（机械设计及理论专业论文）轴类件的柔性辊轧成形理论及工艺研究.pdf

成形理论和工艺进行了深入系统的研究。 在理论分析的基础上，提出了柔性辊轧工艺的基本参数，从运动学角度，分 析了轧轮和工件之间的运动关系，工艺参数与成形之间的关系，分析了轧件的旋 转条件及旋转条件和各工艺参数之间的关系，得到了工件与轧轮接触面的数学表 达式，这些分析结果，对于认识辊轧工艺提供了理论上的支持。 采用d e f o r m 3 d 商用有限元模拟软件，对柔性辊轧变形进行了三维模拟 分析，得到了轧件在成形过程中材料的流动规律，全场应力应交信息，温度场的 分布规律，力能参数等；对大量的模拟算例的结果分析，得到了成形规律与工艺 参数之间的关系；对轧件中心材料的受力状态进行了分析，得到了中心材料的损 伤变量的分布规律，损伤量的变化与试验结果具有良好的一致性，加深了中心材 料损伤机理的认识。这些结果对于设计制造实验用成形设备提供了基础数据。 在数值模拟结果的基础上，设计制造了可满足工艺要求的试验装置，对不同 的材料进行了热轧和室温下轧制实验，得到不同工艺参数下的轧制样件，实验结 果与模拟结果相互验证。采用电测法对轧制力能参数进行了测试，与理论计算结 果一致性较好，参数测试得到的结果对于实际应用轧机的开发和设计提供了理论 基础 关键词：柔性辊轧；数值模拟；工艺参数；力能参数；中心材料损伤。 a b s t r a e t a b s t r a c t s t e ps h a f tf o r g i n g sa l ew i d e l yu s e di ni n d u s t r i a lp r a c t i c e w i t ht h ed e v e l o p m e n t t r e n do fv e r s a t i l i t ya n ds m a l lm a s sp r o d u c t i o n , t h ef l e x i l er o l l i n gf o rs h a f tf o r g i n g si s v e r yi m p o r t u n a t e t h i sp a p e rp r e s e n t st h ep r o c e s so ff l e x i l er o l l i n gf o rs h a f tf o r g i n g a n ds t u d i e si t s t h e o r ya n dp r o c e s s , s u p p o r t e dw i t h n a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o no f c h i h a w i mt h e o r e t i c a la n dk i n e m a t i c a la n a l y s i s ，m a i np r o c e s sp a r a m e t e r s ，m o v e m e n t r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nr o l l e r sa n dw o r k p i e e eh a v eb e e np r o p o s e d t h er o t a r yc o n d i t i o n o fw o r k p i e c eh a sb e e np r e s e n t e da n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er o t a r yc o n d i t i o no f w o r k p i e c ea n dp r o c e s sp a r a m e t e r sa r co b t a i n e d m a t h e m a t i ce x p r e s s i o no ft h ec o n t a c t s u r f a c eb e t w e e nr o l l e ra n dw o r k p i e c ea l ea l s oo b t a i n e d t h o s er e s u l t sa r eh e l p f u lf o r u n d e r s t a n d i n gf o rt h i sp r o c e s s t h ed e f o r m a t i o no fp r o c e s sh