲线是影响具有内直角轴类零件能否 精确成形的关键。为此，本文对三辊楔横的轧齐曲线问题进行了深入的研 究。 论文在分析前人研究的基础上，建立了三辊楔横轧轧齐过程中轧件的 精确几何模型。根据三辊楔横轧的特点，提出了轧件在轧齐段旋转2 石，3 周 的假设，以此为基础把轧齐过程分成三个阶段，两种情况，通过体积平衡 原理建立了各阶段内直角台阶轧齐曲线方程。 同时，应用p r o e n g n e e r 三维实体造型软件和a n s y s l s d y n a 非 线性有限元程序，以楔横轧模具和轴类件为研究对象建立了三维有限元分 析模型，对不同楔横轧模具轧制成形进行了模拟，获得了轧齐曲线在模具 各工艺参数下对轧制力的影响规律，对认识内直角台阶的轧件成形规律具 有重要意义。 一 在理论研究的基础上，设计了轧制内直角台阶的孔型，并进行了热轧 试验，检测了轧制过程的轧制力，测量了轧件几何尺寸和内直角台阶的外 形性状，证实了理论研究的正确。 本课题对完善楔横轧理论提供了理论基础、为楔横轧技术的应用和发 展开创了新局面。 关键词三辊楔横轧；轧齐曲线；直角台阶；有限元；工艺参数 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t c r o s sw e d g er o o l i n gi san e wt e c h n o l o g ya n dt e c h n i q u et op r o d u c es h a f t p a r t s i m p r o v i n ga c c u r a c yo fc r o s s w e d g er o l l i n gp a r t si sa ni m p o r t a n ta r e ai n d e v e l o p i n gc r o s s w e d g er o l l i n gt e c h n o l o g y a tp r e s e n t t h ee x a c t i t u d ef o r m i n go f i n n e rf i g h t - a n g l es t e pi st h em o s ti m p o r t a n tp a r ti nt h et e c h n i q u eo f c r o s s w e d g e r o l l i n gp r o c e s s n o w , t h er e s e a r c hi sn o tp e r f e c t i o no nt h ef o r m i n go ft h ei n n e r r i g h ta n g l es t e p ，a n dr o l l i n g - - e v e nc u r v ei st h ek e yo fe x a c t i t u d ef o r m i n go fi n n e r r i g h t - a n g l es t e p s o ，t h ep a p e rd i ds o m ed e e pr c s e a r c h so nt h er o l l i n ge v e n c a l v eo f t h e r i g h t - a n g l ea tt h r e ec r o s s w e d g er o l l i n g e s t a b l i s h e dt h ee x a c t i t u d eg e o m e t r ym o l do ft h er o l l e d p a r td u r i n gt h e r o l l i n gc u r s eo na n a l y z i n gt h er e s e a r c ho ff o r m e rp e o p l e b a s eo nc h a r a c t e r i s t i c o ft h r e ec r o s s - w e d g er o l l i n g , b r i n g i n gf o r w a r dp a r tr o l l i n g2 z 3d u r i n gt h e r o l l i n g e v e nc u r s e ，a n dd e p a r t i n g t h e t h r o u g hp r o c e s s t h r e e s t a g e s , t w o c o n d i t i o n s e s t a b l i s h i n gt h es h a p i n gc h i v ee q u a t i o n so fr i g h t - a n g l es t e pb y t h e o r yo f v o l u m eb a l a n c e i na d d t i o n , m a k i n gu s eo fp r o em o d e l i n gs o f r w a r ea n da n l y s i s l s - d y n a f i n i t ee l e m e n tt os i m u l