（材料加工工程专业论文）异形环锻件的锻造工艺及模具优化设计.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 环形锻件的轧制是借助辗环机使环件产生连续的局部变形，实现了环件壁厚的 减小，直径的扩大和截面轮廓成形的塑性成型新工艺。目前，异形截面环锻件在国 内外广泛的应用于工程机械、矿山机械所用的回转支承，汽车轮胎模具等方面，同 时，异形环锻件还在向发电、石化、冶金、船舶和航空等领域扩展，国内市场的需 求也将与日俱增。异形环锻件的轧制工艺技术含量很高，涉及工装模具的设计和改 进，生产过程中的困难也很多，所以异形截面环锻件的轧制技术的研究和开发势在 必行。本文结合企业生产实际，对各类异形截面环锻件的制坯过程和# l n 过程进行 了研究，并通过计算机数值模拟对异形截面环锻件的轧制过程及模具工装进行了优 化设计。 基于环锻件轧制理论，建立了环锻件轧制的咬入条件、锻透条件、刚度条件 和成圆条件，对异形环锻件进行分类，总结出各类异形截面环锻件的制坯方法， 提出基于刚性平移的l 型环锻件制坯方法。借助有限元模拟软件d e f o r m - 3 d 对异 形截面环锻件的轧制过程进行数值模拟，分析其变形规律，并对轧制过程中各参 数进行优化设计。总结了异形截面环锻件在轧制过程中易出现凹坑、毛刺、椭圆 等缺陷，并列出了导致缺陷的原因及改善措施。最后以l 形截面环件轧制为例， 采用基于刚性平移理论的制坯方法，通过实际生产和有限元模拟结果的对比，验 证了该制坯方法的可行性。进一步探讨了l 形截面异形环锻件的制坯工艺，动态 模拟了在毛坯上预留聚料槽的工艺，得出能有效改善轧制过程中环件拉料的缺陷。 并对各台阶面与主模接触顺序对环件轧制的影响做了有限元数值模拟，总结出对 于l 形截面异形环锻件的毛坯形状的设计应尽可能的与主模模腔相吻合。 本文将环锻件轧制理论、有限元理论、数值模拟仿真技术相结合，实现了异 形环锻件产品的快速开发。研究成果可为实际生产提供理论指导，并为将来开发 特大型复杂异形环锻件的生产提供了理论和实践依据。 关键字：异形环锻件轧制，制坯工艺，刚性平移，有限元模拟 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er o l l i n go fr i n gf o r g i n g si san e wf o r m i n gt e c h n i q u e ，w h i c h ，b yc a u s i n g c o n t i n u o u sl o c a ld e f o r m a t i o n st ot h er i n gb yr i n gr o l l i n gm a c h i n e ，r e a l i z e st h e d e c r e a s eo ft h ew a l lt h i c k n e s s ，t h ee x p a n s i o no ft h ed i a m e t e ra n dt h es h a p i n go f c r o s s - s e c t i o n a lp r o f i l e f o r g i n gt e c h n i q u e so fo n e - t i m ef o r m e da b n o r m i t y s e c t i o n a l r i n gf o r g i n g sa r ea d v o c a t e db yt h ef o r g i n ga s s o c i a t i o ni nv a r i o u sc o u n t r i e s t h e a p p l i c a t i o n so fa b n o r m i t y - s e c t i o n a lr i n gf o r g i n g sa r ew i d e l ye m p l o y e da th o m ea n d a b r o a da tp r e s e n t ，m a i n l yu s e di nc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y , s l e w i n gb e a t i n g sf o rm i n i n g m a c h i n e r y , a u t o m o b i l et i r em o u l da n do t h e rm a c h i n e r yf i e l d s ；m e a n w h i l e ，t h e s er i n g f o r g i n g sh a v eb e e ne x t e n d i n gt h e i ra p p l i c a t i o n st op o w e rg e n e r a t i o n ，p e t r o c h e m i c a l i n d u s t r y , m e t a l l u r g y , s h i pa n da v i a t i o n ，a n do t h e ra r e a s ，t