a sb e e ns i m u l a t e dw i t hd e f o r m 3 df e m s o f t w a r e t h em a t e r i a lf l o w i n gl a w , s t r a i na n ds u e s sd i s t r i b u t i o n , t e m p e r a t u r ef i e l d , d e f o r m a t i o nl o a dh a v eb e e ns t u d i e d t h ec e n t r a lm a t e d a ld a m a g ed i s t r i b u t i o ni s o b t a i n e db a s e do i lt h ea n a l y s i so fc e n t r a ls t r e s sf i e l d , a n dt h er e s u l ti sc o n s i s t e n tw i m t h ee x p e r i m e n t t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ef o u n d a t i o no f t h er o l l i n gm a c h i n ed e s i g n t h ee x p e r i m e n t a lr o l l i n gm a c h i n eh a db e e nd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d t h e r o l l i n gs a m p l e sa l eo b t a i n e db yr o l l i n ge x p e r i m e n tw i t hd i f f e r e n tm a t e r i a l t h el o a d a l et e s t e dw i t l le l e c t r i c a lt e s tm e t h o da n dc o m p a r e dw i t it h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n t h o s e r e s u l t sa r eh e l p f u lf o rt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to f r o l l i n gm a c h i n e x u c h u n g u o ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) d i r e c t e db yp r o f r e ng u a n g s h e n g k e yw o r d ：f l e x i b l er o l l i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；p r o c e s sp a r a m e t e r ；d e f o r m a t i o n l o a d ；c e n t r a lm a t e r i a ld a m a g e 插图清单 插图清单 图1 1 德国s c h u l e r 公司的冷挤压生产线和典型件冷挤压件3 图1 2 楔横轧原理及形式4 图1 3 国内外生产的某些楔横轧零件4 图l - 4 北京机电研究所开发的高刚度楔横轧机4 图1 5 旋转锻造成形原理5 图1 - 6 旋转成形设备及生产线6 图1 7 轴向进给轧制加工的阶梯轴7 图1 8 有限元数值模拟模型8 图1 - 9 主应变分布图8 图1 1 0 轴向进给段接触应力分布和四个阶段图8 图2 1 成形原理图1 2 图2 2 成形过程示意图1 2 图2 3 轧轮基本几何参数图1 3 图2 - 4 轧件和轧轮的运动关系1 3 图2 5 可轧轧件形式1 3 图2 6 压入过程的运动分析1 5 图2 7 展宽过程的运动分析1 5 图2 8 简单横轧的受力图一1 7 图2 9 展宽阶段轧轮和工件接触面示意1 8 图2 - 1 0 极限压缩量、摩擦系数及轧轮与轧件直径比的关系曲线2 0 图2 1 1 轧入阶段进给速度与瞬时压下量的关系2 0 图2 - 1 2 轧入阶段瞬时压下量的变化2 1 图2 1 3 变形区旋转条件的变化2 3 