a t i o nt h er o i l i n gp r o c e s s0 1 1t h ed i f f e r e c n c a ld i e s ，b y e s t a b l i s hf m i me l e m e n tm o d e lo nd i e sa n db i l l e t f i n d e di n f l u e n c er u l e so ft h e r o l l i n ge v e nc u r v eo np r o c e s sp a r a m e t e r st ot h er o l l i n gf o r c ed u r i n gt h er o l l i n g c o r s e ，i ti si m p o r tt ou n d e r s t a n dt h er i g h t a n g l ef o r m i n gr u l e s o nb a s eo f t h es t u d yt h e o r y , d e s i g n i n gt h eg r o o v eo f i n n e rr i g h t - a n g l es t e pt o c a l t yt h r o u g hh o tr o l l i n g ，a n dt e s t e dt h er o l l i n gf o r c e t h es k e t c ha n ds i z eo ft h e f i n a lp r o d u c ti sc o n s i s t e n tw i t he x p e c t e d t h i sp r o v et h er i g h to f t h e o r y t h i sp a p e ri sv e r ym e a n i n g f u lt op e r f e c tt h et h e o r yo fc r o s s - w e d g er o l l i n g r o l l i n g - e v e n , a n dc r e a tan e wa r e ao nt h eu s i n ga n dd e v e l o p i n gt h ec r o s s w e d g e r o l l i n gt e c h n i q u e k e y w o r d s t r i oc r o s sw e d g er o n i n g ；r o l l i n ge v e nc u r v e ；r i g h t - a n g l es t e p ；f e m ； t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r i i 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文三辊楔横轧轧齐曲线的 研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进行研究 工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发 表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签字绑椭日期：砧脚归日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 三辊楔横轧轧齐曲线的研究系本人在燕山大学攻读硕士学位期间 在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学所有， 本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本人完全了解 燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送 交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山大学， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部 分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密d ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 鲡琏娲 刃编 日期：力彩年扫月力日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 楔横轧工艺及其发展概述 1 1 1 楔横轧工艺简介 楔横轧( c r o s sw e d g er o l l i n g ) t 艺是一项少切削或无切削加工的新技 术，解决了锻造行业存在的一系列重大问题，很快引起了人们广泛的注意。 楔横轧经过几十年的发展，在提高生产效率和产品质量，节约原材料和设 备投资、降低生产成本等方面，显示出它的优越性，已经成为一种较为成 熟的轴类零件成形工艺。目前国内外认为楔横轧是生产某些轴类毛坯的最 佳工艺方法之一l l j 。 