（材料加工工程专业论文）基于材料宏细观本构关系的环件冷辗扩模拟研究.pdf

摘要 环件冷辗扩工艺是一种先进的连续局部回转塑性成形技术，具有省力、 节 能、节材、高效、低成本的技术优势，在航空、航天、汽车、火车、能源等领 域获得了越来越广泛的应用。材料性能及其在加工过程中的演化对环件冷辗扩 工艺的影响已经成为环件冷辗扩成形理论与技术发展迫切需要研究的重要课 题。 为 此， 本文从材料宏观和细观本构关系出发， 基于有限元软 件a b a q u s 开 发了材料模型子程序，进而对环件冷辗扩丁艺进行了有限元模拟研究。本文的 主要研究内容和结果有以下几个方面 采用j 2 塑性理论，引 入等向强化系数， 提出了基于弹性张量的 应力补偿更 新 算 法， 提高 了 本 构 计 算的 精 度 和 效 率。 基于 此 算 法在a b a q u s /e x p li c it 平台 开发一 r 混合 硬化弹塑性本构子程序，从而在 a b a q l j s / e x p l i c i t 中 成功实现了 材 料加工硬化各向异性行为的宏观描述。 引入晶体塑性本构理论的时间增量列式， 对数值计算实 现的关键技术提出 了 合理的处理方法，采用自 动修改同 伦的 离散型延拓算法，开发了晶体塑性本 构子程序，从晶体材料冷变形位错滑移的物理本 质上描述了 宏观变形的细观响 应。 单个单元压缩成形模拟的结果验证了 该本 构子程序的可靠性。 从而实现了 在a b a q u s / e x p l i c i t 中晶体材料塑 性各向异性行为的细观描述。 结合所开发的本构子程序， 在a b a q u s / e x p l i c i t 平台上对环件冷辗扩成形 进行三维有限元模拟，研究了材料参数对该成形过程的影响规律。 结果 表明: 等向强化系数、硬化指数和初始屈服应力的增大都使得金属流动变得困难 ， 但变形却越来越均匀， 成形件截面质量提高;同 时使得辗扩力、 辗扩力矩增大， 从而导致环件和驱动辊打滑且越来越严重; 弹性模量主要影响材料的 塑性流动， 其值越大塑性流动越容易。基于虚拟正交试验获得材料参数对辗扩力和鱼尾 形状系数影响的显著性由大到小顺序为:初始屈服应力、硬化指数、等向强化 系数、弹性模量。这些结果为环件冷辗扩成形的选材提供了依据。 关键词有限元模拟;本构关系;环件冷辗扩;晶体塑性;材料参数 1一 西北 _ 业人学 _ 学硕十学位论文 ab s t r a c t c o l d r i n g r o l l i n g i s a n a d v a n c e d p l a s t ic f o r m i n g t e c h n o l o g y w i t h c o n t i n u o u s r e v o l v i n g l o c a l d e f o r m a t i o n , w h i c h h a s s i g n i f i c a n t a d v a n t a g e s i n l a b o r s a v i n g , e n e r g y c o n s e r v a t i o n , m a t e r i a l s a v i n g , h i g h e f f i c i e n t a n d lo w c o s t . t h e t e c h n o lo g y h a s r e c e i v e d a n i n c r e a s i n g a p p l i c a t i o n i n t h e f i e l d s o f a e r o s p a c e , a u t o m o b i l e , t r a i n a n d e n e r g y e t c . t o c o n s i s t e n t w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f c o l d r i n g r o l l i n g t h e o r y a n d t e c h n o l o g y , t h e r e s e a r c h o n t h e e ff e c t o f m a t e r ia l p r o p e r t i e s a s w e l l a s t h e i r e v o l u t i o n i n p r o c e s s i n g o n t h e f o r m i n g t e c h n o l o g y i s b e c o min g a n i m p o r ta n t i s s u e . s o t h i s p a p e r p a y s m o r e e m p h a s i s o n t h e s t u d y o f ma c r o - m i c r o c o n s t i t u t i v e r e l a t i o n s . t h e n u s e r s ma t e r i a l s u b r o u t i n e s w