图2 1 4 变形区内极限展宽角的分布2 4 图2 1 5 极限展宽角和摩擦系数、成形角的关系曲线2 4 图2 1 6 轧轮与工件直径比、轧轮个数与极限展宽角的关系一2 5 图2 1 7 柔性辊轧轧轮与轧件接触面示意图2 6 图2 1 8 接触界面局部放大图2 6 i l l 插图清单 图3 - 14 5 钢的流动应力曲线一3 7 图3 - 2 带槽圆环压缩模拟3 9 图3 3 平板圆环压缩模拟3 9 图3 - 4 相对压下量、圆环内孔直径变化量与摩擦系数的关系3 9 图3 5 横轧示意图4 0 图3 - 6 旋转体的速度示意4 0 图3 7 中心核示意4 1 图3 8 有限元数值模拟模型4 2 图3 - 9 轧轮参数4 2 图3 1 0 等效应力分布4 4 图3 1 l 等效应力沿径向分布4 5 图3 1 2 等效应力沿径向分布4 5 图3 1 3 不同断面缩减率的等效应力沿径向分布4 6 图3 1 4 轧轮参数一定，不同进给率的等效应力沿径向分布4 6 图3 1 5 等效应变分布4 7 图3 1 6 轧轮前角一定，不同轮宽的等效应变沿径向分布4 7 图3 1 7 轮宽一定，不同轧轮前角的等效应变沿径向分布4 8 图3 1 8 不同断面缩减率的等效应变沿径向分布4 8 图3 1 9 轧轮参数一定，不同进给率的等效应变沿径向分布4 8 图3 2 0 轧轮受力分量图4 9 图3 2 1 轧轮前角与轧制力关系曲线一5 0 图3 2 2 进给率与轧制力关系曲线5 0 图3 2 3 断面缩减率不同时b 与载荷分量的关系曲线一5 1 图3 2 4 轮宽不同时1 3 与载荷分量的关系曲线5 l 图3 2 5 轧轮前角不同b 与载荷分量的关系曲线5 2 图3 - 2 6 轮宽与轧制力关系曲线一5 2 图3 2 7 断面缩减率与轧制力关系曲线一5 3 图3 - 2 8 轧制过程中工件纵截面温度场分布5 4 图3 - 2 9 轧制过程中工件横截面温度场分布5 4 插图清单 图3 3 0 进给率不同时温度沿径向分布图5 5 图3 3 l 进给率不同时温度沿轴向分布图一5 5 图3 3 2 有无热力耦合等效应力沿径向分布5 6 图3 3 3 有无热力耦合轧轮载荷分量5 6 图4 1 柔性辊轧轧机总体结构简图5 9 图4 - 2 轧轮系结构总装示意图5 9 图4 3 轧轮轮系和导板机构5 9 图4 4 轧轮主传动机构6 0 图4 5 轴向进给传动结构6 0 图4 6 轧制过程6 0 图4 7 不同进给率加工工件6 0 图4 8 不同轧轮前角加工工件6 0 图4 9 不同断面缩减率加工工件。6 l 图4 1 0 自由端凹心6 1 图4 1 1 数值模拟与实验凹心对比。6 l 图4 1 2 扭转6 2 图4 1 3 滑移线场6 2 图4 1 4 接触面压力分解示意图6 3 图4 1 5 曲面，上摩擦力分解示意图6 3 图4 1 6 仪器连接图6 7 图4 1 7 径向力屹测量贴片位置6 7 图4 1 8 柱形传感器与径向丝杠受力输出比值标定6 7 图4 1 9 轴向拉力，y 测量方法图一6 8 图4 2 0 扭矩m 测量贴片位置及方法图6 8 图2 l 柱形传感器尺寸图6 8 图4 2 2 大号圆筒形传感器尺寸图6 8 图4 2 3 小号圆筒形传感器尺寸图及柱形传感器的安装图6 8 图4 2 4 滑环和电阻片的粘贴示意图6 9 v 插图清单 图4 2 5 柱形传感器标定曲线6 9 图4 2 6 圆筒形传感器标定曲线7 0 图4 2 7 轧轮心轴扭矩标定纯扭矩加卸载示意图7 0 图4 2 8 轧轮心轴扭矩标定曲线图7 l 图4 2 9 ，与s 、彤、e 、o - 关系7 2 图4 3 0 ，与力能参数分量的关系7 2 图4 3 1 口与接触面积和o 关系7 3 图4 3 2 口与力能参数分量的关系7 3 图4 3 3r o 与j ，轴向面积f l 关系曲线图7 4 图4 3 4 ，0 与扭矩m 关系曲线图7 4 图4 3 5 ，0 与径向力，x 关系曲线图7 4 图4 3 6 ，0 与轴向力以关系图7 4 图5 1 螺旋压痕7 6 图5 2 表面碎屑7 6 图5 3 1 不同成形角成形的轧件7 7 图5 3 2 局部隆起与成形角的关系7 7 图5 - 4 楔横轧局部隆起和柔性辊轧局部隆起7 7 图5 5 双成形面轧轮示意图7 8 图5 - 6 轧入阶段垂直于压入方向半径上的应力分析示意图8 3 图5 7 垂直于压入方向半径上等效应力和平均应力分布8 3 图5 8 垂直于压入方向半径上应力分量分布：一8 3 图5 - 9 轧入阶段平行于压入方向8 4 图5 1 0 等效应力和平均应力分布8 4 图5 1 1 平行于压入方向半径上应力分量分布8 4 图5 1 2 与压入方向成1 3 5 。