（材料加工工程专业论文）环件冷辗扩过程材料参数与芯辊进给速度的耦合作用研究.pdf

摘要 摘要 环件冷辗扩是一种多因素藕合作用下的先进而复杂的局部塑性成形工艺， 其中材料参数与进给速度的藕合作用对环件冷辗扩成形有着重要影响。因此， 本文针对环件冷辗扩工艺的特点，以有限元分析软件a b a q u s 为平台，利用弹塑 性动态显式有限元法，研究分析了 硬化指数、屈服强度和弹性模量参数分别在 0 .0 6 50 .5 0 0 . 1 0 0 - 4 5 0 mp a , 3 5 - - 1 2 0 g p a 范围内取值，芯辊在 1 . 2 2 - 9 .7 5 m m / s 范 围内恒速进给时，对冷辗扩成形的藕合作用。主要结果如下: 成形件的不均匀变形程度、鱼尾形状系数随进给速度变化的规律主要受硬 化的影响，而受屈服强度和弹性模量影响较小。对于硬化指数小于0 . 2 的材料， 进给速度在 1 .2 23 . 6 6 m m / s 的范围内由小增大时，成形件不均匀变形程度和鱼 尾形状系数大幅度降低;当进给速度在3 .6 6 - 6 m m / s 范围内由小增大，不均匀变 形程度的改善较小，当进给速度大于 6 m m / s 对不均匀变形程度影响很小;而对 鱼尾形状系数而言， 进给速度大于3 .6 6 m m / s 时对其影响就很小。 对于硬化指数 大于0 .2 的材料，进给速度对上述指标的影响都很小。 辗扩力随着进给速度、硬化指数、屈服强度的增大而增大，而弹性模量对 辗扩力的影响很小;辗扩力随进给量的变化规律受屈服强度和弹性模量的影响 很小，主要受硬化指数的影响， 对于硬化指数大于0 . 1 的材料， 辗扩力随进给量 的增加一直上升，而对于硬化指数小于0 . 1 的材料，辗扩力不变。 提出了针对不同材料环件冷辗扩时的芯辊进给速度的选取准则。硬化指数 对进给速度的选取起决定性作用，而屈服强度和弹性模量的影响可以忽略。 硬 化指数小于。 .2时， 进给速度取值在6 m m / s 左右， 硬化指数大于0 .2 时， 只要满 足生产效率，进给速度在 1 . 2 2 - 9 . 7 5 m m / s 范围内取值越小越好。 本文的研究结果对环件冷辗扩时不同材料参数选择合理的进给速度提供了 依据。 关键词 环件冷辗扩;藕合作用:进给速度;硬化指数;屈服强度;弹性模量 一t一 西北t业大学工学硕士毕业论文 a b s t r a c t c o l d r i n g - r o l l i n g p r o c e s s i s a n a d v a n c e d c o m p l e x l o c a l p l a s t i c f o r m i n g t e c h n ic s w it h m u l t i - f a c t o r s c o u p l e e ff e c t s . t h e c o u p l e e ff e c t s b e t w e e n m a t e r i a l p a r a m e t e r s a n d f e e d v e l o c i t y a r e v e r y i m p o rt a n t f o r t h e p r o c e s s . t h e r e f o r e , t h e y a r e i n v e s t i g a t e d b y t h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n me t h o d i n t h i s d i s s e rt a t i o n . i n t h e p a p e r , h a r d e n a b i l i t y v a l u e , y i e l d s t r e n g t h a n d y o u n g s m o d u l u s a r e c h o s e n r e s p e c t i v e l y i n t h e r a n g e o f 0 .0 6 50 . 5 , 1 0 0 - - 4 5 0 mp a a n d 3 5 - 1 2 0 gp a . t h e c o n s t a n t f e e d v e l o c i t i e s o f t h e ma n d r e l a r e c h o s e n i n t h e s c o p e o f 1 .2 2 - 9 . 7 5 m m / s . t h e f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s s o ft w a r e - a b a q u s i s u s e d f o r t h e s i m u l a t i o n . e l a s t ic - p l a s t i c d y n a m i c f i n i t e e l e m e n t m e t h o d i s a d o p t e d f o r t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e c o l d r i n g - r o l l i n g p r o c e s s . t h e m a i n r e s u l t s a r e a s f o l l o w s : t h e r u l e s t h a t i n h o m o g e n e o u s d e f o r m a t i o n a n d f i s h