e r e d e v e l o p e d b ase d o n a b a q u s / e x p l i c i t p l a t f o r m , a n d f u r t h e r 3 d - f e m s i m u l a t i o n o f c o l d r i n g r o l l i n g w a s f u l f i l l e d . t h e ma i n a c h i e v e me n t s i n t h i s p a p e r a r e a s f o l l o ws : j 2 p l a s t i c t h e o r y w a s e mp l o y e d w i t h i s o t r o p i c h a r d e n i n g c o e f f i c i e n t i n t r o d u c e d . a s t r e s s o ff s e t u p d a t i n g a l g o r i t h m w a s p u t f o r w a r d o n t h e b as i s o f e l a s t i c i t y t e n s o r , a n d t h e r e s u l t s d e m o n s t r a t e t h e i m p r o v e d c o mp u t a t i o n a l a c c u r a c y a n d e ff i c i e n t o f c o n s t it u t i v e e q u a t i o n . b a s e d o n t h e a l g o r i t h m, t h e s u b r o u t i n e o f e l as t i c - p l a s t i c c o n s t i t u t i v e r e l a t i o n w i t h h y b r i d h a r d e n i n g w a s d e v e l o p e d o n a b a q u s / e x p l i c i t p l a t f o r m . i t f u l f i l l s t h e m a c r o s c o p i c d e s c r i p t i o n o f a n i s o t r o p i c b e h a v i o r i n s t r a i n - h a r d e n i n g i n a b a q u s . t i me i n c r e m e n t a l f o r m u l a s o f c r y s t a l p l a s t i c c o n s t i t u t i v e r e l a t i o n w e r e e m p l o y e d , a n d o p t i m i z a t i o n f o r t h e k e y p r o b l e m s a s t h e s i m p l i f y i n g a n d s o l v i n g o f n o n l i n e a r e q u a t i o n s s e t a n d e v e n t h e i t e r a t i v e i n i t i a l v a l u e s c o n f i r m i n g w a s t r e a t e d . b a s e d o n t h e h o m o t o p y a u t o c h a n g i n g d i s c r e t e - t y p e c o n t i n u a t i o n m e t h o d , t h e s u b r o u t i n e o f c r y s t a l p l a s t i c c o n s t i t u t i v e r e l a t i o n w as d e v e l o p e d . i t e n a b l e s t h e d e s c r i p t i o n o f m a t e r i a l s m i c r o s c o p i c r e s p o n s e s d u r i n g m a c r o s c o p i c d e f o r m i n g p r o c e s s f r o m t h e p o i n t o f v i e w o f d i s l o c a t i o n s l i p . f u r t h e r t h e a c c u r a c y o f t h e s u b ro u t i n e w a s e v a l u a t e d b y t h e r e s u l t s o f s in g l e e l e me n t c o mp r e s s i o