（材料加工工程专业论文）基于楔横轧预制坯的气门终锻成形工艺研究.pdf

摘要 摘要 气门是发动机的关键零件，目前主要采用电镦一模锻和挤压一模锻工艺 进行生产，但在实际生产中存在产品质量不稳定、生产效率低、模具寿命低 等问题。楔横轧是一种连续渐进回转近净成形工艺，生产效率高，产品质量 稳定；采用楔横轧预制坯再终锻成形的气门楔横轧一模锻工艺，能克服电镦 一模锻和挤压一模锻工艺的缺点。在楔横轧一模锻工艺，确定合理的楔横轧 预成形毛坯形状尺寸是关键。本论文对楔横轧预成形毛坯的终锻成形工艺进 行研究，并结合楔横轧和终锻工艺要求研究不同预成形毛坯形状尺寸对终锻 成形过程和气门终锻件的影响，优化预成形毛坯形状，具体内容为： 1 ) 终锻成形的金属变形规律。设计基于楔横轧制坯的预成形毛坯各个尺 寸，利用计算机模拟软件，对该工艺的终锻成形过程用计算机模拟仿 真，得到其终锻成形过程中的金属流动规律，成形机理，以及其温度的 变化，通过实验初步验证该工艺的可行性。 2 ) 不同预成形毛坯形状尺寸对终锻成形过程和气门终锻件的影响。运用塑 性成形数值模拟软件，考虑形状尺寸公差对不同形状尺寸的预成形毛坯 终锻成形过程进行模拟，获得各个形状尺寸对成形过程以及成形工件的 影响，主要包括端面倾斜度，高径比，端面大凹坑，端面圆角，毛坯杆 部尺寸偏差，过渡圆角，杆部偏差的定位等因素，研究表明：形状尺寸 公差以及这些因素会对成形过程的金属流动不均匀造成一定的影响，同 时对锻后零件的形状和质量也有影响。为了验证数值模拟结果，设计了 实验方案进行了不同形状尺寸预成形毛坯的终锻成形实验，实验验证了 数值模拟结果。根据数值模拟和实验，最终确定不同条件下的满足终锻 成形工艺要求的预成形毛坯形状尺寸。 广东1 = 业大学工学硕士学位论文 3 ) 终锻模具的受力变形和寿命分析。对气门终锻成形锻模具的失效形式进 行统计分析，发现模具的主要失效形式为：r 位磨损、r 位细小裂纹、 整体开裂、r 位刮伤、尺寸不合格及夹模等。运用d e f o r m 软件对终锻 成形过程中模具的应力、应变、温度等变化进行模拟，分析了模具产生 失效的具体原因，提出了提高模具寿命的具体方法。 本论文对基于楔横轧制坯终锻成形过程及其模具的研究，为楔横轧工艺 成形的坯料形状控制提供依据，为气门楔横轧一模锻成形的工艺生产奠定基 础，对气门楔横轧一模锻成形工艺的推广应用具有重要意义。 关键词：气门；终锻成形；楔横轧一模锻；数值模拟；模具失效 a b s t r a c t a b s t r a c t v a l ei st h ek e ye n g i n ep a r t s ，t h a tt h ec u r r e n tm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e sa r et h e u p s e t t i n g - f o r g i n ga n dt h ee x t r u s i o n - f o r g i n g ，w h i c hh a v et h ep r o b l e mo f u n s t a b l e q u a l i t y , l o wp r o d u c t i v i t y , l o w l i f eo fd i ee t ci nt h ea c t u a lp r o d u c t i o n c r o s s w e d g er o l l i n gi s ac o n t i n u o u sr o t a r ya n dn e a rn e ts h a p et e c h n o l o g y , h i g h e f f i c i e n c y , s t a b l eq u a l i t y ；t h et e c h n o l o g yo f c r o s sw e d g er o l l i n gh a sb e e nu s i n g i np r o d u c t i o no fp r e f o r m e db l a n kf o r m i n go fv a l v e ，w h i c hc a no v e r c o m et h e s h o r t c o m i n g so fu p s e t t i n g - f o r g i n ga n de x t r u s i o n - f o r g i n g 。