t a i l c o e f f i c i e n t o f t h e s h a p e d r i n g c h a n g e w i t h t h e f e e d v e l o c i t y a r e m a i n l y a ff e c t e d b y h a r d e n a b i l i t y v a l u e , w h i l e y ie l d s t r e n g t h a n d y o u n g s m o d u l u s h a v e l i t t l e i n fl u e n c e o n t h e r u l e s . f o r t h e m a t e r i a l w h o s e h a r d e n a b i l it y v a l u e i s le s s t h a n 0 .2 , w h e n t h e f e e d v e l o c i t y i n c r e a s e s f r o m 1 .2 2 m m / s t o 3 .6 6 m m / s , t h e i n h o m o g e n e o u s d e f o r m a t i o n d e g r e e a n d f i s h t a i l c o e ff i c i e n t f a l l d o w n q u i c k l y ; w h e n t h e f e e d v e l o c i t y i n c r e a s e s f r o m 3 .6 6 m m / s t o 6 m m / s , t h e i n h o m o g e n e o u s d e f o r m a t i o n d e g r e e a l s o f a l l s d o w n , b u t t h e d o w n t r e n d b e c o m e s s l o w e r ; a n d w h e n t h e f e e d v e l o c i t y i s m o r e t h a n 6 m m / s , t h e i n h o m o g e n e o u s d e f o r m a t i o n d e g r e e h a s l i t t l e c h a n g e . t h e f i s h t a i l c o e ff i c i e n t c h a n g e s s c a r c e l y w h e n t h e f e e d v e l o c i t y i n c r e a s e s f r o m 3 .6 6 m m / s t o 9 .7 5 m m / s . t h e r o l l f o r c e r i s e s w i t h t h e i n c r e m e n t o f f e e d v e lo c i t y , h a r d e n a b i l i t y v a l u e a n d y i e l d s t r e n g t h , w h i l e y o u n g s m o d u l u s h a s l i tt l e e ff e c t o n i t . m o r e o v e r , y i e l d s t r e n g t h a n d y o u n g s m o d u l u s h a v e l i t t l e i n fl u e n c e o n t h e r u l e t h a t t h e r o l l f o r c e c h a n g e w i t h t h e a m o u n t o f f e e d , w h i l e h a r d e n a b i l i t y v a l u e h a s m u c h i n fl u e n c e o n i t . i f h a r d e n a b i l i t y v a l u e i s m o r e t h a n 0 . 1 , r o l l f o r c e i s i n c r e a s i n g w it h t h e i n c r e m e n t o f t h e a m o u n t o f t h e f e e d . h o w e v e r , r o l l f o r c e i s c h a n g e l e s s w h e n h a r d e n a b i l i t y v a l u e i s l e s s t h a n 0 . 