（材料加工工程专业论文）双锥辊辗压成形工艺分析与应用研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 锥辊辗压是一种局部加压连续塑性成形技术，目前，法兰类圆环件、圆盘 件多采用板料切割或棒料加热，大型锻锤一次成型或一般锻锤反复锻造成形， 这些工艺的缺点是：大型锻锤打击力大，振动、噪声高，有一定的危险性； 劳动环境差，投资大，运行成本高；锻件厚度误差较大，浪费原材料。一般 锻锤反复多次锻造生产率低，工人劳动强度大，劳动环境差；锻件误差较大， 机加工余量大，原材料利用率低。板料切割材料利用率低。锥辊辗压的加工 过程为局部加压累积变形，辗压的主要特点是省力、节能，节材、准静压力加 工，无振动和噪音，因此克服现有法兰盘类圆环件生产劳动环境差，生产效率 低，材料利用率低等缺点，本文研究预成型后在双锥辊辗压机上进行终成型法 兰盘类圆环件、圆盘件的新工艺。 ； 本文利用u g 对双锥辊辗压机及其模具进行3 d 建模、虚拟装配及运动仿真。 得到法兰和齿轮坯辗压成形的模具及零件模型，对双锥辊辗压机模具进行虚拟 装配和运动仿真，能及时发现模具设计中的不合理设计，并能有效检验出装配 时零部件问的干涉问题，从而能及时更改，设计出更加完美的模具来同时3 d 模型也为有限元模拟分析奠定了基础。 在研究法兰和齿轮坯辗压工艺的基础上，基于刚塑性有限元理论，建立了 法兰和齿轮坯辗压成形的有限元分析模型。基于有限元模拟软件，应用三维刚 塑性有限元算法对法兰和齿轮坯辗压成形过程进行了模拟分析。 利用有限元法分析了法兰和齿轮坯成型过程中金属的流动规律，阐述了辗 压成形特点，讨论了毛坯形状与尺寸、锥辊进给速度、摩擦系数、毛坯材料性 能等参数对金属变形过程的影响及影响规律，揭示出变形机理，分析其工艺性 能，并在此基础上，得出变形中金属的流动状态和等效塑性应力应变分布规律， 直观表示出法兰和齿轮坯成形过程及等效应力一应变分布、曲线，获得了辗压 成形金属变形规律。对双锥辊辗压的力能与工艺参数进行研究，提出获得高质 量法兰和齿轮毛坯的工艺参数的确定方法。 关键词：双锥辊辗压机有限元模拟法兰齿轮坯 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec o n er o l l e rr o l l sp r e s s u r ei so n ek i n do fc o n t i n u o u sp a r tc o m p r e s s i o n p l a s t i c i t yf o r m i n gt e c h n o l o g y ，a tp r e s e n t ，t h ef l a n g ek i n dc i r c l ei se n c i r c l e db ya d o c u m e n t ，t h ec i r c u l a rd i s ca d o p tb o a r dt oe x p e c tt h a tc u t t i n go rb a r s t o c kh e a t sp i e c e m u c h ，t h a tl a r g e s c a l ef o r g i n gh a m m e rm o l d i n go rs o r tf o r g i n gh a m m e rf o r g e s f o r m i n g ，t h e s eh a n d i c r a f ts h o r t c o m i n g sa g a i na n da g a i ni s ：( 1 ) l a r g e s c a l ef u r g i n g h a m m e rs t r i k ei ss t r e n u o u s l yb i g ，v i b r a t i o nn o i s ei sh i g h ，h a v ec e r t a i nd a n g e r ；t h e w o r k i n go fe n v i r o n m e n ti sb a d ，i n v e s t m e n ti sb i g ，t h ec o s t i sh i g h l y ；e r r o ro f f o r g j n gi nt h i c k n e s si sb i ga n dw a s t i n gr a wm a t e r i a l 。( 2 ) t h ef o r g i n gh a m m e r f o r g e se f f i c a c ya g a i na n da g a i nm a n yt i m e s ，e f f i c i e n c yi sl o w i ng e n e r a l ，t h ew o r k e r i n t e n s i t yo fl a b o u ri sh i g h ，t h ee n v i r o n m e n to fw o r k i n gi sb a d ；f o r g i n ge r r o ri s b i g g e r ，t h em a c h i n ew o r km a r g i ni sb i g ，r a t i oo fr a w m a t e r i a lu t i l i z a t i o ni sl o w ( 3 ) b o a r dm a t e r i a lc u t t i n gm a t e r i a lu t i l i z a t i o nr a t i oi sl o w t h ec o n er o l l e rr o l l sp r e s s u r e s i st h a tp a r tc o m p r e s s i o na c c u m u l a t e sd e f o r m a t i o n 。