h ed e m a n d so fw h i c hw i l l a l s ob ei n c r e a s i n gi nd o m e s t i cm a r k e t s h o w e v e r , t h ea b n o r m i t y - s e c t i o n a lr i n gr o l l i n g r e q u i r e ss u p e r bt e c h n i q u e si n v o l v i n gt o o l i n gd e s i g na n di m p r o v e m e n ta sw e l l a s v i a b l es o l u t i o n st oo v e r c o m et h ed i f f i c u l t i e si nt h ep r o d u c t i o np r o c e s s ，w h i c hm a k e s t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fr o l l i n gt e c h n o l o g ye s s e n t i a la n di m p e r a t i v e t h i s p a p e rc o m b i n e dt e c h n i q u er e s e a r c hw i t ht h ea c t u a lp r o d u c t i o ni ne n t e r p r i s e s ，s t u d i e d t h eb l a n kf o r m i n ga n dr o l l i n gp r o c e s so fv a r i o u sa b n o r m i t y s e c t i o n a lr i n gf o r g i n g s ， a n do p t i m i z e dt h er o l l i n gp r o c e s sa n dt h er e l e v a n tt o o l sb yc o m p u t e rn u m e r i c a l s i m u l a t i o n i nt h i sp a p e r , t h eb i t ec o n d i t i o n ，p l a s t i cp e n e t r a t i o nc o n d i t i o n ，s t i f f n e s sc o n d i t i o n a n df o r m i n gc i r c l ec o n d i t i o no fr o l l i n gr i n gf o r g i n g sw e r ed e d u c e do nt h eb a s i so ft h e r e l e v a n tr o l l i n gt h e o r y , a n dt h ec l a s s i f i c a t i o no ft h ea b n o r m i t y s e c t i o n a lr i n gf o r g i n g s w e r es u m m a r i z e d ，a n dt h e i rr e s p e c t i v eb i l l e t - m a k i n gp r o c e s s e sa sw e l l ，p a r t i c u l a r l y t h a to fl - s h a p e d s e c t i o n a lr i n gf o r g i n g sd e r i v e df r o mt h er i g i dt r a n s l a t i o nt h e o r y t h e r o l l i n gp r o c e s so fa b n o r m i t y s e c t i o n a lr i n gf o r g i n g sw e r en u m e r i c a l l ys t i m u l a t e dw i t h t h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o ns o f t w a r eo fd e f o r m 一3 d ，b yw h i c ht h ed e f o r m a t i o nl a w s i nr o l l i n gp r o c e s sw e r ea n a l y z e da n dt h ep a r a m e t e r st h e r e i nw e r eo p t i m i z e d t h e d e f e c t st h a ta r ep r o n et oe x i s ti nt h er o l l i n gp r o c e s so fa b n o r m i t y - s e c t i o n a lr i n g f o r g i n g sw e r ea l s