n s i m u l a t i o n . t h u s i t e x p a n d s t h e a p p l i c a t i o n o f c r y s t a l m i c r o s c o p i c p l a s t ic a n i s o t r o p i c p r o p e rt y i n a b a q u s / e x p l i c i t . t o s t u d y t h e e f f e c t o f m a t e r i a l p a r a m e t e r s o n t h e d e f o r mi n g p r o c e s s , 3 d - f e m s i m u l a t i o n o f c o l d r i n g r o l l i n g w a s p e r f o r m e d o n a b q u s / e x p l i c i t p l a t f o r m wi t h u s e r s m a t e r i a l s s u b r o u t i n e s d e v e l o p e d . t h e r e s u l t s s h o w t h a t : t h e m e t a l fl o w s d i f f i c u l t l y , t h e ma t e r i a l d e f o r m i n g b e c o m e s u n i f o r m , a n d t h e c r o s s - s e c t i o n o f r i n g b e c o m e s s mo o t h , a s w e l l a s t h e d r a u g h t p r e s s u r e a n d r o l l t o r q u e a u g m e n t , a s s o c i a t e d t r a c k s l i p b e t w e e n t h e r i n g a n d t h e d r i v e r a r i s e s a n d t u rns s e v e r e r w i t h i n c r e a s i n g i s o t r o p i c h a r d e n i n g c o e f fi c i e n t , h a r d e n a b i l i t y v a l u e a n d i n it i a l y i e l d s t r e s s ; y o u n g s m o d u l u s ma in ly a ff e c t s m e t a l s p l a s t i c fl o w . t h e m e t a l fl o w s e a s i e r a s y o u n g s a b s t r a c t 竺 竺 旦 竺竺竺 吧竺竺 竺性竺 竺性 竺竺竺 竺竺竺 竺竺竺竺 三竺 竺 竺竺竺 竺竺 竺竺竺 竺竺竺 竺竺 竺 竺 些 里旦 旦旦 旦 旦旦 旦旦 旦 旦旦 旦竺 竺 竺性 竺竺 竺 月竺竺 竺 旦竺 竺 竺竺竺竺竺竺竺 竺旦里里些 竺吧旦 旦 旦 m o d u l u s t u rn s l a r g e r . o n t h e b a s i s o f v i r tu a l o r t h o g o n a l t e s t , t h e e ff e c t o f m a t e r i a l p a r a m e t e r s o n d r a u g h t p r e s s u r e a n d f i s h t a i l c o e f f i c i e n t o b e y s t h e f o l lo w i n g o r d e r : i n i t i a l y i e l d s t r e s s , h a r d e n a b i l i t y v a l u e , i s o t r o p i c h a r d e n i n g c o e f f i c i e n t a n d y o u n g s mo d u l u s . t h e s e r e s u l t s o b t a i n e d a b o v e w i l l p r o v i d e a v a l u a b l e r e f e r e n c e f o r c h o o s i n g r i n g m a t e r i a l . k e y w o r d s f e m s i m u l a t i o n , c o n s t i t u t i v e r e l a t i o n , c o l d r i n g r o l l i n g , c r y s t a l p l a s t i c i t y , m a t e r i a l p a r a me t e r s i i i 一 西北工业大学工学硕十学位论文 本文的主要创新点与贡献 ( 1 ) 采用 j 2塑性理论，引 入等向强化系 数， 提出了基于弹性张 量的应力 补 偿更新算法， 基于a b a q u s / e x p l i c i t 平台 开发了 混合硬化弹塑性本构子程序， 在 a b a q u s软件中实现了材料加工硬化各向异!