t h e r e f o r e ，o v e r c o m i n gt h eb a d o fp r o d u c t i v el a b o re n v i r o n m e n t ，p r o d u c ei n e f f i c i e n t ，m a t e r i a lu t i l i z a t i o nr a t i ow a i t s f o rt h es h o r t c o m i n g ，i nt h i st h e s i st h en e wr o i l i n gt os h e l v et h er i n gd o c u m e n t ， c i r c u l a rd i s cd o c u m e n tc a r r y i n go u tt h ee n dm o l d i n gf l a n g ep l a t ek i n dc i r c l eo n m a c h i n ei nb i p y r a m i dr o l l e ri na d v a n c em o l d i n gh a n d i c r a f tl o w i nt h i st h e s i s ，m a k i n gu s eo fu gt ob u i l d3dm o d e l sa b o u tt h et w i nc o n er o l l a x i a lm i l la n dm o u l d ，s u p p o s i t i o n a la s s e m b l i n go f3da n dm o t i o ns i m u l a t i n g 。 g e t t i n gt h ef l a n g ea n dt h eg e a rw h e e lb a s ea n dm o u l d ，t h i o u 曲a s s e m b l i n ga n d m o t i o n ，c a nd i s c o v e ru n r e a s o n a b l ed e s i g ni nd e s i g nf o r d i ea n dm o u l di nt i m e ，a n d c o m eb e i n ga b l et oh a v et h ei n t e r f e r e n c et h a tc o m p o n e n ta n dp a r tt h i n so u tw h e nt h e e f f e c tc h e c k so u ta s s e m b l i n gq u e s t i o n ，c a nc h a n g ei nt i m e ，d e s i g no u tt h ee s p e c i a l l y c o n s u m m a t em o u l dt h e r e b y t h em o d e la l s oh a sp r o v i d e dab a s i st of i n i t ee l e m e n t m e t h o ds i m u l a t i o na n a l y s i sa tt h es a m et i m e b a s eo ns t u d y i n gt h ef l a n g ea n dt h eg e a rb l a n k ，a n df i n i t ee l e m e n tp l a s t i c i t y b a s i ct h e o r y ，b u i l tt h ef l a n g ea n dt h eg e a rb l a n kf i n i t ee l e m e n tm o d e l ，b a s eo nt h e f i n i t ee l e m e n tm e t h o da n a l y s i s ，o w i n gt ot h a tf i n i t ee l e m e n tm e t h o do fs i m u l a t e d s o f t w a r e ，t h ep r e s s u r ef o r m i n gp r o c e s sa p p l y i n gt h eh a r dt h r e e d i m e n s i o n a lp l a s t i c i t y f i n i t ee l e m e n tm e t h o da l g o r i t h mr o i l i n gt ot h ef l a n g ea n dt h eg e a rb l a n kh a sc a r r i e d o u tt h es i m u l a t i o na n a l y s i s 。 