i nt h ec r o s sw e d g e r o l l i n g f o r g i n gp r o c e s s ，h o wt od e t e r m i n et h es h a p e sa n ds i z e so f t h ep r e f o r m e d b l a n ki st h ek e y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w es t u d i e dt h ev a l v e so ff o r g i n gp r o c e s so f c r o s s i n gw e d g er o l l i n gp r e f o r m e db l a n k ，c o m b i n e d w i t ht h et e c h n o l o g i c a l r e q u i r e m e n t so ft h ec r o s sw e d g er o l l i n ga n df o r g i n g ，s t u d i e dt h ei m p a c to ft h e d i f f e r e n tp r e f o r m e ds h a p e sa n ds i z e so nt h ep r o c e s so ff o r g i n ga n df o r g e dv a l v e ， a n do p t i m i z i n gi t ，t h es p e c i f i cc o n t e n t sa sf o l l o w s ： 1 ) t h em e t a ld e f o r m a t i o nr e g u l a r i t yo ff o r g i n g t h ep r e f o r m e db l a n ks i z e s a r ed e s i g n e d ，w h i c hb a s e do nt h ec r o s sw e d g er o l l i n gb i l l e t t h ef i n i t e e l e m e n ts o f t w a r ew a su s e dt om a k es i m u l a t i o na n a l y s i so nt h ef i n i s h - f o r g i n gp r o c e s so ft h ee n g i n ev a l v e i n f o r m a t i o na b o u tt h em e t a lf l o w r e g u l a r i t y , t h em e t a ld e f o r m a t i o nm e c h a n i s m , a sw e l la s i t st e m p e r a t u r e c h a n g e s ，t h ef e a s i b i l i t y o ft h e p r o c e s s i s v e r i f i e d b yp r e l i m i n a r y e x p e r i m e n t 2 ) t h ei m p a c to ft h ed i f f e r e n tp r e f o r m e ds h a p e sa n ds i z e so nt h ep r o c e s so f f o r g i n ga n df o r g e dv a l v e t h ef m i t e e l e m e n ts o f t w a r ew a su s e dt om a k e s i m u l a t i o na n a l y s i so nt h ef m i s h f o r g i n gp r o c e s so ft h ee n g i n ev a l v ew i t h d i f f e r e n tp r e f o r m e ds h a p e sa n ds i z e s ，i n c l u d i n gs u r f a c es l o p e ，h i g ha s p e c t r a t i oo nt h eb i gm o d u l u s ，c o n v e xs u r f a c e ，r o u n d e d ，b l a n ks i z ed e v i a t i o n , s t e mt r a n s i t i o na r c ，s t e mt h ep o s i t i o n i n ge r r o ro fw o r kp i e c ea n dt h e f o r m i n gp r o c e s so ft h e ：s ef a c t o r st o t h ee x p e r i m e n t sa r eu s e dt ov e r i f yi t ， f i n a l l yc o n f i r m i n gt h ep r e f o r m e ds h a p e sa n d s i z e su n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n sa n di t si m p a c to nt h ef o r m i n gp r o c e s s 3 ) a st of o r c ed e f o r m a t i o na n dl i f ea n a l y z eo ff i n i s h i n gd i e ：a n dr e s e a r c ho n 广东工业大学工学硕士学位论文 t h ef