（材料加工工程专业论文）极靴预成形轧制数值模拟与工艺研究.pdf

分类号 u d c 密 级 学校代码 ! 盟里z 武多萎理歹大署 学位论文 题 目垫塾亟盛型奎生剑麴笪槿垫鱼兰茎盟窒 英文 n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dp r o c e s sr e s e a r c h 题 e l q nb q ! ! i 塾g 鱼! 盟鱼旦坠q q ! 星i 星堡曼 一一 研究生姓名塞鍪 姓名壑至氐职称塾撞学位堂 指导教师 单位名称盐盘型堂鱼兰堡堂瞳邮编垒三q q 2 q 申请学位级别王堂巫学科专业名称挝盘垄兰三猩 论文提交日期2q ! ! 生垒旦 论文答辩日期至q ! ! 生三月 学位授予单位盛銎里三盘鲎学位授予日期 答辩委员会主席垂生态 评阅人兰篮 型! ! 堕 2 011 年5 月 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了谢意。 学位论文使用授权书 扣l | 、浓 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， 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位 论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认 可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：救导师( 签名) ：莲坦日期： 旌! ：堕型 中文摘要 极靴是电机的重要零件之一，它是主磁极铁芯靠近转子一端的扩大部分， 作用是使气隙磁阻减小，改善主磁极磁场分布，并使励磁组容易固定。极靴由 三个圆弧面组成，形状复杂，表面质量及尺寸精度要求高。其传统成形方法主 要有切削加工、粉末冶金、锻造等，这些方法主要存在材料利用率低、零件质 量差等缺点，故有必要探索成形该零件的新工艺。零件轧制工艺是用轧制工艺 生产成形机器零件的方法，作为特种轧制技术，它具有工作载荷小，生产效率 高，产品精度高等优点，适合用于大批量的机械零件生产。本文以极靴预成形 件为研究对象，对其成形进行了工艺性分析，提出极靴预成形轧制工艺。 在极靴预成形轧制工艺研究过程中，通过对极靴零件特点的分析，制定了 两道次轧制的工艺方案，分别设计了第一道次与第二道次轧制的模具。通过理 论计算，得到了原始坯料的尺寸。使用体积成形有限元分析软件d e f o r m 3 d 对极靴预成形的第一道次轧制与第二道次s l n 过程分别进行了模拟。通过模拟 仿真，得到了两道次s l a i j 过程中坯料金属的流动规律、应力应变场以及轧制力， 分析了坯料尺寸以及第一道次下压量等模拟参数对成形性能的影响。结果表明， 坯料规格为 1 8 1 0 0 r a m ，转速为3 6 r l m i n ，第一道次下压量为6 m m ，摩擦系数 为0 5 时成形效果最优。在模拟分析中，本文对前壁成形问题进行了讨论，并 提出了改善方案。 本文拟采用z 2 8 8 0 型滚丝机进行车l a j j 实验，鉴于该设备不能满足实验需 求，故对z 2 8 8 0 型滚丝机进行了改造，使其成为极靴预成形轧制设备。改造的 核心是设计了一套传动机构，该机构由支架、齿轮副、轴、轴承、轴承盖等部 件组成。通过该机构，滚丝机输出轴相向旋转，具有极靴预成形轧制功能。运 用理论力学法对轴进行了强度校核，运用有限元分析软件a n s y s 对该支架进 行了静力学分析，得到了其受力与变形分布，验证了其结构的可靠性。在改造 完成的轧制设备上进行了极靴预成形轧制实验，通过物理实验与数值模拟的对 比验证了有限元数值模拟的可靠性。理论研究与实验表明，利用轧制工艺可以 成形极靴零件。 关键词：极靴；轧制；数值模拟；工艺设计 a b s t r a c t p o l ep i e c ei sak e yp a r to fe l e c t r i c a lm o t o r , i ti sa ne x p a n d e dp a r tw h i c hi sn e a r t h er o t o ro fm a i np o l e t h er o l eo fp o l ep i e c ei st or e d u c et h er e l u c t a n c eo fa i r - g a p ， i m p r o v et h em a i nm a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o n sa n d 矗xt