生 行为的 描述，从而丰富了 a b a q u s 软件对材料成形的本构描述。 ( 2 )引入晶体塑性本构理论的时间增量列式， 对其数值计算实现的关键技 术提出了合理的处理方法和相关算法，开发了晶体塑性本构子程序，从晶体材 料冷变形位错滑移的物理本质上描述了 宏观变形的 细观响应， 从而在a b a q u s 软件中实现了晶体材料塑性各向异性行为的细观描述。这进一步强化了 a b a q u s 软件对材料成形的本构描述。 ( 3 ) 结合所开发的本构子程序， 在a b a q u s / e x p l i c i t 平台 上对环件冷辗扩 成形进行三维有限元模拟，研究分析了材料参数对该成形过程的影响规律以及 影响的显著性。获得的结果为环件冷辗扩成形的选材提供了依据。 - v 一 第 1章绪论 第 1 章绪 论 引言 环件辗扩又称环件轧制或扩孔，它作为一种特种轧制技术，是利用轧环机 上旋转着的型辊对环坯局部连续加压，使环坯在回转过程中径向厚度收缩、周 向伸长达到直径扩大、壁厚减薄、 截面轮廓成形的连续局部回转塑性成形技术。 与整体模锻成形工艺相比，它具有省力、节能、节材、生产率高、生产成本低、 产品范围广等显著 特点，是轴承环、 齿轮环、法兰环、火车车轮和轮 箍、燃气 轮机环等无缝环形零件的 先进制造技术，因 而日 益广泛地应用于航空 航天、 汽 车、火车、船舶、冶金、化工和能源等工业领域。可用于环件辗扩生产的材料 有碳钢、合金钢、铝合金、铜合金、钦合金、镍合金等多种金属材料，目前轧 制环件的直径为0 4 0 - 0 1 0 0 0 0 m m ，高度为 1 5 一4 0 0 0 m m， 最小壁厚为 1 6 4 8 m m ，环件重量为0 .2 - v 8 2 0 0 0 k g o 环件辗扩技术是伴随着铁路运输业的发展而产生的。自 1 9 世纪中叶以来， 铁路系统的迅速发展使得火车的行驶速度和载重量大幅度提高。火车的铸铁车 轮无法满足高速、重载的要求，于是人们在火车铸铁车轮上装备性能更好的、 可更换的钢制轮箍。为了生产火车轮箍， 1 8 4 2 年英国建造了 轮箍轧机， 1 8 8 6 年 俄国奥斯特洛维茨炼铁铸造厂设立了 火车轮箍生产车间。 随后，环件辗扩技术 不仅在火车轮箍、 火车车轮生产中得到了 广泛应用，在其他环形机械零件生产 中也逐渐得到了 推广应用。我国于2 0 世纪5 0 年代开始应用环件辗扩技术生产 轴承环，1 9 5 9年在上海建立了 锤一 压力机 一 扩孔机的轴承环轧制生产线。现在， 环件辗扩技术己经成为环形机械零件生产的高效、先进和主要工艺方法之一， 并向 着大型、高 速、精密控制、复杂截面和柔性生产方向 迅速发展1 1 1 . 环件辗扩根据不同的依据可以分为不同的工艺类型:根据环坯的变形温度 可分为冷辗扩、温辗扩和热辗扩;根据环件的几何特征可分为盘类环件 ( 厚高 比 可达 1 6 : 1 )辗扩和套筒类环件 ( 厚高比 可达 1 : 1 6 ) 辗扩1 2 1 ;根据模具孔型闭 合状态可分为 开式环件辗扩和闭 式环件辗扩;根据轧环机的类型可分为立式辗 扩和卧式辗扩，也叫径向辗扩和径轴向辗扩。在实际生产中，通常是通过以上 一1 一 第 1章绪论 第 1 章绪 论 引言 环件辗扩又称环件轧制或扩孔，它作为一种特种轧制技术，是利用轧环机 上旋转着的型辊对环坯局部连续加压，使环坯在回转过程中径向厚度收缩、周 向伸长达到直径扩大、壁厚减薄、 截面轮廓成形的连续局部回转塑性成形技术。 与整体模锻成形工艺相比，它具有省力、节能、节材、生产率高、生产成本低、 产品范围广等显著 特点，是轴承环、 齿轮环、法兰环、火车车轮和轮 箍、燃气 轮机环等无缝环形零件的 先进制造技术，因 而日 益广泛地应用于航空 航天、 汽 车、火车、船舶、冶金、化工和能源等工业领域。可用于环件辗扩生产的材料 有碳钢、合金钢、铝合金、铜合金、钦合金、镍合金等多种金属材料，目前轧 制环件的直径为0 4 0 - 0 1 0 0 0 0 m m ，高度为 1 5 一4 0 0 0 m m， 最小壁厚为 1 6 4 8 m m ，环件重量为0 .2 - v 8 2 0 0 0 k g o 环件辗扩技术是伴随着铁路运输业的发展而产生的。自 1 9 世纪中叶以来， 铁路系统的迅速发展使得火车的行驶速度和载重量大幅度提高。火车的铸铁车 轮无法满足高速、重载的要求，于是人们在火车铸铁车轮上装备性能更好的、 可更换的钢制轮箍。为了生产火车轮箍， 1 8 4 2 年英国建造了 轮箍轧机， 1 8 8 6 年 俄国奥斯特洛维茨炼铁铸造厂设立了 火车轮箍生产车间。 随后，环件辗扩技术 不仅在火车轮箍、 火车车轮生产中得到了 广泛应用，在其他环形机械零件生产 中也逐渐得到了 推广应用。