os u m m e du pa n dt h ec a u s e sa n dt h er e s p e c t i v ei m p r o v e m e n t s i i i 异形环锻件的锻造工艺及模具优化设计 a g a i n s tt h e mw e r ee l a b o r a t e l yr a i s e dw i t h i nt h ep a p e r i nt h ee n d ，l - s h a p e d s e c t i o n a l r i n gf o r g i n gw a st a k e na sa ne x a m p l et ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t ya n dv i a b i l i t yo ft h e b i l l e t - m a k i n gp r o c e s sb a s e do nt h er i g i dt r a n s l a t i o nt h e o r yb yc o m p a r i s o nb e t w e e n a c t u a l p r o d u c t i o n a n df i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nr e s u l t s ，a n dt h eb i l l e t - m a k i n g t e c h n i q u e si n v o l v i n gt h eo p t i m i z a t i o no fm o l dt o o l s ，t h ep r o d u c t i o no fb i l l e t so f r e a s o n a b l es i z ea n ds t r u c t u r ea n do t h e r sw e r ea l s of u r t h e re x p l o r ei n t h ep a p e r f u r t h e r e x p l o r e dt h eb l o c k i n gt e c h n o l o g yo ft h el - s h a p e d s e c t i o n a lr i n gf o r g i n g s ，s i m u l a t e d t h et e c h n o l o g yo fm a k i n gf e e d i n gt r o u g ho nt h eb l a n k ，f o u n dt h a tt h i st e c h n o l o g yc a n i ti se f f e c t i v e l yi m p r o v et h ed e f e c t so fm a t e r i a lp u l l i n g a n d ，s i m u l a t e dt h es t a t u so f e a c hs t e pf a c ec o n t a c tw i t ht h ed r i v e nm i l e rt of i n dt h ei n f l u e n c eo fr i n gr o l l i n g ， s u m m a r i z et h a tt h eb l a n ks h a p es h o u l dc o i n c i d ew i t hd i ec a v i t yo ft h ed r i v e nr o l l e r ，i n t h ep r o d u c t i v ep r o c e s so fl - s h a p e d - s e c t i o n a lr i n gf o r g i n g s t h er o l l i n gt h e o r yo fr i n gf o r g i n g s ，t h ef i n i t ee l e m e n tt h e o r ya n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o na r ec o m b i n e di nt h i sp a p e r , w h i c hm a k e st h er a p i d d e v e l o p m e n to f a b n o r m i t y s e c t i o n a lr i n gf o r g i n g sp o s s i b l ea n dv i a b l e t h er e s e a r c ho u t c o m e sn o to n l y p r o v i d et h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rt h ea c t u a lp r o d u c t i o n ，b u ta l s oo f f e rt h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a