h ee x c i t a t i o nw i n d i n g s p o l e p i e c ef o r m e db yt h r e ec i r c u l a rs u r f a c e s ，t h es h a p ei sc o m p l e xa n dr e q u i r eh i g h s u r f a c eq u a l i t ya n dd i m e n s i o n a la c c u r a c y t h et r a d i t i o n a lf o r m i n gm e t h o d so f p o l e p i e c ea l em a c h i n i n g ，p o w d e rm e t a l l u r g y , f o r g i n g ，e t c ，t h es h o r t c o m i n g so ft h e ma r e l o wm a t e r i a lu t i l i z a t i o n ，p o o rq u a l i t y t h e r e f o r e ，i ti s n e c e s s a r yt oe x p l o r en e w p r o c e s st of o r m i n gt h ep a r t s a so n ep a r to fs p e c i a lr o l l i n g , p a r tr o l l i n gh a st h e a d v a n t a g eo fl o wl o a d ，h i g he f f i c i e n c y , a n dh i g hp r e c i s i o n , i ti ss u i t a b l ef o rh i g h v o l u m ep r o d u c t i o no fm e c h a n i c a lp a r t s b yt a k i n gp r e f o r m e dp o l ep i e c ea sr e s e a r c h o b j e c t ，t h ep a p e ra n a l y z e di t sf o r m i n gp r o c e s sa n dc a r r i e do u tt h er o l l i n gp r o c e s so f p r e f o r mf o rp o l ep i e c e d u r i n gt h es t u d yo fp r e f o r mp r o c e s s ，t h r o u g ha n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ep o l ep i e c e ，w ed e s i g n e dt w o p r o g r a m sr o l l i n gp r o c e s sa n dm o l d s ，g e tt h es i z eo f t h eo r i g i n a ls t o c kb yt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n w eu s e db u l kf o r m i n gf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r ed e f o r m 一3 dt os i m u l a t et h er o l l i n gp r o c e s so fp o l ep i e c ep r e f o r m a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o n ，i tc a r r i e do u tt h em e t a lf l o wl a w , t h es t r e s sa n ds t r a i n f i e l d ，a n dl o a dp r e d i c t i o n t h er e s u l ts h o w st h a tt h eo p t i m i z e dp a r a m e t e r sf o rt h e p r o c e s sa r ea sf o l l o w s ：b l a n ks i z e0 18 一lo o m m ，s p e e do fr o l l e r3 6 r m i n f i r s tp r e