我国于2 0 世纪5 0 年代开始应用环件辗扩技术生产 轴承环，1 9 5 9年在上海建立了 锤一 压力机 一 扩孔机的轴承环轧制生产线。现在， 环件辗扩技术己经成为环形机械零件生产的高效、先进和主要工艺方法之一， 并向 着大型、高 速、精密控制、复杂截面和柔性生产方向 迅速发展1 1 1 . 环件辗扩根据不同的依据可以分为不同的工艺类型:根据环坯的变形温度 可分为冷辗扩、温辗扩和热辗扩;根据环件的几何特征可分为盘类环件 ( 厚高 比 可达 1 6 : 1 )辗扩和套筒类环件 ( 厚高比 可达 1 : 1 6 ) 辗扩1 2 1 ;根据模具孔型闭 合状态可分为 开式环件辗扩和闭 式环件辗扩;根据轧环机的类型可分为立式辗 扩和卧式辗扩，也叫径向辗扩和径轴向辗扩。在实际生产中，通常是通过以上 一1 一 两北 ! 业大学 学硕十学位论文 几种工艺类型之间相互组合，以生产不同尺寸、不同截面形状的无缺陷无缝环 件。 环件辗扩是机械零件制造技术与轧制技术交叉复合而成的环形零件连续局 部塑性成形新技术， 它具有如下特点: 驱动辊与芯辊直径相差悬殊; 驱动 辊做主动旋转辗扩运动，芯辊作从动旋转辗扩运动，且它们的转速不同;旋 转辗扩运动与 直线进给运动相互独立; 径向 辗扩运动与端面轴向辗扩运动相 互制约，并都受到导向 辊运动的约束与干涉; 辗扩中环形件毛坯反复多次通 过高 度逐渐减小的轧制孔型; 环件变形儿何边界是复杂的 、不稳定的，变形 的热、力条件也是动态变化的。由于这些特点，环件辗扩不仅表现出了普通平 板轧制、异步轧制、型材轧制、多道次轧制的性质，而且还表现出这些轧制的 藕合性质。环件辗扩不仅表现出了几何非线性和物理非线性，而且表现出了几 何非线性和物理非线性的藕合性质。环件辗扩不仅受到静力学、运动学和动力 学因素的影响，而月还受到这些因素的藕合影响，因而坏件辗扩工艺具有高度 的 复 杂 性 11 1. 环坯在热辗扩成形过程中易产生收缩、脱碳、结垢 ( 氧化皮)等现象而严 重 影响坏件的 最终质量和精度，因而 环件热辗扩常用于大型环件的生 产和进一 步机械加工的制坯;而环件冷辗扩成形，通常用于:辗平预成形环件表面， 提高环件表面精度: 在环件表面 压痕; 实现直接从毛坯到最终尺寸的中、 小型环件的精确成形。环件冷辗扩不仅可以加强环件表面压缩残余应力，提高 环 件的耐磨特性，而且可使环件表面晶粒沿周向分布， 提高环件的 机械加工性 能和质量，因而环件冷辗扩应用更为广泛。 2文献综述 2 . 1 环件冷辗扩工艺技术的研究现状 环件冷辗扩能够实现少、 无切削，获得高 精度的 环件， 这对减少金属损耗， 降 低零件的制造成本具有十分重要的意义， 特别是随着十分昂 贵的 新材料和难 加工材料的推广应用更是如此。所以，对环件冷辗扩工艺进行研究是生产的迫 切需要。迄今为止，很多学者已通过实验研究、理论分析和数值模拟等手段对 环件辗扩制造系统中诸如设备、工艺类型、主要工艺参数、金属流动规律、工 两北 ! 业大学 学硕十学位论文 几种工艺类型之间相互组合，以生产不同尺寸、不同截面形状的无缺陷无缝环 件。 环件辗扩是机械零件制造技术与轧制技术交叉复合而成的环形零件连续局 部塑性成形新技术， 它具有如下特点: 驱动辊与芯辊直径相差悬殊; 驱动 辊做主动旋转辗扩运动，芯辊作从动旋转辗扩运动，且它们的转速不同;旋 转辗扩运动与 直线进给运动相互独立; 径向 辗扩运动与端面轴向辗扩运动相 互制约，并都受到导向 辊运动的约束与干涉; 辗扩中环形件毛坯反复多次通 过高 度逐渐减小的轧制孔型; 环件变形儿何边界是复杂的 、不稳定的，变形 的热、力条件也是动态变化的。由于这些特点，环件辗扩不仅表现出了普通平 板轧制、异步轧制、型材轧制、多道次轧制的性质，而且还表现出这些轧制的 藕合性质。环件辗扩不仅表现出了几何非线性和物理非线性，而且表现出了几 何非线性和物理非线性的藕合性质。环件辗扩不仅受到静力学、运动学和动力 学因素的影响，而月还受到这些因素的藕合影响，因而坏件辗扩工艺具有高度 的 复 杂 性 11 1. 环坯在热辗扩成形过程中易产生收缩、脱碳、结垢 ( 氧化皮)等现象而严 重 影响坏件的 最终质量和精度，因而 环件热辗扩常用于大型环件的生 产和进一 步机械加工的制坯;而环件冷辗扩成形，通常用于:辗平预成形环件表面， 提高环件表面精度: 在环件表面 压痕; 实现直接从毛坯到最终尺寸的中、 小型环件的精确成形。环件冷辗扩不仅可以加强环件表面压缩残余应力，提高 环 件的耐磨特性，而且可使环件表面晶粒沿周向分布， 提高环件的 机械加工性 能和质量，因而环件冷辗扩应用更为广泛。 2文献综述 2 . 1 环件冷辗扩工艺技术的研究现状 环件冷辗扩能够实现少、 无切削，获得高 精度的 环件， 这对减少金属损耗， 降 低零件的制造成本具有十分重要的意义， 特别是随着十分昂 贵的 新材料和难 加工材料的推广应用更是如此。所以，对环件冷辗扩工艺进行研究是生产的迫 切需要。迄今为止，很多学者已通过实验研究、理论分析和数值模拟等手段对 环件辗扩制造系统中诸如设备、工艺类型、主要工艺参数、金属流动规律、工 两北 ! 业大学 学硕十学位论文 几种工艺类型之间相互组合，以生产不同尺寸、不同截面形状的无缺陷无缝环 件。 