i n i s h i n gd i eo ft r a d i t i o nf o r m i n gp r o c e s so fv a l v e ，f i n do u tt h em a i n w a yo ff a i l u r e u s e dt h e d e f o r mt os i m u l a t et h es t r e s s 、s t r a i n 、 t e m p e r a t u r ea n dt h ei n f o r m a t i o no ft h e r m a lf a t i g u eo ff i n i s h i n gd i e t os t u d yt h ef o r g i n gp r o c e s so f t h ev a l v eb a s e do nc r o s sw e d g e r o l l i n g f o r g i n g a n di t s d i e ，i tp r o v i d e dt h ep r e f o r m e db l a n ks h a p e sa n ds i z e sc o n t r ol l i n gf o r p r e v i o u sb l a n k ，a n dt h eb a s i sf o rt h ec r o s sw e d g er o l l i n g f o r g i n gp r o c e s su s e dt o p r o d u c ew a sp r o v i d e d i ti sg r e a ts i g n i f i c a n c et op r o m o t et h eu s eo ft h ev a l v e w e d g er o l l i n g - f o r g i n gp r o c e s s k e y w o r d s ：v a l v e ；f i n i s h i n gf o r m i n g ；c r o s sw e d g er o l l i n g f o r g i n g ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；d i ef a i l u r e i v 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的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，不包 含本人或其他用途使用过的成果。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。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签字： 章惫影 论文作者签字青母哪 9 7 年6 月f | 日 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 第一章绪论 1 1 1 课题来源 课题来源于与广东怀集汽车配件制造有限公司合作的广东省教育部产学研 结合示范基地项目一发动机气门制造新技术研发基地项目( 编号： 2 0 0 7 8 0 9 0 2 0 0 0 2 7 ) 和广东省教育部产学研结合项目一汽车发动机气门楔形横轧新 技术( 编号：2 0 0 8 8 0 9 0 5 0 0 1 6 5 ) 。 1 1 2 课题研究的目的和意义 进、排气门是发动机的重要零件，虽然它的几何形状比较简单，但其尺寸精 度、表面质量和机械性能要求很高，附录1 为c p l 8 1 的零件示意图。气门生产包 括成形加工、机械加工、热处理等主要工艺共6 0 多道工序；目前国内外气门毛 坯的成形加工生产主要有电热镦粗模锻和挤压模锻两种工艺方法。气门电热镦 粗一模锻工艺生产中常出现两大难题：一是工艺参数多，包括砧子与夹头间的初 始距离a 、镦头前进速度v 。、砧子后退速度v 2 、加热电流i 与顶镦力p 五个参数 等，各参数间相互关联，难于合理设置；二是头部“蒜头 形状难于控制，常出 现“蒜头”表面裂纹而导致锻件废品率高，导致气门产品质量不稳定，而且生产 效率低。挤压一模锻工艺成形时所需的挤压力大，挤压开始变形大，凹模所受应 力也较大，对挤压模凹表面的磨损加剧，缩短模具寿命，一次性投资高。无论是 镦锻工艺或是挤压工艺，最后都要进行终锻这道工序，终锻成形是至关重要的工 序，它直接影响锻出毛坯的精度和以后机械加工工序的多少和难易。 随着汽车行业的迅速发展，对气门的数量和品种需求越来越多，对气门的生 产效率和产品质量要求越来越高，尤其是随着发动机向强化方向发展，对其质量 广东工业大学工学硕士学位论文 和综合机械性能的要求相应会越来越高【。为解决电镦一模锻和挤压一模锻工艺 的缺点，结合楔横轧成形的特点，开发楔横轧一模锻的气门毛坯加工工艺，楔横 轧能显著提高生产效率，且能保证终锻气门毛坯的质量，降低生产成本和生产周 期。采用楔横轧一模锻工艺加工气门较目前的电镦一模锻工艺将具有很大的优 势。