s s q u a n t i t y6 m m ，a n df r i c t i o nc o e 衢c i e n t0 5 i nt h es i m u l a t i o na n a l y s i s t h ep a p e r d i s c u s s e dt h ei s s u eo fa n t e r i o rw a l lf o r m i n ga n dp r o p o s e di m p r o v e m e n tm e a s u r e s w ep l a nt om a k ee x p e r i m e n t so nz 2 8 - 8 0 一t y p er o l l i n gm a c h i n e i nv i e wo ft h e e x i s t i n ge q u i p m e n tc a nn o tm e e tt h et e s tr e q u i r e m e n t ，z 2 8 - 8 0 一t y p er o l l i n gm a c h i n e w a sm o d i f i e di nt h i sp a p e rt om a k ei tp r e f o r mr o l l i n ge q u i p m e n t t h ec o r ei sa s e to f t r a n s m i s s i o n ，i tc o n s i s t so fb r a c k e t ，g e a r s ，s h a f t s ，b e a r i n g s ，b e a r i n gc o v e r sa n do t h e r c o m p o n e n t s t h r o u g ht h es t r u c t u r e ，t h r e a dr o l l i n gm a c h i n eo p p o s i t et h eo u t p u ts h a f t r o t a t i o na n dg o tt h ef u n c t i o no fr o l l i n g w eo b t a i nt h ed i s t r i b u t i o no ff o r c ea n d d e f o r m a t i o nb yu s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s t oa n a l y s i si t ss t a t i c ap h y s i c a le x p e r i m e n tw a sc a r r i e do nt h er o l l i n g e q u i p m e n t t h r o u g hp h y s i c a l i i e x p e r i m e n t sa n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o n s ，w ev e r i f i e dt h er e l i a b i l i t yb yc o m p a r i n g n u m 嘶c a ls i m u l a t i o na n dp h y s i c a le x p e r i m e n t t h e o r ya n de x p e r i m e n ts h o wt h a tt h e r o l l i n gp r o c e s sc a n b eu s e dt of o r m i n gp o l ep i e c e k e yw o r d s ：p o l ep i e c e ；r 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 sd e s i g n 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论l 1 1 引言l 1 2 极靴成形的研究现状。2 1 3 零件轧制工艺概述3 1 3 1 零件轧制工艺的优点3 1 3 2 零件轧制工艺的分类4 1 4 课题内容及研究意义6 1 5 研究方法及技术路线7 1 6 本章小结8 第2 章极靴预成形轧制原理9 2 1 坯料的咬入9 2 1 1 简单变形时的咬入条件9 2 1 2 极靴预成形轧制的咬入条件l o 2 2 轧制过程的前滑与后滑1 1 2 3 轧制过程中的展宽1 2 2 3 1 展宽的形式。