半径上的应力分析示意图8 4 图5 1 31 3 5 0 半径上等效应力和平均应力分布8 4 图5 1 4 与压入方向成1 3 5 。半径上剪切应力分量分布8 5 、，i 插图清单 图5 1 5 与压入方向成4 5 度角8 5 图5 1 64 5 0 半径上等效应力和平均应力分布8 5 图5 1 7 与压入方向成4 5 0 半径上应力分量分布8 5 图5 1 8 垂直于压入方向半径上应力分量分布8 6 图5 1 9 轧制阶段平行于压入方向应力分布8 6 图5 2 0 轧制阶段1 3 5 0 半径上应力分布8 6 图5 2 1 轧制阶段4 5 。半径上应力分布8 7 图5 2 2 与压入方向垂直半径上应变分量分布8 7 图5 2 3 垂直于压入方向半径上等效应变和平均应变分布8 7 图5 - 2 4 平行与压入方向半径上应变分量分布8 8 图5 2 5 平行与压入方向半径上等效应变和平均应变分布8 8 图5 - 2 6 与压入方向成1 3 5 0 半径上应变分量分布8 8 图5 - 2 7 与压入方向成1 3 5 0 半径上等效应变和平均应变分布8 8 图5 2 8 与压入方向成4 5 。半径上应变分量分布一8 9 图5 2 9 与压入方向成4 5 。半径上等效应变和平均应变分布8 9 图5 3 0 轧制阶段垂直于压入方向半径上应变分布8 9 图5 3 l 轧制阶段压入方向半径上应变分布9 0 图5 3 2 轧入阶段横截面不同方向半径上损伤量分布9 0 图5 3 3 轧入阶段横截面不同方向上损伤量随时间变化曲线9 1 图5 3 4 轧制阶段横截面垂直与压入方向上损伤量随时间变化曲线9 1 图5 3 5 中心线上各点损伤量随时间变化曲线9 2 图5 3 6 轧制结束后中心线上各点损伤量分布曲线9 2 图5 3 7 轧制阶段损伤量随时间变化曲线9 2 v 表格清单 表格清单 表3 1 断面缩减率模拟方案4 3 表3 - 2 轧轮前角模拟方案4 3 表3 - 3 轮宽模拟方案4 3 表3 4 温度场模拟方案4 4 表3 54 5 # 钢的热物理参数5 3 表4 - 1 厂和展宽角的对应关系7 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究工作及取得的 研究成果。掘我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 扭越型堂班窒总瞳或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位敝作者魏孑缸印签字嗍础尹月卿 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解担越盈堂珏究盛院有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人授权扭越型堂疆究盟暄可以将学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 学位论文作者签名： 衔眵 导师签名： 签字闩期： 耐年夕月乒同 签字闩期： 7 ，汐叶f 刃年夕月y r 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 塑性成形是一种对工件施加外力使其产生预期翅性变形从而生产机械零件或毛坯 的成形技术，是制造承载力强的关键零部件的主要手段。它是由现代材料技术、连续介 质力学、加热技术、模具技术、成形设备和自动化、机器人技术、计算机和模拟仿真技 术等多项现代科学和技术相结合的一项先进制造技术。 现代塑性成形技术是二十世纪中后期国际上制造技术发展的热点之一由于航空、 航天、汽车等产品要求减轻自身重量、提高发动机推重比，降低成本，提高竞争能力， 因此埋性成形是这一时期发展很快的一种制造技术。据德国舒勒公司提供的资料，从 1 9 9 0 到1 9 9 5 年德国轿车产量没有增加，而采用塑性成形件的总量却逐年增加，美国也 有类似的情况 随着中国市场尤其是汽车、机械等行业的迅速发展，推动和加快了塑性成形的技 术进步。由于市场竞争，在产品开发中要求试制周期短，产品质量好，成本低。因此现 代塑性成形技术具备以下一些发展特征： l 、成形技术向净成形、无缺陷的方向发展 为了最大限度的节约材料和加工时间，提高零件的内在质量，塑性成形技术 的发展是制造出外形准确、内在质量超高的毛坯或零件。