a n a l y s e dt h ef l o wo fm e t a ld u r i n gf l a n g ea n dg e a rb l a n km o l d i n gp r o c e s su s e o ff i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，e x p o u n d e dr o l lp r e s s u r ef o r m i n gc h a r a c t e r i s t i c ，d i s c u s s e d p a r a m e t e re f f e c ta n de f f e c tl a wt om e t a ld e f o r m a t i o np r o c e s st h a ta r eb l a n k sf o r m a n dd i m e n s i o n 、c o n er o l l e rf e e ds p e e d 、f r i c t i o nc o e f f i c i e n t sa n db l a n k sm a t e r i a l f u n c t i o n ，r e v e a l e do u td e f o r m a t i o nm e c h a n i s m ，a n a l y s e di t sh a n d i c r a f tf u n c t i o n ， 武汉理工大学硕士学位论文 a n do nb a s i so ft h i s ，p o i n t e do u tm e t a lf l o ws t a t ea n dt h el a wo fe q u i v a l e n tp l a s t i c s t r e s s s t r a i nd i s t r i b u t i o ni nd e f o r m a t i o n i n d i c a t e di n d i c a t e so u tf l a n g ea n dg e a r b l a n km o l d i n gp r o c e s sa n de q u i v a l e n ts t r a i n - s t r a i nd i s t r i b u t i o nc u r v e ，r e v e a l e do u t m e t a 】d e f o r m a t i o ni a wd u r i n gr o l l p r e s s u r ef o r m i n g 。t h r o u g ht h et e c h n i c a l p a r a m e t e r so fr o l l i n go nt h eb i c o n i c a lr o l ls t u d y , s u g g e s t e dd e t e r m i n e dm e t h o do f p r o c e s sp a r a m e t e r st oh i g h - q u a l i t yr o u g hg e a rf l a n g ea n dg e a r b l a n k k e y w o r d ：t h et w i nc o n er o l la x i a lm i l l ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，f l a n g e , g e a r b l a n k i l l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 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了谢意。 签名：吴清 日期：! 翌：! ! ：i 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 塑性成形是利用材料的可塑性，实现材料成形和改性的一种制造方法。塑 性成形技术因其具有高效、优质、低耗等优点，己成为当今先进制造技术的重 要组成部分，对于推动我国经济、科技和国防现代化的发展发挥着不可替代的 作用。 近几十年来，随着社会经济和其他相关支柱产业的发展，塑性加工工业得 到了前所未有的新发展，新工艺、新技术、新设备和新产品层出不穷，同时也 对塑性加工技术提出了更高的要求l ”。一方而，随着锻件单重的增加，锻件组 织性能和缺陷控制的难度进一步加大，另一方而，以近净成形( n e a rn e ts h a p e ) 加工为目标的精密塑性成形技术的发展较为迅速，各种冷锻、温锻、辊锻、精 密锻造等技术正得到应用。