环件辗扩是机械零件制造技术与轧制技术交叉复合而成的环形零件连续局 部塑性成形新技术， 它具有如下特点: 驱动辊与芯辊直径相差悬殊; 驱动 辊做主动旋转辗扩运动，芯辊作从动旋转辗扩运动，且它们的转速不同;旋 转辗扩运动与 直线进给运动相互独立; 径向 辗扩运动与端面轴向辗扩运动相 互制约，并都受到导向 辊运动的约束与干涉; 辗扩中环形件毛坯反复多次通 过高 度逐渐减小的轧制孔型; 环件变形儿何边界是复杂的 、不稳定的，变形 的热、力条件也是动态变化的。由于这些特点，环件辗扩不仅表现出了普通平 板轧制、异步轧制、型材轧制、多道次轧制的性质，而且还表现出这些轧制的 藕合性质。环件辗扩不仅表现出了几何非线性和物理非线性，而且表现出了几 何非线性和物理非线性的藕合性质。环件辗扩不仅受到静力学、运动学和动力 学因素的影响，而月还受到这些因素的藕合影响，因而坏件辗扩工艺具有高度 的 复 杂 性 11 1. 环坯在热辗扩成形过程中易产生收缩、脱碳、结垢 ( 氧化皮)等现象而严 重 影响坏件的 最终质量和精度，因而 环件热辗扩常用于大型环件的生 产和进一 步机械加工的制坯;而环件冷辗扩成形，通常用于:辗平预成形环件表面， 提高环件表面精度: 在环件表面 压痕; 实现直接从毛坯到最终尺寸的中、 小型环件的精确成形。环件冷辗扩不仅可以加强环件表面压缩残余应力，提高 环 件的耐磨特性，而且可使环件表面晶粒沿周向分布， 提高环件的 机械加工性 能和质量，因而环件冷辗扩应用更为广泛。 2文献综述 2 . 1 环件冷辗扩工艺技术的研究现状 环件冷辗扩能够实现少、 无切削，获得高 精度的 环件， 这对减少金属损耗， 降 低零件的制造成本具有十分重要的意义， 特别是随着十分昂 贵的 新材料和难 加工材料的推广应用更是如此。所以，对环件冷辗扩工艺进行研究是生产的迫 切需要。迄今为止，很多学者已通过实验研究、理论分析和数值模拟等手段对 环件辗扩制造系统中诸如设备、工艺类型、主要工艺参数、金属流动规律、工 第 1章绪论 艺规划和控制、生产线等环节做了大量研究工作。 早 期的 工作 大 多 是 实 验研 究 。 1 9 6 8 年， j o h n s o n 31 首 先 在 立 式 轧环 机 上 进 行 了 一系列 基本参数试 验研究，得到了 力能参数、 变形区形状随进给量的 变化规 律，发 现在辗 扩变形区的径向 对称点存在塑性铰，塑性铰弯矩对金属变形有影 响。同时通过试验对冷辗扩环件在不同变形程度下的屈服强度进行了研究，发 现在相同变形 程度下由于冷辗扩加工导 致的材料屈服强度的增加平均比 墩粗要 小 2 5 %左右。 1 9 7 3 年h a w k y a r d 14 1在 英 国曼 切 斯 特 科 技大 学 ( u m i s t ) 安 装了 一 台 结 构新 颖的环件实 验轧机。 该轧 机刚度大， 芯辊可沿轴线移动， 便于环件装卸。 m a r n a l i s 1 5 1 在该轧机上分别对矩形和异型截面环坯进行试验，发现沿环件轴向有不规则的 双 鼓 度宽 展 变形即 鱼 尾 缺陷 产生 。 m a m a lis 6 1在芯 辊 和 驱动 辊上 分别 安 装测 压 计，采用不同材料的环坯在不同孔型中进行试验以研究轧辊表面的单位压力分 布，发现在变形区入口附近单位压力迅速升高并达到 峰值，随后缓慢降低， 在 轧辊连心线附 近单位压力曲线出 现拐点。当进给速度较大时，芯 辊侧单位压力 出 现两个峰值。 h a w k y a r d 17 j对 环 件 辗 扩 孔型 中 金 属 流 动 特 性 进 行了 深 入 研究， 考 察了 进 给 速 度、摩擦条件、环件形状及孔型尺寸等因素对孔型中金属流动及环件截面形状 的 影响。研究表明，对环件毛坯进行预成形设计可以 改善金属填充效果，并有 效防止缺陷的产生。 一般来说， 试验研究具有一定的针对性， 只能反映研究 对象的某一 侧面， 不 具有普适性，_ 民 耗时耗力、造成能源和材料的浪费，但通过试验研究，人们逐 步 认识到 环件辗扩的一些基本特性， 为进一步 深入开展理论研究奠定了 基 础。 在国 内 ， 华 林 8 -11 等 系 统 研 究了 环 件 辗 扩 的 咬 入 条 件、 锻 透 条 件以 及静 力 学 、 运动学和动力学、金属流动规律、轧环机工艺参数设计和工艺设计与优化等问 题。蒋日 东1 1 2 . 1 5 1 等 对环件辗扩的几何学、 运动学与动力学进行了 分析，建立了 环件辗轧过程的数学模型， 提出了 满足各种约束条件的 径一 轴向 环轧机综合可轧 区， 并对环轧机的 控制系统和环轧过程的c a d / c a e / c a p p / c a m等进行了研究， 为 环轧 过 程 的 工 艺设 计优 化 提 供了 有效 手 段 。 许 思 广 等 16 采 用 极 限 分 析 方 法推 出了 抱辊力的表达式， 确定了环件辗扩时抱辊角的最佳范围。 张猛、 朱春东等1 7 , 1 8 对径向 辗环过程尺寸控制、齿轮坯净形辗环等进行了 研究。陈学胜等 1 9 用上限 法分析了 伞齿轮坯闭 式环轧时的力能参数。周存龙等2 0 ! 用 i - - 限元法计算了l型 一3 一 西j - _ 业大学 卜 学硕十学位论文 截 面环 件 在辗 扩 过 程中 的 辗 扩力 。 