据国际机械加工协会预 测，到本世纪初，塑性成形与磨削加工相结合，将取代大部分中小零件的切削加 工。 2 、 绿色设计与制造已成为埋性成形的重要特征 受到日趋严重的环境保护与资源节约的约束，产品设计必须在生命周期内符 合环保、能耗低、资源利用率高的要求。同时在制造过程中，使得对环境负面影 响最小，废弃物和有害物质排放最小。 3 、成形过程的柔性化 制造业发展的初期阶段，认为每种产品的需求都是无限量的，即使有所变化 也是局部的和缓慢的。基于这种假设，加工设备或生产线专用性强，功能单一， 以尽可能降低装备投资，以尽可能快的生产速度从大规模生产方式中获取效益。 随着技术进步和社会需求的变化加快，产品更新换代的速度日不暇接，产品寿命 缩短，残酷的竞争迫使从大量生产方式向满足个性需求的小批量多品种的方式转 变。 因此近年来柔性塑性成形技术越来越受到重视，如板材的多点柔性成形，轴 类件柔性辊轧等。 4 、 成形工艺模拟技术发展迅速 塑性成形工艺的制定在很长时间里主要依靠经验积累和经验公式，近2 0 年有 第一章绪论 限元技术有了长足的发展。采用这种模拟技术与少最的试验验证相结合，以代替 过去的通过大量实验的方法，不仅可以节省大量人力物力，还可以解决一些目前 尚无法在实验室直接研究的复杂问题。因此有限元技术已成为分析和解决复杂三 维逻性成形问题的有效手段。 1 2 轴类零件的塑性成形方法综述 轴类锻件在汽车、农机、发动机、矿山机械、电机、铁路机车等行业有着广泛的应 用。轴类零件一般作为传动部件承受扭矩和弯矩等复杂外载荷，因此对零件的性能要求 较高，生产中多采用埋性成形的方法。工业上应用较为成熟的传统的轴类锻件的成形方 法包括：普通模锻成形、多工位冷挤压成形、楔横轧成形、旋转锻造( 径向锻造) 、仿型 斜轧等。 1 2 1 模锻成形( 包括热挤压) 模锻成形多采用模锻锤和各种锻压机多工位成形，前者生产噪音大，工人劳动条件 差，锻件精度低，材料利用率低，但生产线适应能力强，工艺难度相对简单，在生产中 尤其是中等批量( 年产3 5 万件) 的锻件还占有一定的比例，后者生产过程较为复杂， 往往需要制坯设备，生产线投资额大，生产费用高，其发展受到一定程度的限制。 1 2 2 多工位冷挤压 多工位冷挤压成形采用单台或多台冷挤压机组成生产线，生产效率较高，成形的轴 类件精度高，可达i t 8 1 1 精度，表面粗糙度一般可达r a l 6 q ) 2 ，挤压件的性能好。但 冷挤压成形所需的成形力较大，所用的设备为冷锻压力机，加工制造成本高。生产的工 艺过程复杂，毛坯一般需要软化退火，磷化皂化处理，多工位挤压时中间工序往往要重 新软化退火，以消除冷作加工硬化。挤压工艺对模具材料的要求也很高，模具加工制造 困难。 目前冷挤压在国内的应用较少，只有少数厂家引进日本或德国的冷锻压力机生产十 字销轴、钟形壳、简单的传动轴等冷成形件。世界上德国和日本的冷锻技术最为先进， 应用也最为广泛，从设备到工艺都较为成熟，生产的产品品种最多，包括轿车变速箱各 种传动轴，等速万向节等。图1 1 为德国s e h u l e r 公司生产的冷挤压生产线及生产线生 产的典型冷挤压件 由于冷挤压成形力能参数较热挤压大很多，因此无法成形几何尺寸较大的轴类件， 这是冷挤压难以克服的难题。最近提出的温挤压技术，虽然在降低成形力上有明显作用， 但仍无法替代热挤压成形。 2 目前国内楔横轧成套技术比较成熟的有两个单位，即北京科技大学轴类零件高效轧 制研究中心和北京机电研究所。自上世纪7 0 年代，国内众多研究单位就开展了楔横轧 工艺的开发和研究，经过3 0 多年的发展，在实心多台阶零件，空心轴类零件，多楔同 步轧制技术，偏心轴轧制技术方面都取得了长足发展，产品涉及汽车、拖拉机、电机、 柴油机、摩托车、自行车、纺织机械、五金工具、石油机械等众多行业，品种有汽车变 速箱中间轴、一轴、二轴、后桥锥齿轮轴、半轴，摩托车连杆、曲柄等上百种零件，生 产线达1 0 0 多条，属目前世界上应用水平较高的国家之一【3 】1 4 1 。在楔横轧理论的研究方 面，在国家攀登b 项目和国家自然科学基金重点项目的资助下，开展了楔横轧三维模拟 仿真的研究，应用三维有限元模拟软件得到了楔横轧工艺的三维变形过程，全场应力应 变场的分布，心部疏松和开裂的产生的力学机理，多次轧制的变形鼍分配，管形零件的 精密整形理论，精确轧齐曲线的计算，端部凹心和变形量等工艺参数闻的关系等众多理 论成果i s l 嘲7 啪1 1o 】，为推动楔横轧工艺的理论发展和实际应用起到了积极作用。 