lb a s i sf o rf u t u r ed e v e l o p m e n to fe x t r a - - l a r g ec o m p l e xa b n o r m i t y - s e c t i o n a lr i n g f o r g i n g s k e yw o r d s ：a b n o r m i t y s e c t i o n a lr i n gf o r g i n g ，b i l l e t - m a k i n gp r o c e s s ，r i g i dt r a n s l a t i o n ， f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n i v 江苏大学硕士学位论文 1 1 金属塑性成形概述 第一章绪论 金属塑性成形是金属加工方法之一。它是利用金属的塑性一金属产生塑性变 形的能力，使金属在外力作用下成形的一种加工方法。因而也称为金属塑性加工 或金属压力加工【1 1 。常见的金属压力加工方法有：轧制、锻造、挤压、拉拔及金 属切削加工等工艺。 金属塑性成形的产生从很早的手工劳动发展到现代化的机器大工业生产已 经有几千年的历史。在很长的时期内，生产完全是凭经验靠技艺。十七世纪西方 工业生产的高度发达，促进了力学和数学的相应发展，在弹性力学基础上，开始 有人对材料的塑性行为和变形规律着手研究，最早是法国的h t r e s c a ，他在1 8 6 8 年进行了挤压试验后，首先提出金属是在最大剪应力达到一定值时才开始塑性变 形的结论。到1 9 1 3 年，r v o nm i s e s 又提出了塑性变形与剪切变形功有关的屈服 准则。与此同时，b s a i n tv e n a n t ，m l e v y ，h h e n c k y 和w l o d e 等人都对塑性 理论的形成做了不少工作【2 1 。为现代塑性成形理论奠定了基础。现在塑性加工工 业已经成为制造业的一个重要组成部分。随着国民经济的健康持续发展，塑性加 工技术迎来了空前的发展机遇，同时也面临诸多挑战f 3 1 。 金属塑性加工方法的主要优点是： ( 1 ) 组织、性能好；金属材料在塑性成形过程中，其内部组织发生明显的变 化。例如钢锭，其内部有着组织疏松多孔、晶粒粗大且不均匀等许多缺陷，经塑 性成形使其结构致密、组织改善、性能提高。 ( 2 ) 材料利用率高；金属塑性成形主要是靠金属在塑性状态下的体积转移来 实现的，不产生切削，因此只有少量的工艺废料，并且流线分布合理。 ( 3 ) 尺寸精度高；不少成形方法已达到少或无切削的要求。例如，精密模锻 的锥齿轮，其齿形部分可不经切削加工而直接使用。 ( 4 ) 生产效率高，适于大批量生产；这是由于随着塑性加工工具和设备的改 进及机械化、自动化程度的提高，生产率也相应得到提耐4 】。 由此可见，利用金属塑性加工方法，不但能获得强度高、性能好、形状复杂和精 1 异形环锻件的锻造工艺及模具优化设计 度高的工件，而且具有生产效率高、材料消耗少等优点，因而在国民经济中得到 广泛的应用。特别是在汽车、拖拉机、宇航、船舶、军工、电器和日用品等工业 部门中，塑性成形更是主要的加工方法【5 1 。 1 2 异形环锻件的应用及发展现状 锻造、拉拔、冲压、轧制等都是在塑性加工中通用的最基本的方法。但是， 随着工业技术的不断发展，各种机械装备零部件的形状越来越复杂，需求量也急 剧增加，上述几种塑性加工方法已不能满足生产的需要，特别是随着世界性的能 源紧张和原材料匾乏，促使各工业发达国家纷纷投入大量人力、物力开发研究节 能、节材的新型塑性成形工艺【6 1 。 环形锻件的g l n 就是借助辗环机使环件连续的产生局部塑性变形，实现了环 件壁厚的减小、直径的扩大和截面轮廓成形的塑性成型新工艺。其成型特点是局 部加压连续小变形的累积，工件与工具的接触面积很小，所以环件轧制具有生产 率高、原材料利用率高、产品质量好、劳动条件好和生产成本低等优点。常见的 环件产品有风塔法兰环锻件、轴承环、回转支承、火车车轮轮箍、齿轮环、电机 集电环、燃汽轮机环及核反应堆容器环件等。 1 2 1 异形环锻件在锻造行业中的应用 目前，异形截面环锻件在国内外应用是非常广泛的，为各国锻造协会所倡导， 一次锻制成异形环锻件的技术含量比较高，涉及工装模具的设计与改进，生产过 程中的困难也比较多，所以异形截面环锻件的轧制技术的研究和开发势在必行。 异形截面环锻件轧制的研究可以节省大量能源和材料，在国内属于含金量较高的 技术。主要应用于工程机械、矿山机械所用的回转支承、汽车轮胎模具等方面， 同时异形环锻件还在向发电、石化、冶金、船舶、航空等领域扩展，国内市场需 求也将与日俱增。 1 2 2 国内外异形环锻件的生产技术发展现状 传统的环形件锻造是采用马架扩孔成形的，这种锻造方法不仅锻造周期长而 且锻件尺寸精度较差，在后续的机加工过程中切削量很大，浪费了大量的工时和 2 江苏大学硕士学位论文 原材料。在现代压力加工中，对于环形锻件的生产都采用辗环机或扩孔机辊锻成 形，它具有尺寸精确、生产效率高、锻件质量好等优点。对于异形截面的环件而 言，传统的加工工艺是先锻造出矩形截面的环件，然后采用机加工的办法达到规 定的形状和尺寸。