在国 外 ， h a w k y a r d 4 采 用平 砧 锻 造 平 板时 的 滑移线场首次给出了辗扩力和力矩的简洁表达式，并与试验结果吻合 良好。 y a n 梦11用能 量 法 研 究了l 型 截 面 环 辗 扩力 矩的 变化 规 律。 h a y a m a 2 2用能 量法 在 圆柱坐标系中对环件辗扩进行了三维分析，建立了金属变形模型，其特点为: 两轧辊压下量由辗扩力平衡条件确定;辗扩变形区划分为驱动辊和芯辊变形区 两部分;环件宽展变形由轴向和径向变形的比值来描述。该模型比较全面地考 虑了 环件辗 扩的 特点 。1 9 8 7 年 l u g o r a 12 3 采用 希尔一 般方 法 h ill s g e n e ra l m e t h o d ) 对连续辗扩过程中环件的 平均宽 展进行了分 析。 h a h n 2 4 1 用三维上限元 法 ( u b e t ) 研究了t 型截面环件辗扩时的 孔型充 满率，并得到了 试验验证。 由于环件辗扩过程是一个集三维变形、连续渐变、 非对称、时变、非稳态等 特征于一体的 几何、物理和边界三重非线性复 杂问 题，而理论解析方法一般均 采用不同假设对问题做了较大程度的简化，且无法提供环件内部精确全面的应 力应变信息。因此许多国内外学者把研究思路转向对环轧过程的数值模拟，弥 补试验和解析方法的不足。 许思广2 5 ,2 6 1 采用热刚塑性有限 元法分析了热环轧过程中 温度的 变化和晶粒 变化的三维分布，同时采用三维刚塑性有限元数值方法对异型截面辗扩进行了 分析，获得了异型截面环件辗扩中金属流动特点和应力应变分布规律，为环车 l 工 艺 设 计 提 供了 参 考。 解 春雷 2 7 -2 9 1等 基 于 动 力 有 限 元 模 拟 的 环 轧 过 程 控制 策 略， 论述了刚粘塑性动力显示有限元的基本方法，发展了环轧过程有限元模拟程序 h - r i n g ， 并模拟了热环轧时的金属流动规律， 模 拟结果揭示了 环坯形状、 尺寸、 温 度和 辗 扩加 载 速 度对 工 艺 性 指 标和 效 率 性 指 标 的 影 响。 y a n g 3 0 ,3 11起 初 采 用平 面刚塑性有限元法得到了 环件辗扩中等效应力分布及单位压力分布; 后来又采 用 三维 刚 塑性 有限 元 法 分 析了t型 截 面 环 轧 过 程中 变 形 及 应 变分 布 。 k a n g 32 1 利 用三维刚塑性有限元反推法设计出了辗 扩 t型 截面 环无“ 鱼尾” 缺陷产生条件 下 的 毛 坯 形 状。 l im 33 】采 用材 料 网 格 系 统 ( m m s ) 和 计 算 网 格 系 统 ( c m s ) 相 结合的混合网格技术的弹塑性有限元法对异型截面环件辗扩过程进行了分析。 u ts u n o m iy a 34 1采 用弹 塑 性有 限 元 对 冷辗 扩 过 程 成形 特 性 进 行了 初步 模 拟 。 本实 验室基于 a b a q u s软件建立了三维弹塑性有限元模型来模拟环件冷辗扩成形 过程，分 析了 几何参数、工艺参数等 对环 件冷辗扩成形的影响规律3 5 1 但是，有限元建模除了建立儿何模型和力学模型外， 很重要的一个方面就 是材料模型的建立。环件冷辗扩成形过程是个多因素祸合复杂变形过程，而其 一4 一 第 1 章绪论 中 就包括材料因素的 作用。环件冷辗扩成形过程又是一个流动加载和反复加 载 的过程，所以，在有限元模拟中能否建立精确的材料模型直接关系到模拟结 果 的可靠性和精度。如今，固体材料本构理论领域的研究进行得如火如茶，除了 经典的j 2 理论， 描述材料塑性各向异 性的各 种模型也层出不穷， 更出 现了 从材 料冷变形物理学本质出发建立的位错滑移细观本构理论和从原子分子能量角度 建立的微观本构理论。所以，我们有必要关注材料本构理论方面的研究情祝。 2 . 2 晶体材料本构理论的研究现状 晶体本构关系是晶体材料的固有属性，是材料在变形过程中所必须遵循的 规律。晶体材料本构关系 研究的目 的 就是要精确地描述晶体材料变形过程中的 行为属性，即晶体材料的各向异性。因为 从小尺度看， 所有晶体材料都是大量 晶粒的集合体，各晶粒的不同取向就本质上决定了晶体材料的各向异性性能。 进一步，本构关系还要精确地描述晶体材料各向异性在变形过程中的演化，包 括变形性能的演化，即后继屈服面的各向异性发展，以及材料织构的演化，即 晶粒取向随变形的改变。众多学者在晶体材料本构关系研究领域做出了大量有 价值的成果。 1 . 2 .2 . 1宏观各向异性屈服的研究 宏观塑性理论模型中材料塑性行为是用随塑 性变形不断演化的屈服面来描述的。 为了 描述各向 异性屈服面， 1 9 4 8 年h i l l 将 经典的 v o n m i s e s 二次屈服准则进行推广使之适合于具有正交对称性的材料如 辗扩后的 板材。这一屈服函 数被广泛地应用在有限元模拟分析中， 并且在解释 一些同各向异性塑性相关的现象时很有用，尤其是对钢板而言。然而这一模型 对 铝 合 金却 不 完 全 合 适 136 1 。 随 后j o n e s 同g ill is 137 1提出 了 另 一个 屈 服函 数， 但 它 对铝合金的描述未能有所改 进。