其原因主要是： 采用楔横轧制坯的生产效率高，达1 4 件分钟，较电镦的3 - 5 件分钟， 提高了约4 倍。 楔横轧制坯时，整个工件温度都得到较精确的控制，而电镦成形时工件 温度无直接控制，随变形过程产生剧烈变化，温度分布也极不均匀，因 此楔横轧一模锻工艺加工的气门内部组织和质量将较电镦一模锻工艺 高，且较精确的工件温度能提高模具寿命。 楔横轧制坯时，金属是在模具约束的受控状态下变形，而电镦成形时变 形部分金属基本不受直接控制，因此整个生产过程的废品率将降低，合 理的预成形毛坯形状也有利于终锻模具寿命的提高，受控状态下的金属 变形也能保证产品内部流线等组织性能。 楔横轧制坯采用的是热轧材大直径初始坯料，而电镦采用的是小直径冷 拔后磨削加工的棒材，初始成本降低。 在楔横轧一模锻工艺成形中，采用楔横轧加工出预成形毛坯，再进行终锻 成形。楔横轧制坯与电镦和挤压制坯不同，从而会导致终锻出现的一些问题。因 此，利用计算机模拟软件对基于楔横轧制坯的气门终锻成形过程进行了模拟，根 据模拟结果确定了气门楔横轧预成形毛坯主要的形状尺寸，同时研究各种形状尺 寸和工艺参数对成形过程与终锻零件的影响，并结合实验验证数值模拟结果，最 终确定满足终锻成形工艺要求的预成形毛坯形状尺寸，这些研究将对楔横轧一模 锻工艺的稳定和推广应用具有重要意义。 第一章绪论 终锻成形模具是气门毛坯生产的重要工艺装备，模具的质量不单影响产品 质量和工艺的稳定，同时显著影响生产效率。模具寿命的高低是衡量模具质量的 重要指标之一。目前实际生产中气门终锻模具的寿命平均为5 0 0 - - 9 0 0 件，随着气 门制造质量的不断提高，尤其是气门锻件精密化的要求，其模具使用寿命会更 低。生产实践表明预成形毛坯的形状以及终成形模具模膛的结构等参数直接影响 气门的质量和终锻模具的寿命。为了提高模具的寿命，必须对模具的失效情况进 行分析。目前模具失效的统计分析表明，模具的主要失效形式为：r 位磨损、r 位细小裂纹、整体开裂、r 位刮伤、尺寸不合格等。因此，运用计算机软件模拟 分析气门成形工艺终锻过程的模具，获得模具的应力应变以及温度的传递过程， 分析终锻模具可能出现的失效形式，对气门的楔横轧一模锻工艺生产具有重要意 义。 1 2 国内在气门成形工艺方向的研究现状与发展 目前，国内外气门毛坯主要有两种生产工艺：1 ) 电镦一模锻工艺，电镦是 采用冷拉棒料先用电镦机镦粗后再在摩擦压力机上锻压成形( 如图1 1 ) 。电镦 时，生产效率较低，且工件镦粗变形处于局部自由状态，金属流动没有受到精确 控制，容易产生折叠、裂纹、变形不均等多种质量问题，造成废品【6 】。2 ) 挤 压模锻工艺，采用热轧棒料经中频加热后在挤压机上挤压成形，再进行终锻成 形生产气门毛坯( 如图1 - 2 ) ，挤压预成形毛坯时，金属流动剧烈，模具表面磨 损严重，模具寿命低，生产成本高【5 】。国内气门成形绝大多数采用电镦一模锻工 艺。国外气门毛坯成形采用电镦和挤压工艺均较普遍。 广东工业大学工学硕士学位论文 ( a ) 棒料( b ) 电镦预成形毛坯( c ) 气门毛坯 图1 - 1 气门镦粗成形工艺过程 f i g u r e1 1v a l v eu p s e a h 1 9f o r m i n gp r o c e s s 口 ( a ) 棒料( b ) 挤压预成形毛坯( c ) 气门毛坯 图1 - 2 气门挤压成形工艺过程 f i g u r e1 - 2v a l v e e x t r u s i o np r o c e s s 本校的章争荣，孙友松等运用有限元软件m a f a p ，对气门毛坯的终锻成形过 程进行数值模拟分析，获得了金属在模具型腔填充时的速度场、应变场分布以及 模具受力等信息，并研究得到终锻成形的金属变形机理h 1 。 第一章绪论 本校肖小亭，章争荣，孙友松等运用有限元软件 雌f a p ，对气门毛坯的终锻 成形过程进行了数值模拟，得到不同的俐直过小时坯料镦粗变形过大，而 值过大时坯料挤压变形过大。厅值过小时可能出现充不满的缺陷，刀值过大时会 造成凹模表面磨损加剧口1 。 华中科技大学的夏巨谌，王新云等针对气门锻件生产中常出现的问题，综 合运用a n s y s 和d e f r o m 软件，对电镦加热、镦粗制坯和终锻成形过程进行了 模拟，根据模拟结果，提出了气门电热镦粗制坯与终成形工艺优化方法口3 。 华中科技大学的王海江，夏巨谌等利用d e f o r m 软件对气门热挤压预成形过 程和终锻成形进行了模拟，并进行了工艺实验，得到了两个工步中的变形和模锻 载荷等详细信息和变化规律，为气门热挤压精锻成形提供了理论依据喳1 。 华南理工大学的邝卫华，阮峰等针对电镦成形，编写了专门的有限元程序 对其成形过程进行分析，并结合实际分析个种工艺参数对产品质量缺陷的影响， 提出相应的控制策略嘲。 华南理工大学的邝卫华，阮峰等针对电镦成形工艺，提出一种网格再划分 法，采用分层压缩模型，利用有限元分析来进行成形过程的模拟其电镦成形过 程删。 韩国的j e o n gh s ，c h oj r 运用有限元分析，对大型船用柴油机排气门的电 镦和终锻成形过程模拟，获得其成形过程的金属流动机理，确定制造工艺嘲。 以上学者在气门成形方面有很多的研究，但是未见有采用楔横轧制坯后终 锻成形方面的研究，也未见有对不同形状尺寸公差对成形过程和锻件形状方面的 研究。 