因此，要实现塑性加工制件的内在质量和尺寸精度 的稳定和提高，必须提高塑性加工技术的科学化和可控水平。随着国际市场竞 争、知识经济和绿色制造的兴起，塑性加工技术领域，面i 临着新的挑战和机遇， 因而迫切需要发展先进塑性成形技术，使塑性成形产品朝着精密、优质、高效、 低耗、柔性、绿色、数字化、智能化和环境友好等方向发展。 与传统的成形工艺相比，现代塑性加工技术对毛坯与模具设计及材料塑性 流动控制方面要求更高，所以采用基于经验的试错设计方法己不能满足实际需 要，引入以计算机为工具的现代设计分析手段已成为人们的共识。2 0 世纪8 0 年 代以来，c a d 和c a e 等单元技术开始运用到塑性成形工艺分析、规划与模具设 计上，并且朝着集成化的塑性加工虚拟制造方面发展。以有限元法为代表的数 值模拟技术与模具c a d c a m 技术相结合，为这一传统的金属塑性成形方法注 入了新的活力。通过有限元技术与模具c a d c a m 技术相结合，获得塑性加工 全过程的信息，可以确保工艺、设计和模具制造一次成功，主要的问题在设计 阶段就完全解决，使塑性加工进入以模型化和最优化为特征的工程科学阶段， 提高塑性加工行业的科学化水平。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 双锥辊辗压轧制技术 法兰和齿轮被广泛地应用于航空、航天、汽车等众多的行业领域，法兰环 件是一类典型非矩形截面环件，广泛用作轴承圈、齿圈、飞轮等机械零件。本 文基于有限元法研究了双锥辊辗压机对薄法兰类，环类以及齿轮坯的成型工艺。 目前国内成型法兰类圆环件、圆盘件多采用板料切割或棒料加热，大型锻锤一 次成型或一般锻锤( 小于1 吨打击力或小于i 0 0 0 0 k n 压力机) 反复锻造成形， 这些工艺的缺点是：大型锻锤打击力大，振动、噪声高，有一定的危险性；劳 动环境差，投资大，运行成本高；锻件厚度误差较大，浪费原材料：一般锻锤 反复多次锻造生产率低，工人劳动强度大，劳动环境差；锻件误差较大，机加 工余量大，刀具消耗量大，原材料利用率低，生产成本高。而对大直径法兰多 采用焊接的方法，其缺点是强度不高，容易翘曲，精度很差同时还要后续热 处理，工艺繁杂。 为达到少无切削加工及大批量生产出高强度法兰的目的。采用预制坯和双 锥辊辗压成形相结合的复合成形工艺来生产高强度钢制薄法兰盘和齿轮坯的锻 件。对变形工步的合理设计、变形量的合理分配、中高强度钢的成形加工特性 等问题进行了分析研究，考虑了双锥辊辗压成形工艺的特点和金属流动情况，较 好地解决了钢制薄法兰盘类零件制造过程中存在的材料利用率低、工艺流程长、 生产效率低、产品表面粗糙度高等问题，为汽车、摩托车和工程机械装备等行 业普遍采用的这类薄法兰盘类零件的生产提供了一种实用、高效、经济、可靠 的成形加工技术。 法兰类环形件辗压成型是由锥形上模对环形坯料进行连续的局部加载的加 工方法。从变形过程来看，它类似于圆环镦粗，但是由于它既存在着变形载荷的 不对称，又存在着接触区域几何形状的相对对称。因此与环形件的镦粗又很不 相同；从加载方式看类似于轧制，但是其加载的路径与边界条件与轧制也存在着 很大的差异。因此，法兰类环形件双锥辊辗压的受力情况和变形条件是极其复杂 的。 由于双锥辊辗压法兰类、圆盘件工艺的特殊性，法兰成形规律、金属流动 规律以及填充性的研究具有一定的困难，而且人们对在生产实践中出现的问题 也难以依赖经验提出满意或合理的解释，本文以某型号法兰和汽车后桥从动螺 2 武汉理工大学硕士学位论文 伞齿轮坯为例，利用有限元分析法对其成型过程及金属流动规律进行了研究、 总结，并对其应力、应变进行了探讨，得出了对法兰和齿轮坯生产实践具有指 导意义的有关结论与图表。 1 3 法兰类零件及齿轮坯成形研究与发展趋势 1 3 1 法兰类零件及齿轮坯精密成形工艺发展现状 薄法兰盘类零件广泛应用于汽车、摩托车和各种工程机械等机械装备的离 合器上，齿轮更是用途广泛，如机床、农机航空航天等领域。其材质大多采用 中高强度钢如4 5 钢或4 0 c i 等，其热处理效果好。对于盘类薄法兰零件，由于其 法兰盘直径比较大，且法兰厚度很薄，因此对其进行精密成形加工的难度很大。 目前国内大多数企业都采用原材料下料一热模锻制坯一粗加工一调质处理一精 加工的加工工艺来生产；该方法用模锻工艺生产锻坯。至少需要两副模具才能 成形：且加工工序多、工艺流程长、能源消耗大；而热锻件的尺寸精度差、表 面粗糙度高、后续机械加工余量很大，精加工的效率低、刀具消耗量大，生产成 本高。 法兰、盘类零件大部分为回转件，且形状相对简单，因而适于用多种方法 成形。目前生产中实际应用比较典型的有【2 】：精密模锻、冷挤压、精密辗压、液 态模锻、超塑成形、螺旋轧制、径向轧制等，可根据零件的复杂程度、使用要 求和实际生产条件选择使用不同的成形方法。 精密模锻：精密模锻是从一般模锻逐步发展起来的一种少无切削加工工艺。 是目前盘类零件生产中最常见也是生产效率最高的一种成形工艺。 冷挤压：冷挤压是一种少无切削压力加工新工艺。它是根据金属塑性成形 原理，将冷态的金属毛坯放入装在压力机上的模具模腔内，在强大的压力和一 定的速度作用下，迫使金属从模腔中挤出，从而获得所需形状、尺寸和具有一 定机械性能的挤压件采用冷挤压法加工零件可以降低原材料消耗，材料利用率 可达7 0 9 0 。