1 2 2 3 2 展宽的影响因素一1 4 2 4 前后壁轮廓的成形过程1 6 2 5 本章小结18 第3 章极靴预成形轧制工艺方案与模具设计1 9 3 1 零件的工艺方案设计1 9 3 1 1 零件特点及工艺分析1 9 3 1 2 原始坯料的选择2 1 3 1 3 轧制道次的确定2 2 3 2 第二道次轧制模具设计2 2 3 2 1 模具结构的设计2 3 3 2 2 凸台型槽的设计2 3 3 2 3 展宽及延伸部分型槽的设计2 5 3 3 第一道次轧制模具设计2 6 3 4 本章小结2 7 第4 章极靴预成形轧制过程的有限元模拟2 8 4 1 金属塑性成形有限元理论2 8 4 2d e f o r m 一3 d 有限元分析软件简介2 9 4 2 1d e f o r m 成形过程仿真流程2 9 4 3 极靴预成形有限元模型与工艺参数的设定3 l 4 3 1 模型的建立及导入3 1 4 3 2 模拟的参数及边界条件设置3 l 4 4 模拟结果分析3 2 4 4 1 第一道次轧制3 2 4 4 2 第二道次轧制3 4 4 5 模拟参数对成形性能的影响3 8 4 5 1 坯料尺寸的影响3 8 4 5 2 第一道次下压量的影响4 0 4 6 前壁成形的讨论4 3 4 7 本章小结4 5 第5 章极靴预成形轧制实验研究4 6 5 1 基于z 2 8 8 0 型滚丝机的实验设备改造4 6 5 1 1z 2 8 8 0 型滚丝机简介4 6 5 1 2 实验设备改造一4 7 5 1 3 重要构件的校核一5 5 5 2 实验准备5 8 5 2 1 设备及模具的准备5 8 5 2 2 坯料的制备5 9 5 2 3 设备的调试6 0 5 3 数据分析6 0 5 4 成形效果分析6 2 5 4 1 结果分析6 2 5 4 2 实验中存在的问题。6 3 5 5 本章小结。6 3 第6 章总结与展望6 5 6 1 总结6 5 6 2 展望6 6 参考文献6 7 致谢7 0 攻读硕士期问发表的论文7 1 武汉理工大学硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 极靴是电机的重要零件之一，如图1 1 所示。 图1 1 极靴 图1 2 为电机的剖视图。主磁极是电机定子的一个部件，其作用是产生磁 场。它由主磁极铁芯和励磁绕组组成，励磁绕组套在主磁极铁芯上，并用绝缘 材料使二者相互绝缘，主磁极固定在机座上。主磁极用来产生主磁场，使电磁 绕组切割它而产生感应电动势。主磁极铁芯靠近转子一端的扩大部分称为极靴， 它的作用是使气隙磁阻减小，改善主磁极磁场分布，并使励磁组容易固刊1 ，5 1 。 图1 - 2 电机剖视图 武汉理j 二人学硕十学位论文 本文主要研究极靴预成形的轧制工艺。通过计算机有限元仿真模拟以及实 验对极靴预成形的轧制工艺开展研究。目的在于利用轧制工艺实现极靴零件的 预成形，同时利用计算机有限元模拟方法对成形过程进行模拟、分析、优化。 本课题提出的极靴零件轧制预成形法将大大提高成形效率。因此本课题的研究 在促进极靴零件成形方法的发展上具有积极和重要的意义。 1 2 极靴成形的研究现状 极靴是直流电机中定子上的元件，一个定子共四个。极靴由三个圆弧面组 成，尺寸精度要求高。极靴飞翼部分很薄，仅为1 3 r a m ，故给成形带来了较大 的困难。国外生产该产品的工艺是多工位连续成形，技术保密【2 j 。 目前国内成形极靴零件的传统方法有三种： ( 1 ) 切削加工工艺。切削加工工艺，生产出的零件虽然精度高，表面质量 高，但其材料利用率低，工时花费大。 ( 2 ) 粉末冶金。粉末冶金工艺的生产过程为：原料制造一混料一压制一烧 结一精压一检验一出厂。该工艺相对于切削加工工艺而言工序少，效率高，节 约材料，但生产的零件会产生8 到2 0 的孔隙度，从而导致零件质量的降低。 ( 3 ) 热锻一冷精整工艺。由于热锻时电磁纯铁容易被氧化，从而导致生产 出来的产品表面质量差，不能满足使用性能要求。因此，厂家拟采用冷挤压的 方法生产该零件。 目前，武汉理工大学华林、赵玉民等【3 】开始采用冷锻成形工艺加工电机极 靴并申请了相关专利。该工艺为：剪切下料一镦坯一挤压一切边一精压一切边 一去毛刺。详细的步骤为：1 ) 下料，根据塑性成形体积不变原理，采用高速带 锯锯切设备，对金属棒料精密锯切下料，得到棒料毛坯；2 ) 冷锻预成形：预 锻模具的准备；将棒料毛坯放入预锻模具的第一凹模上的预成形凸台凹模型 腔处，第一凸模向下移动，将棒料毛坯压向预成形凸台凹模型腔中，得预锻后 的锻件；3 ) 精密终锻：终锻模具的准备；将预锻后的锻件的凸台向下放入 凹模型腔内，第二凸模向下移动，将预锻后的锻件终锻成电机极靴毛坯；4 ) 切 边：在切边机上切除电机极靴毛坯飞边，得到最终电机极靴产品。