1 3 国内外热锻模具的研究现状与发展 热锻塑性加工技术向高速、高效、高精度、大批量连续生产发展，对模具提 出了更高的性能和寿命要求。锻造温度及精锻时的氧化皮对寿命的影响波动可达 2 0 0 ，预热的影响因素可达5 0 ，进一步的影响因素为：由打击次数因素引起 广东工业大学工学硕士学位论文 的波动达5 0 ，由硬度因素引起的波动达2 5 ，由模具材质成分变动引起的波动 达1 5 。由于这些综合因素的影响，在用同一模具材料制同样锻件时，模具使用 寿命的波动可达5 0 0 t ”】。 日本特殊钢厂对模具的破损进行过调查，破损失效原因比例如表1 - 1 所示。 这个比例不能一概而论，各个国家和各个企业是不同的。在国内的一些企业中， 因模具管理不善，操作使用不当，设备精度差造成模具破损失效的比例不低于模 具材料和热处理的不当。但对模具进行失效原因、比例的分析，有助于寻找模具 破损的主要原因，采取防止失效的措施，延长使用寿命，是十分必要的【1 5 - 1 6 1 。 对气门模具的使用寿命和失效原因进行了抽样调查，常见的失效形式有r 位 磨损、r 位细小裂纹、整体开裂、r 位刮伤、尺寸不合格等，这些失效形式不 同，所占比例不同，各自所对应模具的平均寿命也不同，如图1 3 为失效形式所 占比例，图1 4 为调查1 0 0 0 个失效模具中，不同失效形式数量【1 7 】。 表卜1 模具失效原因比例 t a b l e1 1d i ef a i l u r er e a s o n 热处理加工 使用材料 设计选材 其他因 合计 不当不良不当缺陷 不合 不当素 断裂 3 91 2916357 5 磨损 617 变形 21l4 热裂1 12 其他 23521 2 合计4 91 61 1 7648 1 0 0 第一章绪论 3 8 9 b 3 0 铹勰 2 0 l 泓 1 0 8 o r 位麻坑r 位细裂纹换班 开裂r 位刮痕尺寸不合格夹模 其他 图卜3 失效形式比例 f i g u r e 1 - 3f a i l u r ef o r mp r o p o r t i o n o 0 0 0 o o o 0 o o o 0 0 o o o 0 0 0 o 0 9 8 7 6 5 4 3 2 l 1 ) 数量支 ，、 广东工业大学工学硕士学位论文 料具有更高的失效抗力，即提高室温和高温的屈服强度、硬度和热稳定性。将 h d 2 钢应用于热锻模可使模具使用寿命提高2 倍多n 羽。 湖北三环气门有限公司的李乾方采用理论分析与实验研究相结合的方法， 分析归纳气门锻模的失效形式与原因，探讨并提出提高模具寿命的有效措施羽。 重庆大学机械工程二系的邱忠义，金伟东等采用刚一粘塑性有限元法模拟热 变形过程，获得电镦终锻时模具工作表面的应力分布，以此为依据，用弹性有限 元法分析模具强度。使用预应力结构优化设计，降低模具工作表面应力水平，从 而延长了模具的寿命乜】。 西安航空职业技术学院的谌峰，王波等阐述了热锻模具的失效原因和失效 形式，分析了影响热锻模具寿命的因素，提出提高热锻模寿命的措施n5 1 。 武汉理工大学的龚明亮，王华昌，王俊等运用d e f o r m - 2 d 有限元软件模拟 了同样的模具材料采用不同的工艺参数以及同样的工艺参数采用不同的模具材料 时，热锻模材料变物性参数对模具应力的影响。得到了锻模材料的4 个变物性参 数对模具应力影响的规律n 羽。 湖北汽车工业学院材料工程系的周惦武对热锻模具的失效原因分析，包 括：崩裂、塌陷、热疲劳裂纹、磨损等。提出了部分改进方案，主要包括新型热 锻模具材料的不断研制、表面热处理、对模具结构和材料进行优化设计嘲。 机械工业部第二设计研究院的喻兴娟以某齿轮厂的锻模为例子，说明热锻 模的主要失效原因，并提出了预防措施：选用具有较高的高温强度和抗回火能 力、红硬性好、韧性好的模具钢；采用软氮化工艺，提高表面硬度，增加硬化层 的质量和厚度，以提高模具的高温强度，提高型腔的抗塌陷能力；正确使用、合 理维护、保养模具延长模具寿命口。 美国的t u l s y a n ，r 和s h i v p u r i ，r 用计算机模拟分析气门挤压模具，得到了 挤压过程中的加压速度，初始毛坯温度和模具预热温度对模具磨损的影响口划。 第一章绪论 以上学者在热锻模的失效方面有很多的研究，但是未见有气门采用楔横轧 制坯后终锻成形方面的热锻模的研究，大部分的失效分析也都是从工厂或是现场 的工作环境和经验得出的，并没有得出热锻模成形过程中模具应力应变和温度的 具体变化。 1 4 本课题主要研究内容 本文对基于楔横轧预制坯的气门终锻成形过程进行数值模拟和实验研究， 研究基于楔横轧制坯的预成形毛坯，获得预成形毛坯形状尺寸公差对终锻成形过 程和气门终锻件形状尺寸的影响，优化基于楔横轧制坯的预成形毛坯的各个工艺 尺寸，同时进一步分析其模具的变化，具体内容为： 1 ) 基于气门楔横轧模锻加工工艺终锻过程的研究，结合楔横轧成形工艺的 特点，对气门预成形毛坯进行优化及设计。根据气门毛坯楔横轧模锻成 形工艺中楔横轧和终锻工艺特点和要求，设计了不同初始直径的预成形毛 坯形状尺寸，运用d e f o r m2 d 软件对其终锻的局部镦挤成形过程进行数 值模拟，获得了终锻成形中金属的流动变形和挤压导致杆部长度增加变化 等规律，研究得到终锻成形的金属变形机理。 