第一章绪论 a 板式 醯盛 b 两辊式c 三辊式 图i - 2 楔横轧原理及形式 图1 3 国内外生产的某此楔横轧零件 图i - 4 北京机电研究所开发的高刚度楔横轧机 图1 3 所示为国内外生产的不同类型的轴类零件，图1 4 所示为北京机电研究所开 发的中心距为1 0 0 0 m m 的高刚度精密楔横轧机。楔横轧工艺轧制的产品精度直径方向可 达士0 2 咖，长度方向0 5 m ，产品的最大外径可达1 6 5 咖，最大长度1 2 5 0 m m 。最近由 北京机电研究所开发的世界上最大的楔横轧机( 中心距1 5 0 0 衄) 也已投入生产，用于生 产重载卡车的传动轴。 楔横轧工艺具有产品精度高，生产效率高、易于实现自动化等优点，但仍促在不易 克服的缺点，如大型模具制造加工困难，模具制造周期长，现场调试过程较长等，从模 具毛坯备料，到加工制造及现场调试，一般需要几个月的时间。最大的不足是模具的适 应能力差，套模具只能生产一种产品，只适用于单一品种的大规模生产，对于多品种 小批量生产，这种工艺无法应用。 4 第一章绪论 1 2 4 旋转锻造 旋转锻造( r o t a r ys w a g i n g ) ，国内称作径向锻造( r a d i a lf o r g i n g ) ，是在坯料周围 对称分布几个锤头，对坯料进行径向高频率同步锻打，坯料通常边旋转边作轴向送进。 使坯料断面尺寸减小，轴向延伸，同时加压方向绕轴回转，使其断面成对称状f i l l 。成 形设备为径向锻造机或旋转锻造机。图1 5 为旋转锻造的工艺原理图。 目前国内径向锻造机上可锻直径4 0 0 r a m 的实心轴及6 0 0 r a m 的空心轴。成形方式一 般足热锻成形和冷成形。图1 - 6 所示径向锻造的应用举例。径向锻造广泛应用于锻造各 种机床、汽车、拖拉机、机车、飞机、机械上的实心台阶轴、锥度轴和空心轴，以及这 几种形状兼有的轴类锻件等，还可成形各种气瓶、炮弹壳的收口，锻造带来复线的枪管 以及方形、矩形、多边形的棒材。 旋转锻造工艺理论比较成熟，工业上有着较广泛的应用。图1 - 6 为德国f e l s s 公司 生产的冷旋转锻造设备照片和成形的产品由于是冷成形，其产品精度较高，可达i t 8 9 级。生产线易于实现机械化自动化，劳动条件好，生产效率较高。 图1 - 5 旋转锻造成形原理 第一章绪论 图l - 6 旋转成形设备及生产线 径向锻造工艺的缺点是： 1 )径向锻造设备结构复杂，制造成本高，维修保养较其他锻压设备复杂。 2 )虽然这种工艺的应用范围较广，但适用性差，每台设备对坯料的直径和 尺寸都有一定要求，工艺万能性差。 3 )由于径向锻机是专用设备，所以只适应于大批量生产，单件小批量不宜 采用此工艺。 1 2 5 仿形斜轧 仿形斜轧和柔性辊轧在零件的变形机理上更为相近，仿形斜轧是利用仿形板控制 ( 液压或机械的) 三个旋转的锥形轧辊，作相对于轧件中心的径向运动和轴向运动实现 变截面轴类件的轧制，为保证工件的轴向定位，在轧件的一端装有工件夹持器。仿形斜 轧主要用于成形较长的变断面的轴类零件，仿形斜轧也具有一定的柔性，产品更换时无 需更换锥辊，但需更换仿形板，锥辊的形状较简单，加工制造方便。但是由于有三个成 一定角度放置的轧辊，成型空间受到限制，适用轧制的产品主要是截面变化不大的长轴 类产品，即较大锥度的过渡台阶轴，对于一般汽车与拖拉机变速箱中的阶梯轴，则无法 成形。鉴于这种工艺材料利用率低，应用范围较窄，并且成形设备调整难度大，维护困 难，因此在工业生产中应用较少【l l 】 目前，生产批最中等( 年产3 - - 5 万件) 的轴类件的经济成形方法为模锻成形；生产 6 第一章绪论 批量大( 年产5 万件以上) 的零件多采用楔横轧成形，目前我国楔横轧可以成形的最大 轧件直径为1 6 5 m , 最大长度为1 2 5 0 m l n ，超过上述规格的轴件，楔横轧将无法成形，由于 工艺性的限制，一些小变形的轴类零件也不适宜采用此工艺，因此目前采用楔横轧成形 的轴类件只占全部轴类件的1 0 左右；小批量( 年产3 万件以下) 零件由于无法形成规 模效应，采用摸锻或楔横轧成形将造成锻件单件成本的急剧增高，因此这些零件只能采 用自由锻制坯或直接由圆棒料车削加工成零件。自由锻成形的毛坯加工余量大，材料利 用率低，材料浪费严重。车削加工材料利用率低，更重要的是车削加工割断了金属纤维， 使零件的强度受到了很大消弱，难以满足零件高强度的机械性能要求。 上述成形轴类零件方法的一个共同特点是采用与锻件外轮廓形状相耦合的模具，通 过相应的锻打、挤压或连续的回转轧制，成形零件的最终形状。当锻件规格加大后由于 模具形状复杂，因而模具加工制造困难，加工成本高，适于单一品种的大批量生产。