采用该工艺 生产电机极靴可以大大提高极靴的综合机械性能和表面质量，而且能源和工时 消耗较小，经济效益十分显著。 与此同时，随着计算机技术的飞速发展，数值模拟仿真技术也取得了巨大 2 武汉理工大学硕七学位论文 的进步。刘进【1 4 】等应用数值模拟仿真软件d e f o r m 3 d 对电机极靴的冷挤压成 形工艺过程进行数值模拟仿真分析。分析了极靴冷挤压过程中的金属流动规律， 讨论了不同坯料尺寸、摩擦系数等参数对模拟结果的影响，最终确定了最优的成 形工艺参数。最后利用模拟得到的最优参数结果进行了生产实验，并将实验结果 与数值模拟结果进行了比较，证实了数值模拟的可靠性，取得了实验的成功。 本文拟采用轧制的方法进行极靴的预成形。目前在国内外文献中尚未见用 此方法成形极靴的报道，更鲜有其成形规律及金属流动规律相关的研究。 1 3 零件轧制工艺概述 c l n 过程是依靠轧辊旋转时与轧件之间形成的摩擦力将轧件拖进辊缝之 间，并使之受到压缩产生连续塑性变形的过程，通过轧制可使金属获得一定的 形状且具有一定的性能【6 】。传统的轧制方法只能成形等截面的型材，如圆材， 方材，管材，板材等。通常，机器的零部件都是在这些型材的基础上通过机加 工、压力加工等方法成形的。 零件轧制是指用轧制工艺直接成形零件的方法。他既是冶金技术同时也是 机械制造技术的发展，我们称他为零件* l n 。极靴预成形即是其中的一种，他 是利用某些金属在冷态下的可塑性来成形极靴，在轧机的外力作用下通过带一 定型槽的轧辊模具使坯料产生塑性变形，从而获得所需形状的零件。 1 3 1 零件s l 韦l j 工艺的优点 相对于传统的锻造工艺，零件c l n 的方法具有如下一些优点【8 】： ( 1 ) 工作载荷小。由于是连续局部成形，故其工作载荷相对于锻造而言小， 只有锻造载荷的几十分之到几分之一。 ( 2 ) 设备质量轻。小的载荷带来的优势就是设备的体积小、吨位小、质量 轻，从而节省投资。 ( 3 ) 生产效率及精度高。采用零件轧制工艺生产零件的效率一般是锻造工 艺的几倍到十几倍，并且材料节省，尺寸精度高。 ( 4 ) 工作条件好。零件* l n 工艺的冲击噪音比较小，工作环境明显改善并 且易于实现机械自动化生产。 3 武汉理丁大学硕士学位论文 1 3 2 零件轧制工艺的分类 1 3 2 1 辊锻 辊锻是纵向轧制。其原理以及典型产品如图1 3 所示。它是一种锻造新工 艺，使用一对反向旋转的模具，将坯料咬入，使其在模具中通过并产生连续局 部塑性变形，得到所需形状零件的轧制工艺。其变形的实质是坯料的延伸变形。 坯料在高度方向经模具压缩后，一小部分金属横向流动使坯料宽度略有增加， 大部分金属沿坯料的长度方向流动。因此辊锻适合减小坯料截面的锻造。 辊锻按照其用途可以分为制坯辊锻与成形辊锻。 图1 3 辊锻原理及其典型产品 制坯辊锻是为了进行金属的预分配，为模锻提供合格的毛坯。制坯辊锻主 要用于长轴类零件模锻前的制坯，例如汽车前梁、汽车曲轴等。 成形辊锻依据成形程度可分为初成形辊锻、部分成形辊锻以及完全成形辊 锻。初成形辊锻用于初步成形截面形状复杂类零件，如图1 3 ( c ) 所示的汽车 前轴、连杆等零件，待初成形后用小吨位模锻设备进行整形。部分成形辊锻的 零件，其一部分在辊锻机上成形，另一部分则采用模锻或者其他工艺成形。完 全成形辊锻可用于成形截面形状简单的小型锻件，如医用镊子、钢叉、汽车变 截面弹簧等。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2 2 横轧 图l - 4 横轧齿轮工作原理图 图1 - 4 为横轧齿轮工作原理图。与辊锻不同的是，横轧中的两轧辊旋转方 向相同。坯料在轧辊的带动下旋转并在孔型作用下成形。横轧的应用范围包括： 直齿、斜齿及人字圆柱齿轮，直齿、斜齿及螺旋圆锥齿轮、链轮等。 图1 5 楔横轧工作原理及其典型产品 楔横轧是一种轴类零件成形的新工艺、新技术。其工作原理如图1 5 所示， 两个带楔形模具的轧辊，以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。图1 5 中的右图即为楔横轧的典型 零件代表。 楔横轧工艺可生产各种台阶轴类零件，在国内外已生产出4 0 0 多种零件毛 坯，其中台阶可以是直角台阶、斜台阶、圆弧台阶以及窄凹台等，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。 5 武汉理。l ：人学硕士学位论文 1 3 2 3 斜轧 螺旋孔型斜轧是一种典型的斜轧形式，其原理如图i - 6 所示。 图i - 6 斜轧工作原理 螺旋孔型斜轧工艺是两个带螺旋孔型的轧辊，其轴心线相互交叉，轧辊以 相同的方向旋转并带动圆形轧件既旋转又前进，轧件在螺纹孔型的作用下，形 成回转体零件毛坯。