2 ) 分析楔横轧生产的预成形毛坯可能出现的与传统工艺不同的形状尺寸问 题，研究不同形状尺寸的预成形毛坯在成形过程中的影响，及其对锻后零 件形状尺寸的影响，寻找最佳的预成形毛坯形状和尺寸，以及确定合理的 终成形的结构参数，为前一工艺成形的坯料形状控制提供依据。 3 ) 对气门成形工艺过程的模具失效进行统计，分析模具的主要失效形式，利 用d e f o r m3 d 获得楔横轧一模锻加工工艺终锻过程，获得模具工作表面的 应力分布，温度的传递变化，以此为依据，再分析模具受力与磨损，对其 进行失效分析，为优化模具设计提供一个理论基础。 4 ) 工艺过程的实现及实验研究：根据楔横轧模锻工艺导致气门的预成形毛 广东工业大学工学硕士学位论文 坯形状尺寸的变化，以及数值模拟的结果，设计了不同气门毛坯的终锻成 形实验方案，对不同气门预成形毛坯形状尺寸对成形过程和气门终锻件质 量的影响进行实验研究，实验结果验证了数值模拟的分析结果。 第二章楔横轧一模锻工艺气门预成形毛坯设计 第二章楔横轧一模锻工艺气门预成形毛坯设计 2 1 基于楔横轧制坯的预成形毛坯设计 楔横轧是一种轴类零件成形新工艺，新技术。该工艺在学科上属于冶金和 机械学科的交叉，与传统的切削、锻造零件成形工艺比较，它具有生产效率高 3 - - 7 倍，节约材料率2 0 - - 4 0 ，成本低3 0 左右等优点，被公认是当今先进制 造技术的组成部分瞄】。考虑楔横轧成形工艺的特点，结合气门的形状尺寸，本 文采用楔横s l ) j h 工工艺来加工气门的预成形毛坯。 2 1 1 采用楔横轧工艺制造预成形毛坯的可行性分析 气门是一种的头部与杆部横截面积相差非常大，不能在头部与杆部的交界 处用焊接方法加工，采用机加工的方法将造成材料的极大浪费，因此，其毛坯一 般采用塑性成形的方法进行生产。但由于需成形部位的长径比太大，不能直接采 用常规的镦粗方法进行成形，在毛坯终锻成形前必须采用特殊的预成形方法聚料 制坯，下面以型号为c p l 8 1 的气门为例( 附录1 ) 进行分析。由于气门的头部和 杆部直径相差过大，直接用一次性大直径或是小直径成形是不可行的，以往气门 成形工艺中都是用电热镦粗和热挤压的方法制造预成形毛坯( 如图2 - 1 ) ，本文 考虑用楔横轧工艺来制造预成形毛坯，根据楔横轧的工艺特点，可以为终锻工艺 提供毛坯，采用楔横轧一模锻工艺加工气门较目前的电镦一模锻工艺将具有很大 的优势。 广东工业大学工学硕士学位论文 a ) 电镦预成形毛坯b ) 挤压预成形毛坯c ) 终锻件 图2 1 预成形毛坯和终锻件示意图 f i g u r e 2 - 1p r e f o r m e db l a n ka n df o r g i n g ss c h e m e s 楔横轧的工作原理如图2 - 2 所示，两个带楔形模具的轧辊，相同的方向旋转 并带动圆形轧件旋转，轧件在楔形孔型的作用下，$ l n 成各种形状的台阶轴。楔 横轧的变形主要是径向压缩、轴向延伸。 1 1 一轧辊2 一轧件3 一导板 图2 - 2 楔横轧工作原理图 f i g u r e2 - 2c r o s sw e d g er o u m gp r i n c i p l ed i a g r a m 楔横轧工艺可生产各种台阶轴类零件，在国内外已生产出数4 0 0 多种零件毛 坯。其中台阶可以是直角台阶，斜台阶，圆弧台阶( 包括凸圆弧台阶和凹圆弧台 第二章楔横轧一模锻工艺气门预成形毛坯设计 阶) 和窄凹档台阶等，如图2 3 所示，可以是单台阶，也可以是组合台阶。楔横 轧工艺以热轧为主，小直径产品可以实现冷轧。产品的直径范围为6 ，- - 1 5 0l i r a ，长 度范围为4 0 - - - 1 2 0 0 舳。楔横轧既可以用于无切削或少切削的精轧，又可以为模 锻件提供毛坯。对生产小直径产品，往往精度要求很高，因此模具费用也很高， 适用大批量生产。 楔横轧技术有以下优点：1 ) 生产效率大幅度提高，轧辊每旋转一周就生产 一个产品，楔横轧使用的转速一般为6 2 5r r a i n ，即每分钟生产6 - - - 2 5 个产品 ( 成对s l $ , j n 2 n 倍) ，生产效率平均提高5 一- - 2 0 倍，伴随着楔横轧技术的进一步 完善，生产效率将会更大的提高。2 ) 材料利用率显著提高，铸锻之后进行机加 工的产品，材料利用率一般只有6 0 左右，甚至更低。楔横轧成形的每一个产品 只损失两个料头，利用率一般达到8 0 以上。精密楔横轧还可以达到9 0 9 6 以上， 即达到少切削，甚至无切削的目的。3 ) 产品质量提高，楔横轧产品由于金属纤 维连续，晶粒细化，产品的金相组织好，机械性能明显提高，一般承载能力可提 高2 0 左右。4 ) 产品精度高，热轧件径向尺寸公差可控制在0 2 o 5 砌，长 度尺寸公差可控制在0 1 1m m 。采用高刚度轧机或冷轧机，尺寸精度还可提 高，甚至可以达到无切削加工。5 ) 模具寿命长。根据楔横轧的工作原理，作用 在模具上的力比较小，所以模具的寿命可以很长。模具可以根据零件由几块组合 而成，因此磨损的部分可以很容易更换。