三辊式楔横轧的轧制原理：如图1 1 ，是在三个互相平行布置的轧辊 表面上装有相同形状的变形楔( 也有的变形楔和轧辊轴是一体的) ，轧辊 绕各自的旋转轴做等速同向旋转运动，靠变形楔和轧件之间的摩擦带动轧 件边旋转边碾压成形，即径向压缩，轴向延伸，实现阶梯轴的成形。轧辊 旋转一周便生产出一根或者数根阶梯轴 2 - q 。 1 一轧件2 一变形楔3 一轧辊 图1 - 1 楔横轧轧制原理图 f i g 1 if o r m i n gp r i n c i p l eo f t h r e er o l lc r o s sw e d g e 燕山大学工学硕士学位论文 楔横轧加工过程中工件经受局部变形，连续局部变形的积累最终使工 件成形。楔形突起在圆柱棒料上压出一个v 形槽，称为楔入过程。接下来 在与模具的接触压力下v 形槽扩展，这是展宽过程。最后是整形部分，将 成形后的工件外形进行精整，使其表而光洁，尺寸精确。与之对应的成形 楔上的三个部分：即楔入段、展宽段和精整段。如图1 2 ，成形楔上的成形 角盯、展宽角口、楔高h 对轧件金属的变形影响很大，是工艺设计中必须考 虑的重要参数。 图1 - 2 模具几何参数不总图 f 晷l - 2g e o m e t r yp a r a m e t e r so f d l e 楔横轧作为一种高效节能、节材、适于批量生产各种轴类零件的金属 塑性成形新工艺，其产品广泛用于汽车、拖拉机、摩托车、自行车、发动 机、油泵和水泵等机器上的轴类零件。它的发展和推广对国民经济具有巨 大的影响力。纵观国际国内情况，不难看出，楔横轧产品凭着其卓越综合 经济技术优越性，在许多领域中已表现出十分广阔的前景。因此研究三辊 楔横轧具有很好的理论意义和实用价值。 1 1 2 楔横轧工艺的发展概况 1 1 2 1楔横轧工艺在国外的发展概况早在十九世纪人们就研究用楔横 轧的方法生产轴类零件，由于技术上的问题，一直未能应用于生产。直到 上世纪六十年代初，原捷克斯洛伐克的工程师j i r ih e l u b 首次将楔横轧技术 2 第1 章绪论 应用于工业生产，随后在莱比锡国际会上展出，得到人们的广泛重视。从 此，在世界上出现了用楔横轧工艺成形轴类零件的新方法和新工艺。 二十世6 0 年代后期，原东德的埃富特( e r f u r t ) 公司研究制造了 u w q 4 0 0 * 4 0 0 型板式楔横轧，再次在莱比锡春季博览会上登场，并且获得 了金奖。为楔横轧工艺的应用和推广起到了积极的促进作用。 早在六十年代，前苏联就出版了机器制造中的楔横轧等有关楔横 轧方面的著作。此外，对轧制时金属的变形形式，接触面和自由面的几何 关系，以及轧制过程中的稳定条件、力、能以及效率的计算，工艺过程的 计算方法，轧制时所产生的缺陷等，都做了一系列的论述1 9 7 3 年，全苏 电工设计院成功研究了圆弧式楔横轧机，完全自动加工，并成功地在新西 利亚工具厂生产2 2 x 2 4 m m 的扳手坯料。1 9 7 4 年高柏林斯克工具厂也采用 了这一轧机。苏联机械制造与工艺研究院于1 9 7 6 年研制成功二台全自动的 楔横轧机。这种全自动的楔横轧机已成功的在买里托保利斯基拖拉机液压 部件厂投入生产。其后，全苏电工设计院又宣布研制成功了冷楔横轧机， 并成功的冷轧管状点加热器的接触器，所得到的轧件尺寸精度达到了三级， 表面光洁度达6 7 级。前苏联明斯克j ii r l 7 e l 用楔横轧生产球头销，材料利 用率达到8 0 。 随后，日本、美国先后将楔横轧技术运用于实际生产中，并取得了相 当大的经济效益。 美国通用汽车公司成功的利用辊式楔横轧机为连杆生产坯料，材料利 用率达到9 8 ，每小时产量9 0 0 州5 1 。 在日本，对楔横轧理论进行了系统研究，为楔横轧的应用和发展开创 了新局面。粟野泰吉、团野敦在阶梯轴热楔横轧的研究中，通过对轧辊凸 起与坯料间接触面积的计算，以及轧制力与接触面积的关系，利用实际轧 制时所测定的轧制力与轧制力矩的数据，求出了在计算中所需的系数，从 而推导出计算轧制时作用于轧辊上的力与力矩的半经验公式。除此之外， 他们还研究了轧件的金属流动规律，为避免内部孔隙出现而确定适宜的展 宽角和成形角的范围等课题。 叶山益次郎在1 9 7 1 年著书出版了回转塑性加工学，书中从理论上 燕山大学工学硕士学位论文 对楔横轧进行了较为细致的分析。明确指出：径向力、切向力及轧制力矩 因轧辊的成形角、展宽角、毛坯直径、材料、温度以及断面收缩率等参数 的变化而变化。此外，他根据横轧中产生径向拉伸应力的近似式确定了阶 梯轴在楔横轧中的径向拉伸应力，从而对缺陷发生机理进行了分析，获得 了一些较为有用的结论。 在工艺上日本佐藤公司引进东德的e r f u r t 板式楔横轧新技术，建成生产 汽车用齿轮轴的楔横轧生产线。并研究了用电子计算机自动设计模具和计 算模具各个截面的各项参数以及通过绘迹器将他们自动显示出来，从而大 大简化了模具设计和制造过程。 国外采用电子计算机选择最佳工艺方案。最合理的工艺方案应是零件 成本最低、模具寿命最长和工作能力最大等。要满足这些条件，影响因素 很多。国外己将诸多因素输入计算机中。计算机即可输出最佳方案，调试 一次成功。因此，大小批量生产均可适用，为推广楔横轧工艺开创了良好 的局面。 