但冷挤压对模具和设备要求高，模具寿命低。 液态模锻：液态模锻是一种铸造与模锻相结合的工艺，是以定量的液态金 属注入预热的模具内，在液态金属上直接施以较高的机械压力，使金属在此压 力下结晶、成形，并同时产生少量的塑性变形液态模锻可以消除铸件内的气孔、 3 武汉理工大学硕士学位论文 疏松并压力补缩而获得组织致密的铸件；结晶过程中的压力可以细化晶粒并产 生少量的塑性变形而较大地提高铸件材料的机械性能使之接近锻件的水平；模 具冲头的压力作用使金属在结晶成形过程中充满并紧贴模具型腔从而使铸件具 有较高的尺寸精度和较低的表面粗糙度：由于模具的冷却、较低的铸造温度及 压力对结晶温度升高的作用，大大地加快了金属结晶速度从而提高了液态模锻 工艺的生产效率。因而液态模锻是一种改善锻件性能、简化工序、精化毛坯、 降低能耗的高效率生产方法。液态模锻6 0 年代始于苏联，7 0 年代欧、美、日等 国开始了研究试验并积极进行了推广，我国自6 0 年代至今在液态模锻工艺方面 已取得了很大进展，在许多工厂投入了实际的生产应用。 超塑成形：超塑成形是利用某些金属在特定的条件下具有较大的延伸率这 一特性对金属进行塑性加工，从而获得所需形状和尺寸的一种加工工艺。从成 形材料来看目前主要是锌铝合金、铝基合金、铜合金，钛合金及高温合金。超 塑成形具有能够显著提高金属材料的塑性、极大地降低金属的变形抗力、可使 工件获得均匀细小的晶粒组织和显著减少废品率等优点，因而利用金属及合金 的超塑性特点进行超塑性模锻，已为少无切削加工和精密成形开辟了一条新的 途径。 精密辗压：精密辗压是一种连续局部变形的成形工艺，是利用摆头与坯料 之间的相对滚辗，使工件的局部表面受摆头的压力作用而获得所需形状的一种 加工方法。由于辊头的压力只作用在工件的局部表面上，因此辗压所需变形力 小，可以实现少无切削加工，且模具寿命长，机器振动和噪声小，无环境污染。 可加工外形复杂的零件，尤其适合加工一般锻造方法难以加工的局部很薄的锻 件；此外还可省去加热设备及有关的能源消耗，因而符合节约能源的要求；由 于摆辗件金属纤维分布合理，加之摆辗过程中的加工强化，大大提高了成品零 件的机械强度，且加工精度和表面质量( 辗压件表面粗糙度可达砌o 8 r a 0 2 ) 亦 大大改善，因而在国内外均获得了广泛的应用。 采用摩擦压力机制坯、摆辗机精密冷摆辗成形的近净成形加工工艺，可制 造出高精度、高强度的薄法兰盘毂精锻件，达到了少无切削加工、去掉调质热 处理工序、能够大批量生产的目的。 以上是盘类零件的几种常见成形工艺，此外还有径向锻造、楔横轧、辊锻 技术、辗环等。其中我国在楔横轧、辗环等的理论研究和工艺水平方面已达世 界先进水平，可生产具有复杂形状的零件，在尺寸、精度、性能等方面均能较 4 武汉理工大学硕士学位论文 好地满足使用要求，实现了节材节能、提高产品质量和生产效率的目标，技术 经济效果十分显著。 冷摆辗成形工艺具有如下特点：( 1 ) 省力：摆辗成形时的接触面积仅是常规 锻造接触面积的一小部分，因此成形相同尺寸的零件时，摆辗变形力仅有常规 锻造成形力的1 5 1 2 0 。( 2 ) 产品尺寸精度高、表面质量好：摆辗成形是无冲击 的静载成形，成形力较小，设备的相对刚度大。通常冷摆辗成形件的尺寸精度 可以达到0 0 2 5 m m ，表面粗糙度r a 值可以达到o 4 1 6um 。( 3 ) 特别适合一般锻 造方法难以加工的带杆薄法兰盘状零件。 1 3 2 锥辊辗压成形的经济优越性 锥辊辗压变形过程是一个连续的局部静压成形过程，它与普通的模锻相比， 具有以下的经济优越性：( 1 ) 所需设备吨位小。由于锥辊辗压是连续局部成形过 程，虽然变形量大，但模具只与坯料部分接触，因此所需要的变形力较小。( 2 ) 节约模具钢。由于没有或很少冲击振动，模具寿命高，对模具材料要求低，可 以用球墨铸铁或冷硬铸铁来代替模具钢制作模具。( 3 ) 公害小、劳动条件好。锥 辊辗压是静压的变形过程，冲击、振动、噪声等公害小，劳动条件较锤上模锻 有很大改善。( 4 ) 易于实现机械化和自动化。由于锥辊辗压是连续局部成形过程， 故易于实现机械化和自动化，也便于和其他模锻设各组成机械化与自动化的生 产线。 1 4 国内外金属塑性成形数值模拟的研究进展 1 4 1 金属塑性成型模拟研究现状 科学技术的飞速发展，使得“模拟技术”一词广为人们所熟知，模拟技术 己拥有相当广阔的应用领域。所谓模拟，就是针对某个现象或过程的原型，建 立一个与该现象或过程具有相似性而又便于人们进行观测和控制的模型，通过 研究模型在各种条件下的响应来推测原型在相应条件下的响应，从而获得对于 原型规律性的认识。 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工件质量的影响等，都是十分复杂的问题。这 武汉理工大学硕士学位论文 使得塑性成形工艺和模具设计缺乏系统的、精确的理论分析手段，而主要依据 工程师长期积累的经验，对于复杂的成形工艺和模具，设计质量难以得到保证， 一些关键性的设计参数要在模具制造出来以后，通过反复的调试、修改才能确 定。这样就浪费了大量的人力、物力和时间。