螺旋孔型斜轧主要用于生产球磨钢球、轴承钢球及滚子等 零件或毛坯，还可以用穿孔斜轧轧出空心毛管后，在带芯棒的螺旋孔型斜轧机 上轧出空心的回转体零件毛坯，如自行车闸皮、轴承的内座圈等。 除此之外，环件轧制、摆辗、旋压、旋压锻造都是典型的特种轧制技术， 他们分别在环件、齿轮类零件、薄壁筒形等零件的成形有着独特的优势。 1 4 课题内容及研究意义 1 、轧制工艺的可行性分析。通过分析轧制的成形原理，确定轧制极靴零件 的可行性。 2 、工艺方案及模具设计。制定极靴预成形的合理工艺方案并设计第一道次 及第二道次轧制模具。 3 、有限元模拟。采用d e f o r m 3 d 有限元软件进行极靴预成形的轧制过 程模拟，通过模拟分析轧制过程的应力应变规律以及模具的行程载荷，选择合 理的工艺参数。 4 、实验验证。基于z 2 8 8 0 型滚丝机，设计一套使滚轮相向旋转的机械结 构，将滚丝机改造为轧机。同时，通过实验验证极靴预成形轧制工艺的可行性 6 j l ，v 武汉理丁大学硕士学位论文 以及有限元模拟的可靠性。 本文研究的目的在于寻找一种预成形极靴零件的全新方法，即研究能否采 用轧制工艺成形该类型零件。意义在于提高极靴预成形的成形效率，降低成形 设备的吨位，扩大轧制工艺的应用范围，同时也为类似零件的成形提供一定的 借鉴依据。 1 5 研究方法及技术路线 本文主要采用理论工艺分析、有限元数值模拟以及实验验证相结合的方法， 先在三维设计软件中建立极靴预成形的轧制模型，然后导入有限元软件 d e f o r m 3 d 对轧制过程进行数值模拟，获得相关工艺参数，最后进行实验验 证。 技术路线如下： 7 一 壁坚里三奎堂堡堂堡垒茎 一 一一 1 6 本章小结 本章简介了极靴零件的用途以及目前国内的传统成形方法，分析了这些方 法的优缺点并由此提出采用轧制工艺成形极靴预成形件。同时阐述了本课题的 研究目的、意义，明确了本文的研究内容及研究方法，并制定了技术路线。 一一一一一 _ 武汉理工大学硕十学位论文 第2 章极靴预成形轧制原理 2 1 坯料的咬入 为了研究极靴预成形坯料咬入的需要，我们做如下假设【6 】： ( 1 ) 两轧辊为圆形且上下对称，直径相等； ( 2 ) 轧制过程中两轧辊转速相同； ( 3 ) 两轧辊的表面状态相同； ( 4 ) 坯料截面连续且在其长度方向完全相等。 2 1 1 简单变形时的咬入条件 对于简单轧制，当坯料靠近旋转的轧辊因受摩擦力而被咬入时，称为自然 咬入，其示意图如2 1 所示。 图2 1 坯料咬入受力分析 当坯料端部刚接触轧辊时受n * l 辊的径向力n 和摩擦力t 的作用，根据几 何关系有： n x = n s i n c t 9 ( 2 1 ) 亟堡墨：三盔堂堡堂堡笙茎一 _ 一一 而 c = t c o s t = ；u n 显然，要使坯料顺利咬入，必须有c m ( 2 2 ) ( 2 3 ) 即t a n c t 或t a n o t t a np 或口 m 。故稳定轧制阶段允许的咬入角比咬入阶段的咬入角近似地大2 倍，则轧制稳定。 2 i 2 极靴预成形轧制的咬入条件 极靴预成形轧制断面示意图如2 - 2 所示。 ( a ) ( b ) 图2 2 极靴预成形轧制咬入分析 根据开始咬入时坯料与轧辊型槽的接触，分两种情况： l o 武汉理_ t 大学硕十学位论文 其一，当坯料宽度b 等于或小于型槽底部宽度b ，即b b 时，如图2 2 ( a ) 所示，此时咬入情况与简单变形时咬入条件相同，在此不再讨论。 其二，是以型槽的两侧壁与坯料首先接触而实现咬入，即b b 时，如图 2 2 ( b ) 所示。这种情况下坯料开始咬入的条件为 8 口 一 c o s 0 ( 2 5 ) 式中：旺型槽侧壁与轧制中心线的夹角。 由式( 2 5 ) 知，0 角越大，对咬入越有利。为了减小轧制的道次，总是希 望尽可能地增加坯料的下压量，在采用自然咬入时要受到式( 2 - 4 ) 条件的限制。 但是，在开始咬入后只要满足t i n l ，就能建立起轧制过程，因此生产中可 以采取以下强化咬入的措施。 ( 1 ) 中间咬入。轧制时，开始咬入的部分不是坯料的端部，而是坯料中间 某部分首先与轧辊接触并被咬入模具。 ( 2 ) 强制咬入。中间咬入会增加材料的多余消耗，且在某些情况下也不适 用，经过预先轧制过的坯料，已具有一定的形状，再次轧制时可根据坯料形状 和轧辊模具型槽的特点，采用坯料加入或依靠型槽凸起部分使坯料强制咬入的 方法。 强制咬入的方法是依靠轧辊模具作用给坯料机械推力而实现开始咬入的。 当已经咬入后，是在推力p 和摩擦力t 的水平力共同作用下建立起轧制过程。 