1 1 2 2 楔横轧工艺在国内的发展概况我国早在二十世纪5 0 年代就开始 楔横轧工艺的探讨和试验工作【6 t 7 】。6 0 年代初，重庆大学最早进行了汽车 球销的试验研究工作，并获得初步成功。这是我国楔横轧工艺走向成熟的 最早尝试，但由于某些原因未能应用于工业生产。 7 0 年代初，原东北大学在实验室试轧出火车d 轴的模拟件，这个产品 的试轧成功为大型变截面的楔横轧应用开创了先例，但由于三辊楔横轧轧 机结构复杂，未能应用于生产。7 0 年代中后期，由上海锻压机床三厂首先 将楔横轧应用于生产，并收到了良好的经济效益。他们采用单辊弧形楔横 轧成功轧制双头呆板手、鲤鱼嘴钳等。楔横轧鲤鱼钳毛坯的投产为我国扩 大楔横轧的应用提供了范例，但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，故一直没有得到推广 8 , 9 1 。 北京科技大学从7 0 年代初开始，在孔型斜轧基础上开展了楔横轧技术 的研究和推广工作，先后帮助工厂建成楔横轧生产线9 0 多条，出口美国7 条，开展并应用生产零件3 0 0 多种。我国现已是世界上开发产品最多的国家 之一【6 1 。在楔横轧技术应用于生产收到较明显的经济效果的同时，研究人 4 第1 章绪论 员在楔横轧理论及变形规律进行了卓越的研究，包括各种工艺参数对轧制 力、轴向力、切向力的影响空心件的轧制；冷楔横轧及工艺参数：中心疏 松及产生机理；旋转条件，轧制半径、轧齐曲线和孔型的计算机辅助设计 方面做了大量的研究，并取得了卓越成绩，对完善楔横轧理论做出了巨大 的贡献。此外他们在开发众多产品的基础上，编制了模具设计系统软件， 并己实用化，实现了模具设计c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) ，既提高了模 具设计的速度，又保证了质量。在模具的c a m ( c o m p u t e ra i d e d m a n u f a c t u r i n g ) 上也做了尝试，并取得了良好的效果，现在正在作进一步的 完善工作，使之完全实用化。许多研究人员正在为实现楔横轧模具的 c a d c a p p c a m 而努力工作。 吉林工业大学和北京机电研究所在楔横轧技术的理论与应用方面也做 了深入的研究。如提出了多楔同步楔横轧理论及工艺【1 们。楔横轧变形载荷 的计算，偏心阶梯轴成形技术【1 ”，应用光塑性物理模拟方法研究了楔横轧 三维变形规律、空心件楔横轧的旋转条件、压扁失稳条件与壁厚变化规律 1 2 1 楔横轧变形区前沿变形程度、楔横轧工艺两次轧制时断面收缩率的分 配，楔横轧轧齐曲线的计算【1 3 1 等等。 机械工业部北京机电研究所也在楔横轧技术的研究与应用方面做出了 贡献。主要的工作是把楔横轧这种高效精确的成形方式作为变形的一种先 进手段，广泛应用于精密锻件的生产体系中，为精确成形提供体积分配合 理、形状尺寸精确的毛坯，从而扩大了楔横轧应用范围。根据制坯中往往 需要变形量超过一次变形极限的实际情况，提出了楔横轧= 次变形量分析 的理论公式与计算图表【1 4 】。另外，原机械部的济南铸锻研究所、郑州机械 所也开展了楔横轧的研究与开发，并取得了一定进展。 我国经过多年的理论研究和大量的实验及生产实践，己经建立了轧制 原理，轧齐原理、轧制压力与力矩、模具设计等基本的楔横轧理论，这些 理论为轧机的系列化设计打下了基础。但楔横轧技术正在发展之中，许多 理论仍有待进一步认识和深化。 燕山大学工学硕士学位论文 1 2 轧齐理论研究现状 对于轧齐曲线的研究已经有了不少成果。北京科技大学的胡正寰院士 和武汉汽车齿轮厂的朱人杰对轧齐理论作了许多的研究，最先阐述了内直 角台阶楔横轧的成形过程，首次采用体积平衡原理推导了作为过渡段孔型 设计理论根据的直角台阶轧齐曲线方程。特别是北京科技大学零件轧制研 究与推广中心通过系统而全面的研究，在直角台阶精确轧齐曲线方面首次 提出了轧齐过程的三个阶段、两种情况，从总体上把握了楔横轧直角台阶 轧齐的全过程，并推导出了斜台阶、凸圆弧和凹圆弧台阶的轧齐曲线。他 们的研究成果在轧齐理论研究上具有重要的意义，并为以后的研究提供了 重要的依据，打下了坚实的理论基础。但是，除了直角台阶考虑了螺旋体 的部分外，其它的几种情况都没有考虑，而是采用圆锥面代替成形螺旋面。 由于在推导过程中没有考虑到模具在螺旋台中所占的体积，并在计算体积 转移时做了一些简化，从而使得精确度有所降低。之后，扬州冶金机械厂 的研究人员张鹏对两辊楔横轧轧齐曲线也进行了论述和推导。 通常所了解并掌握的是单个内台阶的轧齐问题。但有些产品上的两个 甚至多个内台阶间的距离靠的较近，形成所谓密集台阶。在直角密集台阶 轧齐曲线方面，北京科技大学的张康生和胡正寰做了很多的工作【1 5 】，分析 了具有密集性质的直角台阶轧齐问题，提出了里台阶轧齐曲线相对独立， 不受外台阶及大于里台阶半径的体积影响；而外台阶轧齐曲线则受里台阶 的影响，即当里外台阶轧齐曲线同时出现时，里台阶轧齐曲线的提前量就 是其本身值，外台阶轧齐曲线的提前量则是其本身值与相应的里台阶轧齐 曲线提前量值的叠加，从而形成了叠加的基本思想。逐个分析了密集台阶 存在的四种状态，推导出了各种状态下每个台阶的轧齐曲线方程，并给出 了各种状态的判别式及各方程的区间。 