一般说来，模具的平均寿命能达到 1 0 0 0 0 0 1 5 0 0 0 0 件。6 ) 振动，噪声均较小，劳动条件得到明显的改善。产品的 成形，精整与切断等工序均在轧辊孔型中连续自动完成，易于实现自动化生产。 生产人员、设备、和厂房面积都可大幅度下降，因此也带来产品成本的大幅度下 降。 广东工业大学工学硕士学位论文 匝 匹如 口 匝口 图2 3 楔横轧成形的四种典型阶梯轴 f i g u r e2 - 3c r o s sw e d g er o l l i n gf o r m i n gf o u rt y p e so f t y p i c a ls t e p p e ds h a f t 楔横轧一次成形在不产生缩颈的极限条件下和不产生中心疏松或裂纹的条件 下，断面收缩率可达到3 1 ”8 4 m l ，故不能一次轧出气门，只能轧出中间毛 坯。根据楔横轧工艺的要求，针对附录1 所示气门c p l 8 1 零件，气门杆部直径 为由8 5 m m ，预成形毛坯采用一次轧制成形时可选用巾1 7 m m ( 断面收缩率 7 5 ) 、巾1 6 m m ( 断面收缩率7 2 ) 、由1 5 m m ( 断面收缩率6 8 ) 直径的初始 毛坯，由2 0 m m ( 断面收缩率8 2 ) 的初始毛坯。由于气门直径小，温度下降 快，高合金钢强度相对较高塑性相对较差，在楔横轧一次成形中，断面收缩率不 能过高，由1 5 m m 直径的初始毛坯的头部高度过高，可能导致终锻过程中出现折 叠的现象；由1 7 m m 直径的初始毛坯的虽然刚好达到了一次成形的要求，但可能 在楔横轧成形时的工艺保证有点困难；由2 0 m m 的端面收缩率已接近极限，在楔 横轧成形中可能无法实现，可考虑采用二次轧制。比较三种初始毛坯的尺寸，最 合适的是由1 6 m m 直径的初始毛坯。确定好初始毛坯直径后，需要根据终锻成形 工艺设计出合理的预成形毛坯形状尺寸。 2 1 2 采用楔横轧制造的预成形毛坯的设计 气门成形采用楔横轧一模锻工艺的预成形毛坯设计必须综合考虑楔横轧和 第二章楔横轧模锻工艺气门预成形毛坯设计 终锻工艺的特点和要求。结合楔横轧成形工艺的特点，初步设计楔横轧加工的预 成形毛坯如图2 4 所示的，在楔横轧成形工艺中考虑将直径为d 的棒料进行加 工，即金属体积的重新分配，加工成两边直径为d 、杆部直径为d 、总长度为2 h 的预成形工件，楔横轧成形示意图( 如图2 - 5 ) 。 ：h 一 鼍 fi司 一 图2 - 4 楔横轧加工的预成形毛坯 f i g u r e2 - 4c r o s sw e d g er o l l i n gp r o c e s s i n gp r e f o r mb l a n k 件 模具 图2 - 5 楔横轧成形示意图 f i g u r e2 - 5c r o s sw e d g et o n i n gp r o c e s s 针对预成形毛坯的形状，首先根据气门锻件的杆部直径和过渡圆角确定毛 坯的杆部直径d 和圆角r ，然后根据体积不变条件计算其它尺寸。预成形毛坯头部 广东工业大学 二学硕士学位论文 的体积v t 计算时应考虑终锻成形的过程中部分的材料被挤压到杆部，这部分的 体积v 。计算坯料的体积为v 2 = ( v 头+ 、) ( 1 + k ) 。k 为一个安全系数，在计算体 积时可以比较精确的确定其具体的数字，在这里取k = 0 5 左右。求锻后气门零件 头部的各部分体积时，关键是正确求出颈部r 圆弧回转体体积，在之前的气门厂 家在计算这部分体积是主要采用的方法都是近似法，计算出来的毛坯的体积经常 与实际中的偏差很大，在本文中利用计算机三维软件作为辅助工具，可以准确的 把锻后气门零件的体积v 2 计算出来。向下的挤压变形量关系到预成形毛坯头部的 高度及其他的相关尺寸，被挤压到杆部的那部分体积由挤压到杆部的长度h ，可 计算出v ，根据v 2 = ( v 头+ v ) ( 1 + k ) 可计算出楔横轧中毛坯的尺寸，设计出楔横 轧工艺中的初始毛坯。 对于终锻成形，目前电镦一模锻工艺的生产实践表明预成形坯料的形状尺 寸将对工件的成形过程、尺寸精度、产品质量以及终成形模具的寿命等产生直接 影响。不同形状尺寸的预成形坯料，将造成气门毛坯产生充不满、失稳、折叠、 长度尺寸超差等质量缺陷。同时，终锻过程中，头部向下挤压到杆部的长度关系 到预成形毛坯头部的高度及其他的相关尺寸。电镦一模锻工艺实际生产中，终锻 成形的工件向下大概产生5 m m 左右的挤压变形，根据楔横轧和电镦加工预成形毛 坯形状尺寸的差别，向下挤压变形补偿量h 可分别暂设定为5 r e x , 6m ，7f i l l l 。 图2 - 4 为设计的楔横轧预成形毛坯示意图，直径刃为初始毛坯直径，头部高度 根据挤压变形量、初始直径刃和杆部直径d 确定，过渡圆角可根据气门锻件确定 为r = 1 0 n 咂n 。表2 - 1 为不同直径和挤压变形补偿量时，头部高度的取值。初始 直径庐咖1 5 m m 的预成形坯料，终锻局部镦粗时的高径比刃= 3 3 ，可能会产生 失稳，根据终锻成形工艺要求，不宜采用庐西1 5m m 的初始毛坯。至于头部高度 h 最终尺寸需要根据数值模拟和实验确定。 