先进的异形环件锻造理念是根据锻件的形状和尺寸选择合理的 制坯方法，再根据预设的毛坯形状和尺寸合理的设计出异形的主辊、芯辊或锥辊 的形状及尺寸，从而直接锻造出异形截面的环件。据统计，一次成型的异型环锻 件锻造工艺可以节省1 0 3 0 的毛坯料，这样不仅节省了原材料，还避免了能源 和工时的浪费。这不仅有利于提升企业的竞争力，还推动了整个环锻件行业的向 前发展。 环件的轧制技术早在2 0 世纪6 0 年代英国学者w j o h n o s n 等首先开展了环件 轧制技术的实验性研究。m a m a l i s 7 1 用测压针方法研究了不同材料在不同孔型中 轧制时的单位压力分布，并说明了平板轧制理论和摩擦理论不适用于环件轧制过 程。对于环件轧制过程的分析，必须根据环件轧制特点重新建立环件轧制理论。 1 9 8 4 年，h a w k y a r d e 考察了压下速度、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。初步探讨了轧制异形截面环如何保证 环件外径达到规定尺寸时，环件材料恰好充满孔型，形成理想的截面形状的问题。 环件轧制中金属变形复杂。因此，对金属变形规律的进一步研究多采用上限法或 能量法。1 9 8 4 年，r y o o 用上限法解出$ l n 力和力矩的上限值，并解释了轴向宽 展变形产生“鱼尾”的现象。y a n g 用能量法研究了l 形截面环轧制力矩变化规律。 分析中考虑了芯辊压下速度的影响。计算和实验表明，当压下速度较大时，其对 轧制力确有一定影响，但芯辊压下速度较小时，它的影响可忽略不计。 随着计算机技术和塑性理论的发展，用有限元方法模拟塑性成形过程弥补了 各种解析或半解析方法的不足，被用来解决了许多实际问题。1 9 8 8 年，利用平 面刚塑性有限元方法，d y y a n g 等人【8 】对环件轧制的平面变形作了分析，获得了 变形金属的速度场和沿着接触表面的外力，计算出了应变速率分布，驱动辊的转 矩和垂直压力分布。1 9 9 0 年，n a k s o ok i m 等人【9 】用三维刚塑性有限元方法对环 件轧制进行了模拟，并编制了r i n g 的计算机程序。在国内，许思广1 1 0 】博士后用 三维刚塑性有限元法分析了横断面为对称的辗环变形过程，以及辗环过程的热耦 合问题。郭正华等人【1 1 】则采用刚( 粘) 塑性动力显示有限元法模拟了环件热轧时 3 异形环锻件的锻造工艺及模具优化设计 的金属流动规律。模拟结果不但得到环件轧制的接触力、等效应变速率和等效应 变的分布，还揭示出环坯形状、尺寸、温度和轧制加载速度对工艺性指标和效率 指标的影响。 近年来国内外的众多学者尝试将有限元法应用于环件轧制的过程中，这些工 作为开发出集变形分析与工艺计算和过程控制于一体的环件轧制计算机辅助分 析系统打下了基础。解春雷、李尚健等人根据环件轧制过程的有限元模拟结果制 订控制策略。将模拟的最佳轧制力曲线转换为压力辊运动的等效速度曲线， 控制压力辊使其按预定的速度曲线运动。计算机辅助工程使得整个环件生产过程 实现了自动控制，能灵活的生产各种规格的产品，尤其是一些异形截面的环锻件， 大幅的提高了生产效率和产品质量，降低了成本。因此，环件轧制技术又上了一 个新台阶。 1 3 有限元数值模拟技术在异形环锻件研发中的应用 最近几年，随着计算机科学的快速发展和有限元技术应用的日益成熟，c a e 技术模拟分析金属在塑性变形过程中的流动规律在现实生产中得到越来越广泛 的应用。c a e 技术的成功运用，不仅大大缩短了模具和新产品的开发周期，降 低了生产成本，提高了企业的市场竞争能力，而且有利于将有限元分析法和传统 的实验方法结合起来，从而推动模具现代制造业的快速发展。 塑性成形计算机辅助工程的特点是以工程和科学问题为背景，建立计算模型 并进行计算机仿真分析。一方面，c a e 技术的应用，使许多过去受条件限制无 法分析的复杂问题通过计算机数值模拟得到满意的解答；另一方面，计算机辅助 分析使大量繁杂的工程分析问题简单化，使复杂的过程层次化，节省了大量的时 间，避免了低水平重复的工作，使工程分析更快、更准确，在产品的设计、分析、 新产品的开发等方面发挥了重要的作用。同时c a e 这一新兴的数值模拟分析技 术在国外得到了迅猛的发展，技术的发展又推动了许多相关的基础学科和应用科 学的进步。而随着我国科学技术现代化水平的提高，计算机辅助工程技术也在我 国蓬勃发展起来。科技界和政府的主管部门已经认识到c a e 技术对提高我国科 技水平，增强我国企业的市场竞争力乃至整个国家的经济建设都具有重要意义。 我国近几年的c a e 技术研究开发和推广应用在许多行业和领域已取得了一定的 4 江苏大学硕士学位论文 成绩。但从总体来看，研究和应用的水平还不能说很高，某些方面与发达国家相 比仍存在不小的差距。 尤其近年来，由于市场对无缝异形截面环件需求日益扩大，很多企业逐步重 视对异形截面环件的轧制生产，但由于异形环件轧制的理论和技术还不成熟，且 相关配套设计软件的开发也没跟上。在异形截面环件实际生产过程中主要依靠工 程师长期积累的经验，采用传统试凑法，一些关键性的设计参数要在产品制造出 来之后，通过反复的调试、修改才能确定，使得产品制造周期长、成本高【1 2 。