在采用楔横轧工艺生产阶梯轴类零件时，经常遇到带有两个内直角台 阶的阶梯轴【1 6 】，这样的阶梯轴可以用两个独立的楔形先后对两个台阶分别 轧制成形。但这样做由于两个楔形有各自独立的楔入段和展宽段，而使模 第1 章绪论 具的辊面长度大大增加，同时还会浪费模具材料和影响生产效率。对于某 些变形部分尺寸稍大的零件可能由于辊面长度不够而使其不能完全变形。 为了充分利用辊面长度，以充分发挥设备的能力和楔横轧工艺的长处，这 样的台阶轴可以由一个成形斜面通过改变楔高来连续的实现两个内直角台 阶的成形。文献 1 6 介绍了采用一个楔形的成形斜面通过改变部分楔高的 方式，连续的实现两个内直角台阶成形的方法，分析了在轧齐曲线的设计 计算方面与只有一个内直角台阶时的不同之处和具体的设计计算方法。这 种技术在楔横轧领域的应用，对于扩大设备的生产能力，扩大楔横轧技术 的应用范围都发挥了良好的作用。 1 3 三维有限元技术在金属塑性成形中的应用 金属塑性成形，是指通过金属变形或流动把工件改变成所要求形状， 其过程是一个复杂的弹塑性大变形过程，影响因素众多，如模具形状、毛 坯形状、材料性能、温度及工艺参数等均有影响【l ”，该过程涉及到几何非 线性、材料非线性、边界条件非线性等一系列难题。金属塑性成形理论的 内容主要包括：研究金属屈服和流动的基本规律，确定各种成形加工过程 中力能参数的计算方法，研究金属塑性变形的微观机理等。 目前，用于研究金属塑性成形理论的方法主要包括数学解析法、主应 力法、滑移线场法、极限分析法、直观塑性法、密枷云纹法以及塑性有限 元法 1 8 - 2 1 】。其中塑性有限元法作为一种近似程度很高的计算方法，得到了 广泛应用。随着塑性加工理论的发展，高速大容量计算机的普及和计算技 术的进步，许多关于塑性变形体中应力、应变的新计算方法已逐渐得到广 泛的应用。应用现代科学技术在零件轧制领域进行全面、深入的研究，突 破轧制变形机理中的一些关键问题在当前不仅是客观需要，而且也具备了 可能性。 越来越多的人在塑性有限元的发展和应用上进行着研究和尝 试：k o b a y a s h i 和c h e n 采用刚塑性有限元法对轴对称闭式模锻过程进行了有 限元模拟圜，结果与实验结果吻合较好。p i l l i n g o r 通过限制摩擦条件为无摩 擦和粘着摩擦分析了铝连杆锻造过程 2 3 1 。y a o m i nd o n g 和t a g a v ik a ，l o v e l l 7 燕山大学工学硕士学位论文 等人分析了板式楔横轧的成形过程，认为楔横轧轧件的内部缺陷主要是因 为第一主应力超过材料屈服极限所引起的【2 4 彩】。北京科技大学零件轧制中 心的杨翠苹对楔横轧展宽段轧制过程进行了模拟仿真，得到了有价值的结 论供实践参考，并对一些现象第一次从数值模拟的角度给出了合理解释， 以较为成功的楔横轧轧制过程的模拟实践为楔横轧的理论研究开辟了途径 圆【2 8 】；王红梅对楔横轧展宽段轧制过程成功地进行了三维热一力藕合有限 元仿真，在仿真过程中获得了轧制力能参数、应力应变场、温度场等方面 大量的数据和图像【2 9 l 。 零件轧制理论研究由经验到定量分析，这是现代科技发展的必然趋势。 有限元技术和计算机仿真分析与传统的经验法相比具有许多优点，例如能 完整提供整个计算域内所有有关变量的数据，在某些场合避免了物理实验， 因而缩短了从产品设计到制造的周期，减少了试制费用。采用三维有限元 数值模拟，可得到金属塑性变形过程的金属流动、应力应变、温度分布等 规律，也可以进行模具受力分析，并能预测出可能的缺陷及失效形式为 合理选择楔横轧工艺参数，优化模具的性能提供了参考，并为楔横轧理论 的进一步探索和研究提供了有力的工具。 1 4 课题研究内容与选题的意义 1 4 1 课题研究内容 国外，三辊楔横轧是为了克服二辊式易于产生轴心质量问题的倾向提 出的，与二辊式相比，它的突出优点是轧件质量好，轧制稳定，能够全面 满足研制目的的要求，可成为合理的车轴生产方法。随着产品质量要求的 不断提高，要求轧制出的产品有精确的外形和小的尺寸误差，因此本课题 从轧齐曲线方面研究影响楔横轧质量的问题。 前人在二辊楔横轧轧齐方面已经作了些研究。但这些算法和公式在计 算转移体积时，往往用圆锥曲面代替成形螺旋面，造成较大的误差，在实 际生产中经常需要经过多次实验与修正才能轧出合格的产品。本文在分析 楔横轧内直角台阶成形过程中各种主要几何影响因素的基础上，建立了符 第l 章绪论 合实际的内直角台阶的几何模型和数学模型，和轧件扎轧制过程中的旋转 半径。根据轧件几何形状建立了各部分体积的求解积分式，计算出各阶段 轧件螺旋斜锥体的体积，根据体积不变原理，得到精确的楔横轧轧齐曲线。 通过大型商用有限元软件a n y s y l s - d a n y 来模拟楔横轧的轧制过程，输出 轧齐的各阶段图形，并研究各主要工艺参数对轧齐曲线的影响及轧齐曲线 对轧制力的影响。最后通过试验验证所建立理论的正确性。 1 4 2 选题的意义 楔横轧技术在中小形阶梯轴类锻件上有明显的技术优势，八十年代以 来在国内外得到较快的发展。提高成形精度和节省材料是这种技术发展的 两个主要的方面。楔横轧在成形内直角台阶时，要有一个轧齐过程，在楔 横轧工艺设计中，轧齐曲线的设计计算是一个很重要的内容，曲线设计的 好坏直接关系到产品的质量。