借助于模拟方法，则能使人们获 得对于塑性成形过程规律性的认识，以较小的代价、在较短的时间内找到最优 的或可行的设计方案。 模拟技术在金属塑性加工的理论研究和生产实际中已显示出巨大作用，金 属塑性成形过程模拟正成为对塑性成形进行科学预测、工艺优化和定量控制的 有效方法，在塑性加工领域获得愈来愈广泛的应用。成形模拟的商品软件己在 生产实际中应用，模拟技术作为塑性加工虚拟制造系统中的一项重要技术，已 经成为从事塑性成形和模具设计的技术人员所需具备的一项基本技能。 金属塑性加工过程既存在材料非线性( 应力与应变之间的非线性) 又有几何 非线性( 应变与位移之间的非线性) ，变形机制十分复杂i “。关于金属塑性成形理 论的研究，世界各国学者都在不断探索，至今己建立了多种方法来描述和解析 金属塑性成形过程，其中包括主应力法、滑移线法、上限法和有限元法等1 4 1 。 主应力法基木思想是根据金属流动方向，沿整个表面切取基元体，假定切面上 的正应力为主应力，忽略摩擦应力的影响，由此建立该基元体的平衡方程，将 偏微分形式的应力平衡方程简化成常微分方程，将非线性关系的屈服条件简化 为线性关系，因而数学运算简单，但主应力法只能确定接触表而上的应力大小 和分布，而内部应力场、应变场均无法给出，求解精度取决于所做假设与实际 情况的接近程度。滑移线法就是针对滑移线场某些特性求解塑性加工问题，如 确定变形体内的应力分布、计算变形力、分析变形和决定毛坯的合理外形、尺 寸等。滑移线法对于理想刚塑性体的平面应变问题的求解是精确的，它能近似 处理轴对称问题，但无法解决如温度、材料性能等参量的不均匀问题。对于加 工硬化、速率敏感性问题，用滑移线法来解决是相当困难的。上限法是2 0 世纪 5 0 年代英国学者约翰逊( j o h n s o n ) 和日木学者工腾英明等人根据理想刚塑性材料 的极限原理提出的一个较滑移线法简单的求极限载荷的方法i ”。其优点是不仅 适用于平面应变，也适用于轴对称的三维问题，同时不用解复杂的平衡方程， 数学运算比较简单。但是上限法是建立在对变形体提出合适的运动许可速度的 基础上的，在很多情况下还要借助实验建立运动许可速度场，方能进行正确计 算，且上限法不能算出变形体内部的应力分布规律。有限元法是随着计算机技 6 武汉理工大学硕士学位论文 术而迅速发展起来的一种比较新颖和有效的数值模拟方法。它起源于航空工程 中飞机结构的矩阵分析，1 9 6 0 年被r w c l o u g h 首次用来求解弹性力学的平面应 力问题，后来又成功的用于动力学、固体力学、流体力学、热和电磁场等许多 领域中，对自然科学的进步起到了重要作用。由于有限元法具有以上优点，目 前己受到世界塑性加工界的普遍重视，几乎在塑性加工领域都得到了不同程度 的应用。对世界加工业的进步起到了重要的作用。c h l e e 和s k o b a y a s h i 等较 早应用弹塑性有限元法分析了平板冲孔问题后来还分析了胀拉成形、半圆冲头 的拉深、镦粗、静液胀形、挤压等；h i r a k a w a , y a r i t a 和g r o b e r 等在分析轧制等成 形过程中改进了弹塑性有限元法；h a r ti e y 和p if i n g e r 等在工具与金属之间引入 摩擦元反映了摩擦的作用，并将之用于塑性加工过程的模拟】。采用弹塑性有 限元法分析金属成形问题，不仅能按照变形路径得到塑性区的发展情况、工件 中的应力应变分布规律及大小以及几何形状的变化，而且还能有效地处理卸载 问题、计算残余应力和残余应变，从而可以分析产品的缺陷找出防止办法。但 是，从分析金属成形过程的计算角度来看，弹塑性有限元法的不足之处就是计 算工作量大，由于该方法处理的是弹塑性材料，需要采用增量加载，在每一步 中必须作出弹性计算，来判断原来处于弹性区的单元是否己进入屈服，对进入 屈服后的单元就要采用弹塑性本构关系，从而改变了单元刚度矩阵。为了提高 计算精度，不希望在一次增量加载中有过多的单元屈服，所以增量步长不能太 大；另外从弹塑性本质来看，用增量本构理论时，也不允许使用大的变形增量。 因此，采用弹塑性有限元法的计算效率较低。对于一般的体积成形过程，弹性 变形量远小于塑性变形量，因而可以忽略其弹性变形，建立刚塑性或刚粘塑性 材料模型，采用刚塑性或刚粘塑性有限元法进行分析，从而使有限元列式和计 算过程得到简化，计算效率也大大提高。目前刚塑性或刚粘塑性有限元法已广 泛应用于模锻、挤压和轧制等体积成形过程的数值模拟中i “。 7 0 年代初，美国b a t t e l l e 实验室开发成功了二维刚塑性刚粘塑性有限元程序 a l p i d ，后来w t w u 等将热力耦合计算编入通用程序a l p i d 继而开发出 d e f o r m 并在工业中得到成功的应用。其应用涉及挤压、拉深、粘性压力成形、 切削、复合挤压、冲裁模锻以及合金半固态塑性加工等多种工艺。随着高性能 计算机的出现和对三维工艺精确模拟的需要，商业软件d e f o r m ，f o r g e 3 ， a u t o f o r g e 等也被开发出来。d e f o r m 一2 d ，d e f o r m 分析方面取得了较大的进展，该软件既能够进行刚塑性刚粘塑性模拟，又可进 7 武汉理工大学硕士学位论文 行弹塑性模拟，己被用于多种塑性加工工艺的仿真分析。