然而这些模型都是在纯现象学意义下构造的， 直到 1 9 7 2年 h o s f o r d 基于多晶体的计算结果构造了一宏观各向异性屈服函数: 0 , = is , - s = i0 + is = - s , i0 + is , - s , i“ 一 2 v 0 ( 1 - 1 ) 这 里s 又及凡为 应 力 偏 量主 值， v 为 屈 服 面 大小 的 度量 。 后 来h o s fo rd 将这 一方程推广到平面应力条件下的各向异性材料的情况。研究表明其中指数a 同 晶体结构有关， a = 6 及a = 8 时得到的结果 分别同多品体b c c 及f c c合金的预 测 结 果 接 近 13 84 0 1。 后 来 式 ( 1 - 1 ) 得 到了 改 进， 包 含了 剪 应 力 分 量， 能 够 描 述6 个 一5 一 第 1 章绪论 中 就包括材料因素的 作用。环件冷辗扩成形过程又是一个流动加载和反复加 载 的过程，所以，在有限元模拟中能否建立精确的材料模型直接关系到模拟结 果 的可靠性和精度。如今，固体材料本构理论领域的研究进行得如火如茶，除了 经典的j 2 理论， 描述材料塑性各向异 性的各 种模型也层出不穷， 更出 现了 从材 料冷变形物理学本质出发建立的位错滑移细观本构理论和从原子分子能量角度 建立的微观本构理论。所以，我们有必要关注材料本构理论方面的研究情祝。 2 . 2 晶体材料本构理论的研究现状 晶体本构关系是晶体材料的固有属性，是材料在变形过程中所必须遵循的 规律。晶体材料本构关系 研究的目 的 就是要精确地描述晶体材料变形过程中的 行为属性，即晶体材料的各向异性。因为 从小尺度看， 所有晶体材料都是大量 晶粒的集合体，各晶粒的不同取向就本质上决定了晶体材料的各向异性性能。 进一步，本构关系还要精确地描述晶体材料各向异性在变形过程中的演化，包 括变形性能的演化，即后继屈服面的各向异性发展，以及材料织构的演化，即 晶粒取向随变形的改变。众多学者在晶体材料本构关系研究领域做出了大量有 价值的成果。 1 . 2 .2 . 1宏观各向异性屈服的研究 宏观塑性理论模型中材料塑性行为是用随塑 性变形不断演化的屈服面来描述的。 为了 描述各向 异性屈服面， 1 9 4 8 年h i l l 将 经典的 v o n m i s e s 二次屈服准则进行推广使之适合于具有正交对称性的材料如 辗扩后的 板材。这一屈服函 数被广泛地应用在有限元模拟分析中， 并且在解释 一些同各向异性塑性相关的现象时很有用，尤其是对钢板而言。然而这一模型 对 铝 合 金却 不 完 全 合 适 136 1 。 随 后j o n e s 同g ill is 137 1提出 了 另 一个 屈 服函 数， 但 它 对铝合金的描述未能有所改 进。然而这些模型都是在纯现象学意义下构造的， 直到 1 9 7 2年 h o s f o r d 基于多晶体的计算结果构造了一宏观各向异性屈服函数: 0 , = is , - s = i0 + is = - s , i0 + is , - s , i“ 一 2 v 0 ( 1 - 1 ) 这 里s 又及凡为 应 力 偏 量主 值， v 为 屈 服 面 大小 的 度量 。 后 来h o s fo rd 将这 一方程推广到平面应力条件下的各向异性材料的情况。研究表明其中指数a 同 晶体结构有关， a = 6 及a = 8 时得到的结果 分别同多品体b c c 及f c c合金的预 测 结 果 接 近 13 84 0 1。 后 来 式 ( 1 - 1 ) 得 到了 改 进， 包 含了 剪 应 力 分 量， 能 够 描 述6 个 一5 一 西北一 ! ， 业人学 1 - 7 硕十学位论文 应力 分 量时 的 各 向 同 性 14 1或 各向 异 性 材 料 4 2,43 1 . 1 9 7 7 年 b a s s a n i f4 4 提出 了 一 种 非齐次的屈服函数，它能描述关于绕轧面法线具有对称性的多品体材料。 但是这些准则中含有多个难以用实验手段准确测定的参数，特别是当考虑 到经过塑性变形后的后继屈服轨迹与塑性变形的相关性时就很难用这些宏观现 象学各向异性屈服准则来精确地对金属成形过程进行预测和分析。晶体塑性理 论克服了这一缺陷，成为描述晶体塑性各向异性的有力手段。 1 . 2 . 2 . 2晶体塑性理论研究概述晶体塑性和滑移系几何学的概念最早是由 t a y lo r , s c h m id 和 他 们的 合作 者 于2 0 世 纪2 0 年 代 提出 的 。 t a y lo : 首 先 假定 在 一 个晶粒上必须要有 5 个独立的滑移系才能协调任意的应变增量。s c h m i d 法则指 出在单晶体受到载荷作用时只要晶体学 滑移系上的分解剪应力超过一个临界 值 就会发生晶体滑移。后来的研究工作是与金属成形，特别是轧制试验以及各活 动滑移系间的 相互 作用、 t a y l o r 设想的各晶粒的平均响应、 织构演化等相关的。 人们很早就 已经认识到晶体滑移会引起晶粒的微小变形，尤其是与滑移相关的 大旋转运动， 但是， 人们还是用小 应变理论来建立晶 粒在包括旋转运动的变形 运动中的应力 应变响应，从而得到了 简单的 解，这使得人们洞察到材料的行为 和变形属性。 2