本课题主要研究直角台阶精确轧齐曲线设计 的理论公式，目的在于提高轧齐曲线设计的精度，为楔横轧技术的提高、 孔型的设计、完善楔横轧理论提供理论基础，为楔横轧技术的应用和发展 开创了新局面。 9 燕山大学工学硕士学位论文 第2 章楔横轧的有限元分析理论 2 1 三辊楔横轧的特点 国外，三辊楔横轧是为了克j l , z 辊式易于产生轴心质量问题的倾向提 出的，与二辊式相比，它的突出优点是轧件质量好，s l 铝r j 稳定，可成为理 想的轴类加工方法。 三辊楔横轧轧机的特点是：采用轧辊倒三角布置结构形式，使轧制工艺 简化，并为轧辊冷却工艺提供了方便条件；采用轧辊压下自动调整系统， 既可同步调整两个上辊，也可以实现单辊调整，从而节省轧辊的调整时间、 降低劳动强度、提高了效率；采用矩形差数齿相位调整机构简单、灵活； 轧机结构简单，低速低功率。 轧件质量取决于在变形过程中轧件的变形和受力状态，即取决于变形 力学图。三辊楔横s l s l 件是在三个主动的对轧制线互成1 2 0 。布置的轧辊形 成的变形区中变形。由于轧件在三个轧辊之问边转动边承受径向压缩，基 本上处于静压平衡状态，轧辊从三个方向上来阻止金属横向流动，所以横 向扩展很小，由此引起的横断面上承受着两向压应力的作用，抑制着晶间 裂纹，消除了形成内裂纹的力学条件。另外，三辊楔横轧的工艺特点决定， 为增大轧件在轧制过程的旋转圈数，必须尽量使用大直径轧辊，辊缝值常 以空载时辊面不相磨为准，故而变形深度大，基本接近均匀变形。因此纵 向附加拉应力小，使轧件轴心接近于三向压缩应力状态，和一向延伸的变 形状态的组合，是发挥金属塑性变形的最有利的变形力学图，消除了轧件 轴心出现疏松和孔腔的可能。由于轧件横断面上接近均匀变形，无刚性核 存在，消除了弹塑性过渡区及其间地剪切变形，从而消除了形成环裂的条 件。此外，三辊楔横轧的另一特点是在整个变形过程中，轧件始终在轧辊 作用之中实现连续变形，造成稳定流动的力学条件，无局部冲击大变形， 消除了局部裂纹产生条件，并且轧件在变形区中的停留时间长达3 2 5 s ，因 此动力学恢复过程，即再结晶过程完全消除了晶内和晶间应变造成的硬化 作用，提高金属塑性，更使出现裂纹的几率和可能性降低。在三辊楔横轧 1 0 第2 章楔横轧的有限元分析理论 的轧制过程中，注意到三个轧辊对轧件的作用力的合力置，r ：和b 永远不 会平行，如图2 - 1 。因此轧件轴心亦无由外力产生的剪应力和形成空腔的条 件。由于轧件在三个轧辊之间变形，不需要用导板，消除了轧件表面刮伤 的可能性，从而保证了轧件表面质量，并使轧机调整简化。国外三辊楔横 轧的研究【3 0 】和国内外穿孔工艺的研究及生产实践都证实了上述理论分析结 果。 图2 1 轧件受力分析 f 谵2 i t h e5 t r e $ sa n a l y s e sc h a r to f w o r k p i e c e 2 2 楔横轧三维变形的有限元分析 有限元法的总体思想是将一个连续的、具有无限多个自由度的整体划 分成具有有限个自由度单元的集合体，通过对单元求解实现对整个连续体 的数值逼近。其基本过程是将求解未知场变量的连续介质体划分为有限个 单元，单元用节点连接，每个单元内用插值函数表示场变量，插值函数由 节点值确定，单元之间的作用由节点传递，建立物理方程。将全部单元的 插值函数集合成整体场变量的方程组，然后进行数值计算。 楔横轧的轧制过程中，模具与轧件的接触面是一个复杂的空间曲面， 轧件的变形是立体的，不均匀的，变形的过程比较复杂，属于一个典型的 几何、材料、边界三重非线性问题，对其影响因素的研究很多还很不成熟。 人们曾用密栅云纹法、滑移线法、上限法、光塑性法等来研究楔横轧轧件 截面上的应力、应变和金属流动规律。对认识并解决楔横轧中的某些理论 燕山大学工学硕士学位论文 与实际问题起到了积极作用。但是上述方法的一些前提假设，如滑移线法 把它看作平面问题，与实际相差很大；或者由于实施中的问题，许多情况 做不出结果例如密栅云纹法与光塑性法在断面收缩率较大的情况下都难 以做出结果，或者结果较差。所以从2 0 世纪9 0 年代末本世纪初，英国、美 国中国相应开始用有限元数值模拟方法来解决楔横轧复杂塑性成形问题i ”。 随着计算机技术迅速发展，及有限元方法对实际工程问题解决的日趋 成熟，为塑性有限元数值模拟创造了有利条件，美国的董耀明、李强、m i c h a e l l o v e l l 等人尝试用有限元对楔横c l t f l n 铝棒进行分析，重点研究铝件心部产 生缺陷及滑移现象的原因和影响因素1 3 ”4 1 ，北京机电所的刘桂华等也用有 限元初步计算了楔横轧的轧制过程 3 5 1 ，但都没有对三辊楔横轧轧齐过程进 行全面的动态研究，所以本课题利用三维有限元分析随着工艺参数的改变， 轧齐曲线对轧制力的影响规律。 2 3 弹塑性有限元法的基本理论 根据金属材料非线性的本构关系不同，有限元法主要分为以下四种类 型，即弹塑性有限元法、刚塑性有限元法、弹粘塑性有限元法、刚粘塑性 有限元法【3 6 】。有限元模拟的准确性很大程度上取决于本构关系能否真实反 映材料的真实特性。在金属塑性成形有限元仿真中，采用刚( 粘) 塑性材料模 型时，忽略弹性变形影响，计算量较小，求解效率较高。