随 着目前产品规格的多样化、小批鼍的发展趋势，这些传统的生产方式由于缺乏柔性，造 成产品的加工周期长，生产成本高，难以满足当前行业发展的需求。寻求一种具有高柔 性的轴类件的成形方法，是解决这一问题的较佳途径。 1 3 轴类件柔性辊轧成形发展与现状 德国在二十世纪九十年代中期，提出了轴向进给辊轧成形的概念，并采用轧制实验 和数值模拟的方法，研究了两个轧轮轧制简单阶梯轴时工艺的基本参数对成形的影响， 缺陷类型及防止措施等【1 2 1 l l ”。如采用实验的方法研究了工件成形过程中的材料扭转， 大变形量时的缩颈，工艺参数不合适时的表面碎片和内部疏松和开裂缺陷，不同轧制阶 段关键工艺参数和轧件质量的关系等。采用有限元模拟软件a b a q u s e x p l i c i t 模拟了轧 制过程，得到了全场应力应变场的分布，模拟结果和实验结果一致性较好。德雷斯顿大 学开发了一套实验装置，该装置可以成形直径2 0 - - 8 0 r a m ，长度6 0 0 r a m 的阶梯轴类零件， 对不同的材料进行了轧制实验。实验样件见图1 - 7 。 图卜7 轴向进给轧制加工的阶梯轴 德国i f r r 一德累斯顿大学利用a b a q u s e x p l i c i t t m 模拟软件，进行了有限元数值模 拟。图卜8 是有限元数值模拟模型，a 压入段、b 轴向进给段。对坯料尺寸，直径缩减 率，轧轮前角a ，轧轮后角。，轮宽b ，轧轮径向进给速度不同时的轧制过程进行了模拟， 得到了轴向进给轧制的一些重要变形特征。图1 - 9 为轧轮前角a 为4 5 0 ，后角k 为8 0 0 ， 7 第一章绪论 轮宽b 为1 5 r a m ，径向进给速度、r r 为1 o m m i n 时，工件在压入段的主应变分布图。图 卜l o 是轴向进给段接触应力分布和其四个阶段图。 图1 - 8 有限元数值模拟模璎图1 呻主应变分布图 a 压入段b 轴向进给段 图卜l o 轴向进给段接触应力分布和四个阶段图 上述的研究工作对辊轧成形的工艺参数对成形的影响和成形缺陷都有涉及，但对轧 制成形的基本规律，如轧件和轧轮的运动关系、轧件的旋转条件，轧件和轧轮的接触面 积的表达和计算、力能参数的理论计算、中心材料的损伤机理都未涉及，而上述内容是 辊轧成形工艺的基础理论，直接影响着该工艺的实际应用，因此本论文将就上述内容进 行深入系统的分析，以期推动该工艺的理论发展和实际应用。 1 4 有限元技术在塑性成形分析中的应用 1 4 1 有限元法概况 有限元法在塑性成形中的应用已有3 0 多年的历史，但真正在实际生产中应用，用 于指导设计只是近1 0 年的事情”j 。在1 9 9 0 年代以前，受计算机运行速度的影响，开发 的软件只能对轴对称或平面问题等简单的问题进行计算，对三维的复杂成形问题计算能 力有限。计算结果对与实际生产指导作用有限。 进入1 9 9 0 年代后，有限元模拟在塑性成形中的应用逐渐普及，并且软件能力和计 算效率都得到了很大的提高，大型的商用有限元软件不仅能够计算复杂的三维成型问 题，而且有的还具备微观组织预测及材料损伤计算，但这一方向上的计算模型和计算精 3 第一章绪论 度都有待提高和改善。 根据金属材料 e 线性本构关系的不同，三维有限元在金属成形过程中的应用分为两 大类，即弹一( 粘) 塑性有限元和刚一( 粘) 塑性有限元n 7 1 1 弹一( 粘) 塑性有限元法i l s l 考虑金属变形过程中的弹性效应，其理论基础是 p r a n d l t - m i s e s 本构方程。弹坦性有限元可分为小变形弹塑性有限元和大变形弹骥性有 限元法，前者主要分析金属成形过程的初期阶段，后者应用于变形量大的后期阶段。弹 塑性有限元适用于弹性变形无法忽略的成形过程，广泛应用于板料成型问题的分析。采 用弹坦性有限元法分析金属坦性成形时，不仅能按照变形的路径得到蠼性区的发展状 况，工件中的应力应变、温度分布规律及几何形状的变化，而且还能有效处理卸载等问 题，计算残余应力及残余应变，从而预知并避免产品缺陷。但是，弹坦性有限元法要采 用增量加载方式加载，为了保证计算精度和迭代的收敛性，增量步不可能太大，所以计 算量大，效率较低。 在金属成形的模拟分析中，常用到的基于弹塑性本构关系的三维有限元软件主要有 m a r c 、a n s y s 、f o r g e 3 等，这些软件的基本方程都是基于l a g r a n g e 坐标而写的。 刚一( 粘) 塑性有限元法f 1 9 1 忽略了金属成形过程中的弹性变形，其理论是m a r k o v 变分原理。刚一( 粘) 塑性有限元法适用于锻造、挤压及轧制等塑性成形问题。