第二章楔横轧一模锻工艺气门预成形毛坯设计 表2 1 预成形毛坯尺寸 t a b l e2 1p r e f o r mb l a n kd i m e n s i o n s h = 5m mh = 6m m h = 7 r a i n hh | dhh | dhh d d ：o l s m m 4 9 3 63 2 9 4 9 6 8 3 3 1 5 03 3 3 d = - 矽16 m m 4 3 4 42 7 24 3 7 22 7 3 4 42 7 5 d ：矽17 m m 3 8 5 02 2 63 8 7 52 2 8 3 92 2 9 胪2 0 m m 2 6 1 41 3 12 6 3 21 3 2 2 6 51 3 3 2 2 采用楔横轧工艺制造的预成形毛坯出现的问题 楔横轧属于连续局部成形，与电镦工艺相比较，采用楔横轧预成形毛坯在 生产时可能出现坯料形状尺寸精度等方面的问题。针对楔横* l n 坯可能产生的一 些问题，对不同预成形毛坯形状尺寸的终锻成形过程进行研究，获得终锻成形时 金属的变形规律，判断会否产生可能的问题，以及寻求产生问题的原因，提出相 应的解决方案，优化满足楔横轧一终锻工艺要求的毛坯形状尺寸，稳定成形加工 工艺，这是气门楔横轧模锻加工工艺研究的关键，也将对该工艺的推广应用具 有重要意义。 2 2 1 尺寸精度 楔横轧的工艺与设备特殊、通用性差、模具大并且复杂、工艺调整难度大 等。所以，零件c l n 适用于批量大，台阶差异大的轴类零件的生产。楔横轧时轴 向定位精度为1 n r , 这将造成工件头部体积的变化，对节省材料和后续机械加 工都有影响；电镦时工件杆部直径偏差为0 0 4 e r a , 而楔横轧时为0 4 e r a , 偏差增 大1 0 倍，对终锻成形工件的最终形状( 变形均匀性、杆部与大盘的垂直度和同 轴度等) 、和材料的利用率及后续机械加工都将产生影响。 2 2 2 端面倾斜度 在轧制过程中，轧辊与轧件并不是发生纯滚动的，在接触部分会有相对滑 广东工业大学工学硕士学位论文 动。在楔横轧模具斜面( 成形面) 内存在一条曲线，在轧制过程中，相接触的各点 只有位于该曲线上时轧件与轧辊的圆周速度是相等的，由于在其它点存在速度 差，轧件与轧辊就存在相对滑动。以楔横轧轧件为平衡对象，由于相对滑动发生 的摩擦力对轧件形成了力偶矩，其沿轧件长度上是变化的，该力偶矩使轧件在发 生主要变形的同时产生了附加的扭转变形，轧件在轧制过程中发生主要变形的同 时会产生扭转变形，并且是不可避免的【3 1 1 。 因此轧制出来的毛坯会产生端面斜度口，如图2 - 6 所示。这个端面斜度口 会对后面终锻出来的工件产生一定的影响楔横车l * j j 坯的预成形毛坯，会使终锻成 形过程中，工件的金属流动不均匀，出现一边产生飞边一边还未充满型腔的情 况，这将影响终锻成形过程及工件的质量和废品量。 图2 - 6 端面倾斜度示意图 f i g u r e2 - 6s u r f a c eg r a d i e n ts c h e m e s 2 2 3 圆角定位问题 楔横轧时可以轧制出不同骨的毛坯，如图2 - 7 所示。这个尺寸也会对下一 步的工序产生一定的影响，将在下面的章节里做进一步的分析。 图2 - 7 预成形毛坯示意图 f i g u r e2 - 7p r e f o r m e db l a n ks c h e m e s 第二章楔横轧一模锻工艺气门预成形毛坯设计 2 2 4 模具中心孔的问题 楔横轧制坯时，工件整体加热，杆部温度较高，会产生热膨胀，终锻时较 目前电镦成形的杆部大，且精度也较电镦成形时的低，将改变模具中心孔的尺 寸，将影响终锻成形和模具寿命。 广东t 业大学工学硕士学位论文 2 3 本章总结 本章分析了用楔横轧制作预成形毛坯的可行性，以某一气门为例说明基于 楔横轧制坯的预成形毛坯的主要工艺参数的设计过程。同时，列出与电镦工艺相 比较，本文所需的毛坯在生产时可能出现坯料形状尺寸精度等方面的问题，主要 包括尺寸精度、端面倾斜度、圆角定位和模具中心孔的问题。 第三章楔横轧一模锻工艺气门终锻成形过程中的数值模拟 第三章楔横轧一模锻工艺气门终锻成形过程中的数 值模拟 3 1 气门毛坯终锻工艺工程的有限元模型 d e f o r m ( d e s i g ne n v i r o n m e n tf o rf o r m i n g ) 是由美国b a t t e l l ec o l u m b u s 实验室在八十年代早期着手开发的一套有限元分析软件。早期的d e f o r m2 d 软 件只能局限于分析等温变形的平面问题或轴对称问题。随着有限元技术的日益成 熟，d e f o r m 软件也在不断的发展完善，目前，d e f o r m 软件已经能够成功的用于 分析考虑热力耦合和非等温变形问题和三维变形( d e f o r m3 d ) 。此外，d e f o r m 软 件可视化操作界面以及强大而完善的网格自动再划分技术，都使d e f o r m 这个商 业化软件在现代工业生产中越来越实用和可靠【3 2 1 。 气门零件在理想情况下均为一回转体，是典型的轴对称成形问题。结合楔 横轧制造的预成形毛坯的形状，为节省时间和工作量，采用d e f o r m2 d 软件进行 模拟，简化分析模型如