但无法对卸载过 程进行模拟，不能预测回弹、残余应力等 3 7 ，3 8 1 ；而弹( 粘) 塑性在成形中既有 塑性变形又有弹性变形，较为符合金属成形的真实情况。在求解金属塑性 成形问题时，可以得到最能反映真实情况的鳃，求解精度高，所以本课题 采用弹塑性有限元法进行求解。 弹塑性有限元法采用p r a n d t l r e u s s 方程作为本构方程，求解变量是单元 节点的位移增量，该方法的主要优点是考虑弹性区与塑性区的相互关系， 不仅可以得到塑性区的扩展，工件内部应力和应变分布以及变形力等信息， 而且可以考虑卸载问题，计算残余应力、残余应变和回弹。它是分析金属 弹塑性加载和弹塑性卸载问题较为完善的方法。许多研究者用弹塑性有限 元法对锻压、挤压、轧制等塑性成形问题进行了分析，得到了塑性区在工 第2 章楔横轧的有限元分析理论 件中的扩展过程，工件中应力应变分布以及加工力等结果。弹塑性有限元 法的缺点是对于处理金属变形较大的塑性加工过程时，所需的计算时间相 对较长。 2 3 1 材料屈服准则 屈服准则又称塑性条件、屈服判据，它是变形体内质点由弹性变形状 态向塑性变形状态过渡的力学条件，它主要取决于变形体的材质和状态。 屈服准则是建立在假说的基础上的，它需要经过试验的验证。目前，常用 的屈服准则有两种，屈斯卡( 1 i r e s c a ) 屈服准则和米赛斯( m i s e s ) 屈服准则口9 ，4 0 】。 2 3 1 1 屈斯卡屈服准则( 最大切应力条件)屈斯卡根据自己的试验结果 认为，最大剪应力达到某定值时，材料就发生屈服( 塑性变形) ，即： t m a x = c ( 2 1 ) 式中c 只取决于材料在变形条件下的性质，而与应力状态无关 由于屈服时的定值c 与应力状态无关，故可由单轴向均匀拉伸( 或压缩) 试验或薄壁管扭转( 纯剪) 试验确定。单向均匀拉伸屈服时：如= 玛= 0 ， q = 吒，所以最大剪应力为：龟= o 1 - - 0 3 = 粤= 导，该剪应力也等于纯剪 二二二 屈服时的剪应力k 。故式( 2 - 1 ) 的定值c 为：c = 0 5 吒= k 。假定q 吒c r 3 ， 则屈斯卡屈服条件可写成： h c r 3 i = = 2 k ( 2 - 2 ) 由于上式左侧只有主应力差，故屈斯卡条件又称为主应力差不变条件。 可见，对于屈斯卡条件，单轴向拉伸屈服应力等于两倍的屈服剪应力。 2 3 1 2 米赛斯屈服准则( 能量条件)米赛斯屈服准则是由米赛斯提出的 塑性条件，它可叙述如下：当等效应力达到某定值时，材料即发生屈服， 该定值与应力状态无关，或者材料处于塑性状态时，其等效应力为一定值。 因此，米赛斯屈服准则可写成下式： 燕山大学工学硕士学位论文 瓜i 而i 再i 玎丽：c ( 2 3 ) 由于常数c 与应力状态无关，所以也可由单向均匀拉伸或纯剪切试验 确定： ( 1 ) 已知单向拉伸时材料在q = q 条件下开始屈服，而且此时 吒= 巳= o ，代入式( 2 3 ) 后得：盯= q = 吒= c ，即定值c 与屈斯卡屈服极 限条件相同，都是单向均匀拉伸时的屈服应力正； ( 2 ) 己知纯剪时屈服剪应力为f = k ，将纯剪时的应力条件 呸= o ，q = 喝，q = f = k 代入式( 2 - 3 ) ，可得：孑= c = , i l k 。于是，米赛 斯屈服条件的表达式可写成： ( o l c r 2 ) 2 + ( c r 2 一吧) 2 + ( c r 3 一q ) 2 = 2 蠢- - 6 k 2 ( 2 - 4 ) ( c r i - g ) 2 + ( c r y c r x ) z + ( 吒一c r x ) 2 + 6 ( 21 一k 2 叶r 。2 ，= z q 2 = 6 k 2 ( 2 5 ) 根据有关公式可以导出米赛斯屈服准则的物理意义，即当材料中单位 体积的弹性变形能达到某定值时，材料就屈服，该定值与应力状态的种类 无关。因此，米赛斯屈服准则也称为能量不变条件。由式( 2 5 ) 可见，对于 米赛斯条件，单轴向拉伸屈服应力等于屈服剪应力的3 倍，即o - , = 怕k 。 2 3 2 弹塑性有限元法的本构关系 弹塑性应力与应变关系一般采用普朗都一路斯( p r a n d t l r e u s s ) 假设表达。 根据米赛斯屈服准则，当变形体内的等效应力小于屈服极限时为弹性状态。 当外力增加到某一个值，等效应力达到屈服应力，材料进入塑性状态，这 时变形包括弹性变形和塑性变形两部分，即 d 占) = d s ) 。+ d 占 。 ( 2 6 ) 其中下标e 、p 分别表示弹、塑性。 在弹性阶段应力与应变关系符合虎克定律，进入塑性状态后符合普朗 都一路斯假设，下面分别讨论。 2 3 2 1 弹性阶段在弹性阶段，应力和应变的关系是线性的，应变仅决定 于即时的应力状态，与变形过程无关，而且一一对应，有下列全量形式 1 4 兰! 童堡堡塾堕互堡歪坌堑墨笙 盯 _ 【d 】。 ( 2 - 7 ) 其中【d 】。为弹性矩阵( 下标e 表示弹性) ，对各向同性材料由广义虎克定 律可得； d 1 ：一e 1 。 i + p l y 1 - 2 y 矿 1 2 y v 1 _ 2 l ， 1 一l ， 1 2 l ， l ， 1 - 2 y o0 l 0 00 1 2 v y 1 2 y 1 一y l - 2 y o o0o o0o 0oo oo0 三00 o 三o ， 0o 三 式中p 泊松比 2 3 2 2 弹塑性阶段当材料所受外力达到一定值时，等效应力达到屈服极 限。