采用有限元模拟方法 实现了在“计算机上成形”，可以大大缩短工艺设计时间，优化工艺方案，设计 与选择合适设备，因而成为成形工艺设计的方向。总之，近十几年来，有限元 模拟方法在塑性加工中的应用越来越广泛，有限元法不但有助于完善塑性加工 理论，还可以用来在实际成形前对塑性加工的结果作出准确的预测，以便采取 相应措施来保证得到高质量高精度的零件。利用这一有力工具进行塑性变形机 理的研究，会起到重要作用。 1 4 2 有限元模拟技术在金属双锥辊辗压成形中的应用 有限元法作为金属塑性成形过程有效的模拟方法，已经在金属成形领域得 到了广泛的应用。但有限元技术在双锥辊辗压工艺上的应用还不多见，通过对 双锥辊辗压过程的数值模拟进行研究，得出了辗压变形过程中材料的流动速度 场、应力应变场的特征及其动态演化过程，讨论了不同变形参数对行程载荷的 影响。 1 5 课题来源、课题研究的内容、意义 1 5 1 课题来源 本课题来源于导师的科研项目及实际生产需要。题目为。双锥辊辗压成型 工艺分析及应用研究”。本学位论文将综合应用静力学和塑性动力学、机械制造 工艺学、机械原理等多学科理论，建立双锥辊辗压成形过程、成形载荷和工艺 过程，为双锥辊成形法兰，齿轮毛坯和其它类似零件成型工艺进行模拟。通过 对双锥辊辗压机辗压过程进行有限元模拟，了解毛坯形状与尺寸、锥辊进给速 度、锥辊轨迹、摩擦系数、毛坯材料性能等参数对金属变形过程的影响及影响 规律，揭示出变形机理，分析其工艺性能，并在此基础上，对双锥辊辗压的力 能与工艺参数进行研究，提出获得高质量法兰和齿轮毛坯的工艺参数的确定方 法，达到指导实际生产之目的。 1 5 2 课题研究的主要内容 广泛阅读相关文献资料，充分掌握国内外法兰盘及齿轮毛坯的生产技术及 b 武汉理工大学硕士学位论文 发展趋势，分析存在的技术问题。一 ( 1 ) 利用c a d 软件对双锥轧制上、下模进行设计；分析双锥辊成型特 点对双锥辊轧制进行3 d 建模。 ( 2 ) 对上、下模运动过程进行仿真，对成型过程进行模拟；研究法兰和 齿轮毛坯在辗压过程中的应力、应变情况，探索在辗压过程中金属的流动规律 ( 3 ) 通过实验收集数据，并找到有利于实际应用的参数。 ( 4 ) 研究法兰和齿轮毛坯在不同的成形工艺参数和毛坯参数情况下的变形 情况、成形力情况，从而设计出最合理工艺和毛坯参数。 1 6 本章小结 本章概述了国内外金属有限元模拟现状，法兰类零件及齿轮坯成型现状及 发展趋势。阐述了双锥辊辗压加工的原理、特点及优点，分析了双锥辊辗压在 法兰及齿轮坯精密成形中的应用。同时也介绍了本课题研究的内容，目的及意 义。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第二章锥辊轧制及其双锥辊辗压机工作原理 2 1 锥辊s l $ l j 发展历史 按照接触工件的工具和工件的运动类型可把锻压机床分为两大类，第一类 是工具和工件做直线运动的锻压机床，例如各种机械压力机、液压机、曲柄压 力机、锻锤、螺旋压力机、拉床等；第二类是工具和工件做的旋转运动的回转 加工机床例如轧机、辊锻机、螺旋轧机、车轮轧机、摆动辗压机等。 美国是锥辊轧制的发源地。早在1 9 1 8 年，美国的斯里克首先提出了锥辊轧 制技术，并制成了以他的名字命名的s l i c k 轧制机，于1 9 2 0 年获得美国专利。 随后，英国人马赛提出了摆辗运动的基本构想和方法，于1 9 2 9 年取得了英国专 利。直到1 9 6 6 年马赛公司才生产出一台7 0 0k n 的摆辗机。波兰华沙理工大学 马尔辛尼教授于1 9 6 7 年发明出四轨迹p x w 型摆辗机并由华沙机械科学研究院 设计。波兰是世界上最早批量制造并出口1 6 0 0k n 和2 0 0 0k n 轧制机的国家， 已先后制造并售出2 0 0 多台锥辊轧制机，继波兰之后，瑞士s c h m i d 公司8 0 年 代和日本m 耐公司9 0 年代相继生产出具有四种轨迹的锥辊轧制机作为商品出 售【7 引。 目前世界上积极研制摆辗机的国家和厂商主要有瑞士的s c h m i d 公司、波兰 华沙第一自动压力机制造厂、英国马赛公司、日本森铁工株式会社、德国瓦格 纳公司、俄罗斯冶金设备设计研究院等。国外在积极研制轧制机的同时，也在 不断下功夫研究摆辗工艺，并将其应用于锻件生产之中。例如，国外汽车锻件， 如行星齿轮、各种法兰、半轴齿轮、端面齿轮齿条、异形杆类件以及各种环类 件与薄壁形件等比较广泛地采用了锥辊轧制工艺生产。瑞士s c h m i d 公司到目前 为止售出1 0 0 多台锥辊轧制机每年所生产的零件数量达5 0 0 0 万件以上，并认为 这仅是可用锥辊轧制方法生产零件的潜在市场的1 2 0 ，由此可见其发展前景。 此外，英国、美国等国还用冷摆辗工艺方法生产了重型汽车变速箱中的钢质同 步器环锻件，达到了节能8 0 ，提高生产效率3 0 0 的效果 s l 。 我国也是摆辗技术与锥辊轧制机设计制造和应用的积极研究推广者，从 1 9 9 2 年就开始摆动辗压研究工作。最早是上海电机锻造厂研制出运动轨迹为单 武汉理工大学硕士学位论文 轨迹锥辊轧制机，主要用于汽车半轴的热摆辗成形。