1 4 】。 采用计算机模拟异形截面环件的轧制过程，优化毛坯结构形状，制定或修改 轧制工艺，对于保证环件轧制过程的顺利进行，提高轧制效率，确保产品质量等 具有重要的意义。环件j f l a t j 虽属轧制范畴，但有许多特殊之处，其不仅具有普通 的平板轧制、异步轧制、多道次轧制的性质，而且具有这些轧制的耦合性质。环 件轧制涉及到直线进给运动、旋转轧制运动、导向运动以及环件自身的转动和直 径扩大运动，而且轧制过程是时变的，这使得模拟环件轧制过程变得极为复杂， 特别在模拟异形截面环件时还存在复杂的横向、纵向金属流动，变得更为困难。 目前国内外基于有限元数值仿真技术模拟异形截面环件一个生产周期内三维全 过程动态轧制还鲜有报道【1 5 d 6 】。 1 4 课题研究的主要内容和意义 对于异型环锻件的生产，一次成型的锻造工艺比传统的锻造工艺具有优势。 据统计，一次成型的异型环锻件锻造工艺可以节省1 0 3 0 的毛坯料，这样不仅 节省了原材料，还避免了能源和工时的浪费。这也有利于提升企业的竞争力，从 而推动整个环锻件行业向前发展。 异形截面环锻件的轧制一般采用径、轴向轧制工艺，其模具结构及控制工艺 较普通的辗环工艺过程要复杂得多。异形截面环锻件的轧制过程主要是自由锻的 制坯阶段，首先应根据最终产品的形状和尺寸确定毛坯的最佳尺寸，然后制定出 合理的工艺参数，这些参数包括主辊的形状及转速和芯辊的形状及进给量，而转 速又包含径向驱动辊和轴向锥辊的转速，进给量又包含径向芯辊进给量和轴向锥 辊进给量。工艺参数选取的正确与否决定着异形截面环锻件是否能够轧制以及最 终产品的质量。其中最关键的部分就是自由锻制坯过程，毛坯的金属分配情况和 5 异形环锻件的锻造工艺及模具优化设计 毛坯形状的确定都直接影响到异形截面环件的最终轧制。 本文结合企业生产实际，以l 形截面环锻件的制坯过程为例研究异形截面环 锻件的制坯过程和轧制过程，具体内容包括： ( 1 ) 研究异形截面环锻件毛坯尺寸设计原则和方法； ( 2 ) 根据环锻件的截面形状，分析不同截面的环锻件的预制毛坯形状和制 坯方法，并改进制坯工艺，以避免制坯不当而影响锻件的质量； ( 3 ) 进行异形截面环锻件轧制过程数值模拟，分析其变形规律；比较不同 制坯方法下、不同毛坯形状下异形截面环锻件的轧制效果； ( 4 ) 研究异形截面环锻件轧制过程中每个阶段轧制参数的最佳配比，选择 合理的轧制曲线； ( 5 ) 归纳总结异形环锻件锻造过程中容易产生的缺陷，并分析改善这些缺 陷的方法和应采取的措施； ( 6 ) 进行异形截面环锻件轧制过程的实际生产试验，并与有限元模拟结果 进行对比，以验证有限元模拟理论成果的可靠性。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章环锻件的塑性成型理论 2 1 环形件轧制条件 在塑性加工中，锻造、冲压、拉拔、# l n 等是通用的最基本方法。但是，随 着工业技术的发展，各种机械装备需要形状更复杂的零部件，生产批量也急剧增 加，上述几种塑性加工方法已不能满足生产需要。特别是随着世界性的能源紧张， 原材料匮乏，促使各工业发达国家纷纷投入大量人力、物力开发研究，寻求能够 节能、节材的塑性成形新工艺、新方法【1 7 1 。 环件轧制是借助环件轧机和轧制孔型使环件产生连续局部塑性变形，进而实 现壁厚减小、直径扩大、截面轮廓成形的塑性加工工艺，它适用于生产各种形状 尺寸的环形机械零件【1 8 1 。 环件轧制过程可分为环件咬入建立轧制过程阶段、稳定轧制阶段、轧制结束 阶段。在环件稳定轧制阶段，进给速度和旋转轧制速度都不大，而且速度变化也 较小，近似处于静力平衡状态。根据静力学理论对环件的咬入过程、锻透状态和 塑性弯曲失稳情况进行研究分析，建立相应的物理力学模型、条件和判据，以揭 示环件轧制静力学机制和规律。 1 、环件轧制咬合条件分析 环件轧制类似于轧钢中的穿孔轧制，环件连续咬入孔型是环件转动并实现稳 定轧制的必要条件。忽略导向辊对环件的作用力，提出环件咬入孔型的力学模型 如图2 1 所示。 图2 1 环件轧制咬入孔型模型 f i g 2 1t h em o d e l o fr i n gr o l l i n gb i t e 7 异形环锻件的锻造工艺及模具优化设计 图中，b 和乃分别为驱动辊对环件的正压力和摩擦力，p 2 为芯辊对环件的 正压力( 芯辊为空转辊，它随环件一起转动，不能承受摩擦力矩，所以芯辊对环 件摩擦力的合力为零，而仅有正压力) 。记卿、a 2 分别为驱动辊和芯辊与环件的 接触角，r 卜恐分别为驱动辊和芯辊的工作半径，h o 、h 分别为环件在孔型入口 处和出口处的壁厚，a h - h o - h 为环件轧制中每转壁厚减小量，砌为驱动辊转速， 三为接触弧长在进给方向的投影长度。设驱动辊对环件合力作用点位于环件外圆 接触弧的白嘶角处，芯辊对环件合力作用点位于环件内孔接触弧的魄角处，舀、 已这里为系数，且6 和色( 0 ，1 ) 。要使环件咬入孔型，则环件所受的拽入力必 须大于或等于它所受的推出力，而进给方向环件的受力是平衡的。据此由图2 1 的环件受力条件得： e = 瓦+ 与。