所以，采用中间咬入后，可使开始咬入角增大，而且轧制过程中的极限咬入角 也会有所降低，约等于( 1 3 一1 5 ) 倍咬入阶段的咬入角。 2 2 轧制过程的前滑与后滑 在轧制过程中，坯料在高度方向受到压缩的金属，在纵向形成延伸，在横 向形成宽展。纵向延伸时，存在一个与两辊中心连线成y 角度的平面，该平面 称为中性面。在此面上坯料运动速度同轧辊线速度的水平分量相等。在中性面 前端，坯料出i z l 速度v 。大于轧辊水平分速度，此现象称前滑现象。在中性 面后端，轧制的入辊速度小于轧辊水平分速度，此现象称后滑现象，其所处的 区域分别称为前滑区和后滑区【6 9 】。轧制过程的速度如图2 3 所示： 一 璧坚望! 盔堂堡主堂堡垒壅 一 _ _ - _ - _ - _ _ - - _ _ i - _ _ - _ 一一一 变形区 图2 - 3 轧制过程速度图示 瓯= ( d c o s y 百- h ) ( 一l - c o s y ) ( 2 6 ) 式2 - 6 为计算前滑值的芬克公式。从式中可以看出，影响前滑值的主要参 数为轧辊直径d ，坯料厚度h 以及中性角丫。这是不考虑展宽时求解前滑的近 似公式。当存在展宽时，前滑值一般取2 一1 0 。 2 3 轧制过程中的展宽 2 3 1 展宽的形式 前面提及到，轧制时处于变形区内的金属在横向上形成展宽。实际应用中， 经常使用绝对展宽与绝对压下量之比来表示金属展宽量与下压量的关系，此比 值称为展宽指数。 即 式中： 色一展宽指数； 色= 盖= 嚣 1 2 ( 2 7 ) 武汉理上人学硕十学位论文 6 一绝对展宽量。其值为坯料变形后的宽度岛与其原来宽度6 0 之差； 幽一绝对下压量。其值为坯料高度变形前后之差一啊。 ( a )( b )( c ) 图2 4 各种展宽形式 图2 4 所示为轧件的几种展宽形式【1 5 】： ( 1 ) 自由展宽 如图2 4 ( a ) 所示，坯料受到挤压横向移动，除了受摩擦力之外再无其他 力对其横向移动约束，这种变形方式产生的宽展称为自由宽展，他是简单轧制 最主要的展宽形式，得到的展宽变形均匀，所以现阶段仍为轧制的主要研究对 象。 ( 2 ) 限制展宽 如图2 4 ( b ) 所示，坯料金属的横向流动受到型槽侧壁的阻碍从而使展宽 受到限制、展宽量减小，这种变形方式称为限制展宽。 ( 3 ) 强迫展宽 如图2 4 ( c ) 所示，坯料金属在有凸形部分的型槽中受到压缩时，金属的 横截面在凸形部分的挤压下受到推动，使其展宽增大，这种变形方式称为强迫 展宽。 对于极靴预成形零件，坯料上半部分处于限制展宽状态，而下半部分则处 于自由展宽状态。这种复合展宽形式较自由展宽复杂，且轧制过程中还有型槽 的影响，所以金属横向流动规律目前尚未完全掌握，只能通过修正系数指数表 示型槽对展宽的影响，按下式确定在型槽内的展宽指数，即 生a h = 蚝竺 ( 2 8 ) = 一 l j 。c a h 式中：a 忑b 一在平辊上轧制的展宽指数，为修j 下系数。 矗 1 3 亟坚垄! ：叁堂堕主堂堡笙茎 _ _ 一一 对于限制展宽的型槽，民 l 。 2 3 2 展宽的影响因素 不同于一般轧件的是，极靴预成形件的宽度较大，对展宽要求较高，故需 要对展宽的影响因素进行分析。 图2 - 5 坯料咬入受力分析 图2 - 5 是坯料在变形区的受力状况图。由于前滑区很小，我们只考虑后滑 区的受力状态，系数k 表示变形区金属的纵向与横向流动阻力比值， 即 式中：暇一纵向阻力； 吼一横向阻力。 k = 二土 既 ( 2 9 ) 纵向阻力等于后滑区内径向压力和摩擦力水平方向投影的代数和。假定沿 变形区弧长上压力的分布是均匀的，则径向压力合力p 将作用于与轧制中心线 成矽角处，而 1 4 口一，口- i - y 6 p = a - 彳2 丁二o 这样，在变形区金属纵向流动阻力，即延伸阻力为： w x = t ：一 由于轧辊是平的，故金属横向流动的阻力为： 彬= t 将以i - _ - - 式子代入式( 2 - 9 ) ，有 k ：互望 由图2 - 6 知 班s 妒一c o s 孚 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 将两式代入式( 2 1 2 ) ，有 一f#cosa兰+_f_p,sina兰+_笪y(2-16)k = f 一 或 由于 k 丁o t + y 一1 孚 1j ， 斗苦俨争旁 1 5 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 厂一 + 一2 口一 n吼p r = 缈 n 吼q _ = 武汉理工人学硕士学位论文 根据极限关系可求得0 k 1 ，这说明轧制时变形时纵向阻力小于横向阻 力，所以轧制的延伸大于展宽。