接着武汉汽车齿轮厂试制 成功第一台1 2 0k n 立式摆辗试验机，随后一些设计单位和工厂从所生产的锻件 或研究对象实际需要出发，依靠自己的力量先后自行设计制造了3 0 0 k n 一4 0 0 0 k n 共8 种规格卧式摆辗机共1 0 多台，用于温辗和热辗锻件收到了明显的经济 效益。随着改革开放的深人，我国先后从波兰引进了8 台p x w 型摆辗机，其 中6 台为1 0 0 0 k n ，2 台为2 0 0 0k n 摆辗机。从瑞士引进t - 2 0 0 、t - 4 0 0 、t - 6 3 0 型摆辗机各一台，还从日本引进一台4 0 0 0 k n 摆辗机。近2 0 多年来，国内可以 说是开始了引进消化并仿制锥辊轧制机的历程。 目前，我国研究设计制造锥辊轧制机主要厂家、公司和院所有：徐州特种 锻压机床厂、沈阳天利公司、中国兵器工业第五九所。其中第五九研究所开展 摆动辗压技术研究处于国内领先的地位。该所1 9 8 8 年起开始研制计算机控制器 轨迹b y 型锥辊轧制机。目前己开发出该型设备有b y l 6 0 、b y 2 0 0 , b y 4 0 0 ，b y 6 3 0 a ，b y 6 3 0 b 等5 种。据不完全统计，我国已拥有近百台锥辊轧制 机用于锻件生产，到目前为止，我国已采用热摆动辗压工艺生产出蝶形弹簧、 铣刀片、汽车桥半轴、大直径法兰盘( 包括高颈大法兰) 、大齿轮坯各种薄壁盘 类饼类锻件等，采用冷摆辗工艺已生产出凸轮、汽车用行伞齿轮、后桥被动齿 轮、带齿活塞、摩托车飞块、电动工具用端面行轮等。待开发的还有各种齿圈、 起重机车轮、火车轮等，摆动辗压还可拓宽应用的范围有：进行摆辗精密冲裁， 摆辗粉末冶金锻造，摆辗切削等工艺，还可以进行包括摆辗在内的复合工艺如 摆辗镦粗一楔形模横轧、摆辗镦粗一剪切、摆辗镦粗一冲孔等。 2 2 锥辊轧制原理 2 2 1 单锥辊轴向轧机原理 单锥辊轴向轧制又称摆动辗压，最早出现在2 0 世纪3 0 年代，直到7 0 年代 初期波兰人马尔辛尼克研制出四轨迹冷成形摆动辗压机后，才真正作为一种工 艺技术转入生产应用1 2 1 。 目前回转轧制中能进行轴向轧制的轧机有摆动辗压机( 见图2 - 1 ) 、轴向模 轧机( a x i a lc l o s e 2 d i er o l l i n g m a c h i n e ) 和s m d 压床( s u m i t o m oi n c l i n e dr o t a r y d i e p r e s s ) 。摆动辗压原理图( 见图2 1 ) ，摆动辗压工艺具有如下特点【6 】： ( 1 ) 摆辗模具有两部分：上模( 即摆头) 和下模。摆动辗压与其它形式的 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 压力加工方法( 一般锻造、冲压、挤压、拉拔、轧制、旋压、斜轧，辊锻、楔 横轧、旋转锻造、轧环等) 相比，其模具之间相对运动的状况要复杂的多。上 模的运动可以分解为：绕自身轴线的转动+ 轴线绕设备主轴的摆动；下模作沿 设备主轴向上的进给运动。 ( 2 ) 摆辗成形过程中，摆头与坯料之间始终局部接触。如图1 所示，摆头 中心线o z 与机器主轴中心线o m 相交成口角，此角称摆角。当主轴旋转时， o z 绕o m 旋转，于是上模便产生了摆动。与此同时，下模在油缸作用下上升， 并对毛坯施压，这样上模母线就在毛坯上连续不断地滚动，最后达到整体成形 的目的。相当于锥体沿母线在工件上滚动+ 滑动，接触面偏向一旁，即机床承受 周期变形偏心载荷。摆头与坯料之间的接触面积是整体投影面积的1 n ( n = 5 1 0 ) 倍，变形力仅为原来的1 n 。 直线运动式锻压机一般能锻压各种复杂形状的锻件，但工具与工件的相对 接触面积大，变形时工件质点流动相对滑动，需要克服较大的摩擦力；由于单 位面积变形抗力大，造成设备吨位大、震动大、噪音高、污染环境。回转式锻 压机床工作时，工具与工件局部接触，静压力加工，接触面积小，工件与接触 工具相对滚动，摩擦阻力小，这就减少了设备自重，降低了造价，也提高了设 备的相对刚度，提高了锻件的加工精度。同时，模具的工作环境与一般锻造相 比也得到改善，其造价低，寿命长，降低了生产成本。因此回转轧制就具备省 力、节材、节能、生产效率高、制件精度高、模具寿命长而生产成本低、无振 动和冲击、劳动条件好等诸多优点。发展回转轧制的设备和工艺可促进锻造行 业的技术进步。 图2 1摆动辗压机 卜锥辊2 一轧件3 一工作台4 - 1 件 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 双锥辊轴向轧机原理 2 3 1 双锥辊轴向轧机原理 根据武汉理工大学的专利“锥辊辗压机”f 专利号： z l 0 0 2 2 9 3 7 1 1 4 ) 开发 研制了新型压力机一双锥辊轴向轧机，该机床的原理如图2 2 所示1 7 i 。该机床 有两个锥辊分别装在机床主轴轴线两侧，两锥形轧辊回转轴线与机床主轴轴线 相交于一点，交角a 一4 5 。，锥顶角，= 9 0 。主电动机通过减速箱驱动回转头旋 转，实现两锥辊绕机床主轴轴线公转。工作台装在滑块上，在液压缸活塞的驱 动下，工作台与锥形轧辊距离渐近直到接触轧件时，两者之间的接触摩擦力带 动锥辊绕自身轴线自转，即为轧辊在轧件上面滚动( 见图2 - 2