+ 昱，= 五c o s ( 轰嘎) 一日s i n ( 磊q ) 一见s i n ( 色吃) o ( 2 1 ) e = 瓦+ 号，+ 昱，= 五s i n ( 缶q ) 一号c 0 s ( 缶呸) + p z c o s ( 彘吃) = 0 ( 2 2 ) 设环件与轧辊之间的接触摩擦符号库仑摩擦定律并记摩擦系数为，则有： 五2 号 ( 2 3 ) 式( 2 1 ) 乘以c o s ( 已啦) ，式( 2 2 ) 乘以s i n ( 邑眈) ，这两式再相加得： 净喵毗蚴 ( 2 4 ) 将式( 2 3 ) 代入上式得： t a n ( 舌l a 1 + 彘吃) ( 2 5 ) 记p 为环件与轧辊之间的摩擦角，则比= t a n b ，将其代入式( 2 5 ) 得： 缶q + 乞 ( 2 6 ) 式( 2 1 ) 乘以s n ( 白) ，式( 2 2 ) 乘以c o s ( 玉眈) ，这两式再相加得： 薏如文驰鹄 ( 2 7 ) 式( 2 6 ) 和式( 2 7 ) 分别表示了环件s l n 咬入孔型的摩擦条件和力学条件，它 们都反映了环件咬入孔型的力学规律，称之为环件咬入孔型条件。为了简化计算， 可近似认为轧辊对环件作用力的合力作用位于接触弧的中点，这时有6 = 已= 三， 8 江苏大学硕士学位论文 将其代入式( 2 6 ) 、式( 2 7 ) 得近似咬入条件为： 矽也 2 ( 2 6 a ) 旦c o s t r l + c t 2 最 2 ( 2 7 a ) 轧制过程中，环件的壁厚逐渐减小，环件的内半径逐渐趋近于环件的外半径。 相应地，鲁一争= 半是一缓慢的增函数，这表明环件轧制过程中，咬入孔型 所允许的最大每转进给量随着轧制的进行而缓慢增大。也就是说，在保持其他因 素不变的条件下，只要环件一经咬入孔型而建立起轧制过程，则环件轧制可以始 终满足咬入条件而使环件连续咬入孔型。 若要改善环件咬入孔型条件亦即增大最大每转进给量，可以考虑增大摩擦， 增大或减小轧辊直径，减小轧制用毛坯壁厚。其中以增大轧辊与环件之间的摩擦 效果最好，也容易实现。所以实际环件轧制生产中，通常都通过增大摩擦来改善 咬入条件。增大摩擦的常用办法是将轧辊刻印，涂覆摩擦涂料等。 2 、环件轧制过程锻透情况分析 环件连续咬入孔型只是使环件产生轧制运动，并不一定能保证环件产生轧制 变形，即环件壁厚减小而直径扩大的塑性变形。所以，环件咬入孔型仅是环件轧 制变形的必要条件。要使环件既咬入孔型又产生轧制变形，除了满足咬入条件外 还应使环件锻透，即塑性区穿透整个环件的壁厚，也就是满足环件锻透条件。环 “ l l 叫 rl 鬈叠： l 图2 2 环件轧制锻透模型 f i g 2 2t h e m o d e lo ff o r g i n gp e n e t r a t i o n 件锻透是指塑性区穿透环件壁厚，环件产生壁厚减小、直径扩大的塑性变形，所 9 异形环锻件的锻造工艺及模具优化设计 以环件锻透条件是环件轧制变形的充分条件。环件锻透相当于有限高度块料拔长， 塑性区穿透环件壁厚的力学模型如图2 2 所示。 图中，l 为环件接触弧长，h 口为环件轧制变形区的平均壁厚，且k = _ h o + - h 。 根据滑移线理论对图2 2 塑性变形进行分析得塑性区穿透环件壁厚，即环件锻透 条件为： 旦 上 吃8 7 4 ( 2 8 ) 随着环件轧制过程的进行，环件的内外径扩大而壁厚减小，塑性区穿透壁厚 减小的环件所要求的最小每转进给量减小，即环件轧制过程中的锻透条件比环件 初始轧制时的锻透条件更加容易满足。这表明只要在环件轧制开始时塑性区穿透 环件壁厚，则在其他条件不变时整个轧制过程中塑性区都会穿透环件壁厚，即环 件锻透条件都会得到满足。 要改善环件轧制的锻透条件，可以考虑增大每转进给量、增大轧辊半径、减 小环件壁厚等措施。在轧环机设备能力许可的条件下增大每转进给量，或在制坯 加工许可情况下减小轧制用环件毛坯的壁厚，是改善环件轧制锻透条件的有效且 可行的方法。 驱动楗 1 0 图2 3 导向辊受力分析 f i g 2 3s t r e s sa n a l y s i so fg u i d er o l l e r 3 、环件轧制过程刚度条件分析 环件轧制中的塑性失稳现象是指环件在导向辊的压力作用下压扁而成为废 江苏大学硕士学位论文 品。以f 通过力学分析，建立环件失稳条件，并分析环件轧制塑性失稳的规律。 ( 1 ) 导向辊压力分析 如图2 3 所示，环件轧制中驱动辊对环件的作用力的法向和切向力分别为p 1 和n ，芯辊和导向辊都为空转辊，不能承受摩擦力矩，它们对环件的作用力仅有 法向力，其大小分别为p 2 和p 3 。为了便于计算，假设驱动辊和芯辊对环件作用力 的作用点都位于各自与环件接触弧的中点。同时，假设驱动辊与环件接触摩擦符 合库仑摩擦定律，即丁l = p 1 ，为该接触面的摩擦系数。于是由环件受力平衡条 件得： e = 最，+ 墨x + 。+ 只，= 一号s i n 鲁+ 朋c o s 一s i n 一只c o s 秒= ( 2 9 ) c 2 号，+ 互，+ 昱，+ b ，= 一号c o s 号一艘s i n 号+ 最c o s 鲁一只s i n 秒= ( 2 1 0 ) 式中，口”口2 分别为驱动辊和芯辊与环件的接触弧圆心角；臼为导向辊位置角。 式( 2 9 ) 乘以s 譬与式( 2 1 0 ) 乘以s f n 睾相加得： 竹咖学+ 半h 删一争。 ( 2 将摩擦系数与摩擦角关系i t = t a n f l 代入上式整理得： 皇s i n ( g 一掣导) c o s 卢c o s ( 乡一争 ( 2 1 2 ) 为了保证非穿孔轧制咬入( 即环件处于极限状态时的咬入) ，则环件轧制的极限 咬入条件应为： 5 + 吃 ( 2 1 3 ) 将式( 2 1 3 ) 代入式( 2 1 2 ) ，并采用近似计算口1 i l ，口2 老，s f 礼口1 口1 ， c o sc 1 1 1 ，c 1 1 口1 o ，得导向辊压力为。 1 + 堕 ： 只2 号巫主： 异形环锻件的锻造工艺及模具优化设计 ( 2 ) 环件轧制过程的塑性失稳模型和刚度条件分析 环件轧制塑性变形区位于辊缝中的狭小区域，而整体环件仍保持圆环形状。 环件在导向辊压力作用下产生塑性失稳而压扁，相当于以辊缝处为固定支承的圆 环曲梁在导向辊压力作用下产生塑性弯曲变形。于是提出环件在导向辊压力作用 下产生塑性失稳力学模型，如图2 , 4 所示。图中吃为环件内外半径的平均值，圆 图2 4 环件轧制塑性失稳模型 m 2 只吃c o s o ( 2 1 5 ) 瓮印】 ( 2 1 6 ) 截面环件，其睨= 7 b i t 2 ；【司为圆环曲梁的许用应力，这里取其值为环件材料在轧 祟坚吒 丝( 堡c o s p + s i i l 口) 。 6、l 7 江苏大学硕士学位论文 h 日曲= 6 郫+ 舡 r 堡上协饿玉 ( 2 1 7 ) 上式为用环件壁厚表示的刚度条件。要使环件在轧制中不产生塑性失稳，则 环件的壁厚不得小于塑性稳定所要求的最小壁厚h m i n 。为了计算方便，对式( 2 1 7 ) 进行简化。环件轧制力为p l = n t r s b l ，取忍为平均值( 即n = 4 5 ) ，代入式( 2 1 7 ) 得： h 日珥i n = ( 2 1 8 ) 环件轧制中导向辊位置角目( 6 0 0 , 7 0 。) ，并考虑到1 ，所以t a n o 1 厶 可略去不计。于是由上式得： 舱k 2 厣争 。 娩 根据体积不变条件并忽略环件轧制中轴向宽展，得龟= r a o h h o ，这里龟o 、分 别为环件轧制前的平均半径和壁厚，h 为环件轧制中的壁厚。若h 达到最小值， 则有吃= 薏鲁。当环件轧制到壁厚为最小值时，环件内外半径的差值也达到最小 值，可近似计算r r ，这里接触弧长 。将吃和三代入式( 2 1 9 ) 整理 得： 日k2 i 2 7 吃。风幽 ( 2 2 0 ) 式中，a h 为环件达到最小壁厚时的每转进给量。这时轧制过程应该结束，否则 环件壁厚将小于最小壁厚以致环件出现塑性失稳。所以，a h 又是环件轧制结束 时的每转进给量。 由式( 2 2 0 ) 可知，环件最小壁厚与其初始平均半径龟o 、初始壁厚和终 轧每转进给量h 有关，且随着r 口”风和，i 的减小而减小。实际生产中，初始半 径和壁厚较小的环件在轧制后，其壁厚也较小的情况与式( 2 2 0 ) 的结论是相符 的。 异形环锻件的锻造工艺及模具优化设计 若终轧时环件壁厚为最小值即h = r 一，= m 终轧每转进给量也为最小值即 j f l = ，h f n ，同时考虑到i i ，i _ r i ：1 _ i i 一；1 = 面r i + r 2 一警每等，则将它们代入 a h k m = 6 5 5 1 0 。3 ( r r ) 2 暗+ 恚+ 丢一得： a h 。i = 6 5 5 x 1 0 - 3 r 司h l f l l r l2 ( 1 + 乏) ( 2 2 1 ) 将式( 2 2 1 ) 代入式( 2 2 0 ) ，得环件在轧制中不产生塑性失稳的刚度条件为： 舱- o 螂o + 分警 他2 2 ， ( 3 ) 刚度条件的影响因素 由式( 2 2 2 ) 可知，环件刚度条件所要求的最小环件壁厚与轧辊尺寸和环件 原始尺寸有关。轧辊工作半径增大，使环件最小壁厚减小，有利于环件刚度条件。 反之，轧辊尺寸减小不利于环件刚度条件。环件原始平均半径和原始壁厚减小是 有利于环件刚度条件的。实际生产中，所要轧制的环件尺寸是给定的，因而环件 的原始尺寸也随之确定。在已知轧辊尺寸时，可应用式( 2 2 2 ) 来校核环件的刚 度：或在未知轧辊尺寸时，可应用环件刚度条件来设计轧辊。 2 2 环形件轧制成圆条件分析 环形锻件的辗扩原理为：主辊旋转带动环形坯旋转，环形坯在带动芯辊旋转， 同时主辊与芯辊间的中心距离逐渐缩小，直径逐渐扩大，直到形成所需要的截面 形状。 1 4 图2 5 环件轧制示意图 f i g 2 5s c h e m a t i cd i a g r a mo fr i n gr o l l i n g 江苏大学硕士学位论文 由锥辊控制环件高度，抱辊诱导工件成圆并增加辗扩稳定性，如图2 5 所示。 其成圆原理为：不在同一条直线上的三点唯一确定一个圆。主辊和两个抱辊即相 当于不在同一条直线上的三点，可以唯一确定一个圆，所以两个抱辊是成圆的关 键。随着芯辊压进给量的不断增大，环件的直径也在不断变化的。当环件达到预 定尺寸时，最终的成圆是由主辊和两个抱辊这三点确定的。 环件的轧制常常会出现偏心的现象，即环件没有成圆。现应用上述原理对环 件轧制偏心现象作如下分析： 1 、几何分析 根据三点定圆定理建立主辊和两个抱辊的工作模型，如图