而极限情况是k = 1 ，此时轧辊直径d 无限大， 相对于平面状态。 由此以上分析可讨论影响宽展的因素【6 j ： ( 1 ) 摩擦系数的影响 由式( 2 1 6 ) 可知，在其他条件不变的情况下，当摩擦系数u 增大时，k 值减小，则纵向阻力较横向阻力增加得快，展宽增加。所以，凡是能影响摩擦 系数u 的因素都能影响到展宽，这些因素包括温度、轧制速度、轧辊表面状态、 轧件金属的化学成分、润滑条件等。 ( 2 ) 轧辊直径的影响 在其他条件不变的情况下，当轧辊直径d 增大时，k 值增大，故展宽增加。 这是因为，根据最小阻力定律，d 的增大会使轧制区域扩大从而导致纵向阻力 的增加，于是金属更加容易沿着宽度方向流动。 ( 3 ) 坯料宽度的影响 在绝对宽度方面，在其他条件不变的情况下，展宽是随着坯料宽度的增加 而增大，而当坯料宽度达到某一临界值之后就会趋于不变；而对于相对展宽， 随着坯料宽度的增加相对展宽a b b 是减小的。 ( 4 ) 下压量的影响 下压量越大，金属在横向及纵向的流动体积量越多，相应的展宽越大。 ( 5 ) 轧制道次的影响 在其他条件不变的情况下，若总下压量一定，则轧制道次越多，展宽越小。 这是因为轧制道次的变化影响变形区水平投影宽度和长度z l - 1 ：6 r 五。轧制 道次越少，每次的下压量ah 较大，n b 尼劬越小，有利于横向变形，展宽 较大，反之则展宽较小。 2 4 前后壁轮廓的成形过程 由于极靴预成形件有凸台，故坯料轧制时有前后壁轮廓的成形。如图2 - 6 所示，轧制过程前后壁的成形可分为以下四个阶段 9 j o 】： ( 1 ) 从轧辊的凸起部分后端接触坯料开始到下一个凸起部分的前端接触坯 料为止。该阶段结束后形成b 图中的前壁轮廓角。 ( 2 ) 从轧辊后一个凸起部分的前端接触坯料丌始到轧辊凹入部分接触坯料 1 6 武汉理r 大学硕十学位论文 为止。在这一阶段，由于后一个凸起部分的切入，对后滑的金属会产生一个阻 力，但前一个凸起部分对金属产生压缩从而迫使金属向后流动，会使第一阶段 形成的届的下面一部分发生畸变而减小。同时，由于轧辊后一凸起部分的切入， 所以会对屈上面的部分进行拉缩，使其变形增大，结果使第一阶段形成的前壁 轮廓变为一个凸起的圆弧形。 ( 3 ) 从凹入部分接触坯料开始到轧辊前壁到达中心线为止。在这一阶段轧 辊前后的凸起部分以及凹入部分对坯料都有压缩。除一部分金属向后流动外， 主要是金属向模具后壁的填充过程，将后壁轮廓充满。与此同时，由于后壁的 阻力，也将使前壁形状继续向前凸起，金属只能部分地填充前壁。 ( 4 ) 第四阶段是从轧辊的前壁处于轧辊中心线开始到轧辊后壁转过中心线。 这一阶段由于轧辊凹入部分和后凸起部分继续压缩坯料，导致金属继续填充凹 槽，主要是使i j 壁轮廓继续成形，更多的金属是向后流动。 综上所述，前壁轮廓属于难成形区，后壁轮廓属于易成形区。实验表明， 12 r 一定时，屈随j i l d k j n 的增大而增大；j i i ；d k ；。一定时，届随k12 r 的 增大而减小。故在模具设计时，可通过选择合理的r 以及、k ；。值来改善前 壁轮廓的填充。 a ， c ) b ) d ) 图2 - 6 前后壁轮廓的成形过程 1 7 ej 一 亟坚里! ! 奎堂堡主堂堡垒茎 一 - - _ _ - _ _ _ _ _ _ - - _ - 一一一 2 5 本章小结 本章从坯料的咬入、轧制过程的前滑与后滑、展宽、前后壁轮廓的成形过 程四个方面阐述了极靴预成形的轧制原理。考虑到极靴预成形件的两个重要特 点，即展宽要求高、有凸台，详细讨论了展宽的影响因素以及前后壁的成形过 程，为后一阶段工艺设计以及有限元模拟参数的选择提供了依据。 、 一亟坚里：! ；叁堂堡主堂垡笙奎 _ 一 第3 章极靴预成形轧制工艺方案与模具设计 3 1 零件的工艺方案设计 3 1 1 零件特点及工艺分析 本文以某型号极靴预成形件为例进行讨论，零件如图3 - i 所示： 岫 no 图3 - i 极靴预成形零件图 1 9 武汉理i ：人学硕+ 学位论文 在轧制工艺制定过程中，掌握其成形时的金属流动规律、成形载荷大小、 应力应变分布等参数对模具设计及工艺制定是十分重要的。极靴预成形件属于 非对称截面零件，尚未用轧制工艺生产过，故目前还没有一种精确的解析公式 来计算其变形力以及分析其金属流动规律。为了寻求最佳工艺条件，对其进行 工艺分析是十分重要的。 从图3 1 及图3 2 中，可以看出该零件有如下特点： ( 1 ) 该零件宽度较宽，为其长度的3 1 2 5 。根据极靴预成形轧制原理的分 析可知，极靴预成形轧制的实质是金属的延伸变形，变形过程中的展宽很小。 故如何设计工艺、选择坯料，从而提高展宽使其达到零件尺寸的要求，是生产 该零件需解决的首