由于刚 一( 粘) 塑性有限元法足一种基于变分原理的有限元法，计算步长可以较大，计算程序 大大简化，计算效率较高。但由于忽略了弹性变形，因此无法分析弹性问题，也无法计 算残余应力问题。刚一( 粘) 塑性有限元法已成为金属体积成形的主要模拟方法。 采用刚一( 粘) 塑性本构关系的有限元分析软件，如a l p i d 、d e f o r m 等软件，其基 本方程都是基于e u l e r 坐标而写的。 目前有限元法在塑性成形过程中的技术发展主要有两个方向，第一是如何提高计算 精度和计算效率，尤其是对于大型的三维复杂成形问题，如回转成形，当前的计算软件 对一个普通算例，从建模、计算结果分析，一般需要一周左右的时间。第二是向微观组 织预测方向发展。目前组织模拟与优化的研究还处于起步阶段，从目标函数的构建、优 化设计变量的选取到优化方法的具体应用，正在逐步的系统和深化，真正用于指导应用 还有很多工作要做【1 6l 。 1 4 2 回转成形的有限元模拟应用现状 在回转成形方法的有限元模拟技术方面，国内外都进行了不少的研究工作。针对不 同的成形方法采用不同的模拟软件进行相应的模拟研究，得到了很多有价值的结论。 h j k i m 等采用有限元技术模拟了辊锻工艺摩擦系数、温度对展宽、成形力等的影响。 9 第一章绪论 e d o e g e 等采用有限元和上限法模拟了轧环工艺，等到了轧轮的运动参数、几何参数和 工件质黾之间的关系【2 l 】。h t a k i z a w a 采用刚坦性三维肓限元方法模拟了管材的螺旋轧 制，得到材料的变形过程、力能参数和应变分布1 2 ”。 北京科技大学和美国的q i a n gl i 采用a n s y s 软件分别模拟了楔横轧工艺材料的变 形过程，对不同的问题进行了模拟和分析。北京机电研究所也开展了采用d e f o i 瑚- - 3 d 对辊锻和楔横轧工艺过程进行了模拟【2 3 胁1 ，得到了很多有益的结果。 由于回转成形方法都足非稳态的三维变形过程，变形条件受旋转条件、摩擦条件、 轧件温度、工艺参数等诸多因素的影响，成形过程和变形机理非常复杂，现有的模拟都 不同程度的傲了模型的简化，所以模拟结果的精度有待进一步提高。另外，回转成形问 题为复杂的三维问题，现有软件的计算效率普遍偏低，计算一个算例一周左右的时间。 因此针对回转成形的工件的变形特点，改进单元类型，在成形过程中网格加密具有自动 跟踪变形区的功能等技术，将大大提高计算效率和计算精度。 1 5 课题的提出及主要研究内容 1 5 1 课题的提出 从前面的轴类锻件的多种成形方法的比较中可知，对于中小批量、多品种的轴类锻 件，现有的工业应用比较成熟的生产工艺都无法满足高效、快捷、低成本的要求，因此 开发一种可供工业应用选择的柔性成形轴类锻件的方法，将具有良好的市场应用前景。 柔性辊轧在生产中小批量、多品种的轴类锻件上，具有明显的技术和经济优势，发展前 景广阔。 柔性辊轧( 德国称作a x i a lf e e db a rr o l l i n g ( a v q ) ) 是最近才出现的成形轴类零 件的新方法，虽然德国进行了初步的理论研究和简单的工艺试验，但研究的内容与成果 是分散的，尤其对变形过程中的变形区的形状与变形规律缺乏系统的分析与研究，研究 内容主要集中在最基本轧件形式，对轧轮和工件的接触面积的表达和计算、工件的旋转 条件、轧制力能参数的计算、轧制工艺参数的选择等对工业实践具有指导意义的关键技 术没有涉及。从总体上讲，目前该工艺的研究还处在工艺的实验开发阶段，还未见工业 应用的报道。我国目前还未见其它单位开展此项技术的研究与开发。因此有必要对其进 行系统的理论分析和完整的工艺研究。 1 5 2 主要研究内容 提出高效柔性辊轧工艺及主要工艺参数的设计方法，并根据柔性辊轧工艺的特点和 工艺要求，设计可完成工艺基本功能要求的辊轧实验装置，完成典型零件的工艺试验。 综合运用轧制实验、数值模拟技术，深入揭示轴类件柔性辊轧变形的成形机理、材料流 动规律，确定稳定的轧制条件，分析缺陷产生的类型及缺陷产生机理，建立轧制基本参 第一章绪论 数与轧件质蕈的关系，从而建立较为完整的轴类零件的柔性辊轧成形理论，为实际应用 提供理论指导和实践经验。 本文的主要研究内容来源于国家自然科学基金项目轴类件的柔性辊轧成形机理及 模拟研究1 8 7 1 ，项目编号为5 0 2 0 5 0 0 3 。 论文的主要研究内容包括： 1 轴类件辊轧成形的变形理论研究 a 辊轧过程的运动学分析 b w 件的旋转条件分析 c 工件与模具间瞬态接触面的几何形状的数学描述 2 变形过