应力与应变之间的关系由弹塑性矩阵【d 】哪( 下标印代表弹塑性) 决定。 在弹塑性阶段，有： d c r = ( 【d 】。一【d l ) d 占 = 【d 】c p d s ( 2 - 9 ) 其中【d 】。可用显示表示为： 【。】，2 两9 帝g 2 s ：s x s ys z s ：s 。 s ；s y s ：s y z x y s ：& 砖 对称 s 。乇 s y s ：k s 。k s ，乇 s ：k 乞 石乞 吃 ( 2 - i o ) 燕山大学工学硕士学位论文 2 4 仿真所用软件a n s y s l s d y n a 介绍 2 4 1 选用a n s y s l s d y n a 软件的原因 目前比较适合于楔横轧工艺的两个大型软件是a n s y s l 4 l 4 2 】，d e f o r m 。 d e f o r i l l 主要是采用刚塑性有限元法，而且后处理能获得信息量有限； a n s y s l s d q a 有限元仿真软件，能够模拟真实世界的各种复杂问题， 特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型( 如 冲压、锻压、铸造、挤压、轧制、超塑性成形等) 等高度非线性动力学问题， 同时可以求解传热、流体及流固藕合问题。此外，该软件具有友好的用户 界面，还具有高效的求解器及强大的后处理功能，极大方便了学习和使用。 北京科技大学的马振海等人用a n s y s l s - d y a n 软件对楔横轧成形过程进行 非线性有限元模拟，分析了轧件端头凹心【4 3 彤j 产生的原因，并且将计算结 果和实验结果进行了对比分析，验证了模拟结果的正确性；美国肯塔基大 学的y a o m 协d o n g 等人采用有限元分析软件a n s y s l s - d y n a ，模拟分析 了楔横轧楔入段( k n i f i n gz o n e ) 及楔入平整段( g u i d i n gz o n e ) 的轧制成形过 程，分析了滑移现象的产生原因及影响因素，得到了轧制过程中的应力应 变情况，并且与实验结果进行了对比，验证了模拟结果的可靠性【4 5 。4 剐。 鉴于传统工程分析方法研究楔横轧存在的困难性，a n s y 儿s - d y a n 软件 分析高度非线性问题具有较大的优越性，以及目前国内外研究员使用 a n s y s l s d y a n 仿真楔横轧轧制过程存在的可行性，因此本课题选用 a n s y s l s d y a n 软件进行模拟分析。 2 4 2 仿真软件a n s y s l s d y n a 简介 典型i 拘a n s y s l s d y a n 分析过程可以分为三个步骤：首先创建有限元模 型，即前处理模块( p r e p r o c e s s o r ) ，主要包括单元类型选择、材料模型的建立、 几何建模、网格划分、接触定义等；其次施加边界条件及载荷进行求解， 即分析求解模块( s o l u t i o n ) ，最后有施加约束、初始条件、施加载荷、输出 控制，计算求解等；3 、查看分析结果，即后处理模块( o e n e r a lp o s t p r o c 和 t i m e h i s tp o s t p r o c ) 。a n s y s l s d y a n 舢e 菜单正是按照以上层次结构进行逻 1 6 第2 章楔横轧的有限元分析理论 辑分类、逐层定义的，方便学习和使用。 2 5 仿真模型的构造 根据研究的需要，用三维实体造型软件p r o e n g i n e e r 构造了仿真所需的 几何模型，并实现了模具的参数化功能，然后导入a n s y s l s d y a n 进行物理 模型的构造。 2 5 1 几何模型的构造 a n s y s l s d y a n 的前处理模块具有简单几何造型功能，但对于复杂几何 形体的构建显得比较困难。由于所研究的模具形体较复杂，况且在仿真过 程中需反复修改、试算，因此本文借助于大型c a d 专用软件p r o e n g i n e e r 先行建立三维实体参数化模型【4 9 5 1 1 。再将满足要求的模型以标准的图形交 互文件格式i g e s 输出，并导入a n s y s l s - d y a n 作为有限元分析的几何模型。 图2 - 2 三辊楔横轧轧制模型 f i g 2 2 t h em o d e lf o r3 - r o l lc r o s sw e d g er o l l i n g 三辊楔横轧模具一般包括四个区段，即楔入段、楔入平整段、展宽段 及精整段。但实践表明，取消楔入平整段对轧制过程的稳定性和产品的质 量均无大的影响。因此，本课题采用的几何模型也取消了楔入平整段，这 样不仅简化了几何模型，更重要的是节省了模拟所需的机器时间。有时为 了方便网格划分和避免奇异点的产生，往往在保证算精度的前提下，对模 燕山大学工学硕士学位论文 型进行适当的简化。在p r o e n g i n e e r 下构造的几何模型如图2 2 所示。 2 5 2 物理模型