1 . t h e i n v e s t i g a t i o n i n t h e d i s s e rt a t i o n p u t s f o r w a r d a g u i d e l in e h o w t o c h o o s e a p p r o p r i a t e f e e d v e l o c i t y f o r d i ff e r e n t m a t e r i a l : t h e v a l u e o f f e e d v e l o c i t y d e p e n d s o n ab s t r a c t t h e h a r d e n a b i l i t y v a l u e , t h e e ff e c t s b y y i e l d s t r e n g t h a n d y o u n g s m o d u l u s c a n b e n e g l e c t e d . i f h a r d e n a b i l i t y v a l u e i s l e s s t h a n 0 .2 , f e e d v e l o c i t y c a n b e c h o s e n a t a r o u n d 6 m m / s , a n d i f h a r d e n a b i l i t y v a l u e i s m o r e t h a n 0 .2 , l o w e r f e e d v e l o c i t y i n t h e r a n g e 1 . 2 2 - 9 . 7 5 m m / s i s b e t t e r a s l o n g a s p r o d u c t i o n e ff i c i e n c y i s s a t i s f i e d . t h e r e s u l t s o b t a i n e d a b o v e p r o v i d e a r e f e r e n c e w h e n c h o o s i n g f e e d v e l o c i t y f o r d i f f e r e n t m a t e r i a l i n c o l d r i n g r o l l p r o c e s s . k e y w o r d s : c o l d r i n g - r o l l i n g ; c o u p l e e ff e c t s ; f e e d v e l o c i t y ; h a r d e n a b i li t y v a l u e ; y i e l d s t r e n g t h ; y o u n g s mo d u l u s 一ut一 西北工业大学工学硕 卜 毕业论文 本文的主要创新点与贡献 1 、 研究揭示了材料参数和芯辊进给速度对成形件不均匀变形程度和鱼尾形 状系数的祸合作用，结果表明， 对于硬化指数大于0 .2 的材料， 进给速度对成形 件的不均匀变形程度和鱼尾形状系数的影响很小: 而对于硬化指数小于0 .2 的材 料，进给速度就存在一个使不均匀变形程度和鱼尾形状系数大幅度降低的取值 范围。屈服强度和弹性模量对成形件的不均匀变形程度和鱼尾形状系数随进给 速度变化的规律影响较小。 2 、研究发现，辗扩力随着进给速度、硬化指数、屈服强度的增大而增大， 而弹性模量的影响很小;辗扩力随进给量的变化规律受屈服强度和弹性模量的 影响很小，主要受硬化指数的影响， 对于硬化指数大于0 . 1 的材料， 辗扩力随进 给量的增加一直上升，而硬化指数小于0 . 1 的材料，辗扩力不变小。 3 、研究提出了针对不同材料环件冷辗扩时的芯辊进给速度的选取准则。硬 化指数对进给速度的选取起决定性的作用，屈服强度和弹性模量的影响可以忽 略。硬化指数小于0 .2 时，进给速度取值在6 m m / s 左右，硬化指数大于0 .2 时， 在考虑生产效率的前提下，进给速度在1 .2 2 - - 9 . 7 5 m m / s 范围内取值越小越好。 一w一 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 环件辗扩，又叫做环件轧制，它是一种生产无缝环形件的有效方法，它借 助于辗环机使环形毛坯产生壁厚减小、直径扩大的塑性变形，是一种局部成形 的塑一陡加工工艺，与整体模锻成形工艺相比，它大幅度降低了设备吨位和投资、 并且振动冲击小、节能节材、生产成本低，由于这些显著技术经济优点，而被 广泛地用于机械、汽车、火车、石油化工、矿山机器等工业部门。环件辗扩原 理如图l ( a ) 所示：驱动辊为主动辊，沿固定轴线做旋转运动，驱动辊和环件之问 的摩擦力带动环件旋转，芯辊为从动辊，它在环件的作用下作旋转运动并且连 续进给趋近于大直径的驱动辊，使环件产生壁厚减薄、直径增大的变形，两个 导向辊以一定的约束力抱住环件起定心与防振作用。环件反复通过驱动辊和芯 辊构成的孔型( 辊缝) 产生壁厚减小，直径扩大的辗扩变形，最终成为具有一 定几何尺寸和截面轮廓的环形零件。为了控制环件端面成形或轴向宽展，可以 使用锥辊，如图1 f b ) 所示。 ( a ) 图1 环件辗扩简图 环件辗扩加工的环件尺寸范围很广，9 0 的辗扩环件外径为2 4 0 9 8 0 m m ， 高度为7 0 2 1 0 m m ，壁厚为1 6 - 4 8 m m 。但是外径为7 5 m m 8 m ，高度为1 5 m m 2 m ， 重量为o 4 8 2 ，0 0 0 k g 的辗扩环件也很常见。在设计和控制改进的辗环机上还可 以加工厚高比为1 6 ：1 的碟形环件，在同样的径轴向辗环机上还可以加工厚高比 西北工业大学【学硕t 毕业论文 为l ：1 6 的袖筒形环件。环件辗扩是辗扩技术与机械零件制造技术的交叉和结合， 与传统的板材辗扩相比较，它有如下特点： ( 1 ) 三维变形。宽高比比板材轧制大得多，既有径向压缩变形、周向延伸， 又有宽度方向的宽展，宽展不可忽略； ( 2 ) 连续渐变。每次压下量小，是一个连续渐变过程，且进给速度一般是 时变的； ( 3 ) 非线性。辗扩力与力矩等的影响因素多，且都是非线性关系。环件外 径增长率与进给速度、辗扩力之间的关系也是明显的非线性： ( 4 ) 非对称。主辊和芯辊直径不等，且只有主辊驱动。锥辊各断面上的直 径亦不等，因此变形几何区非对称； ( 5 ) 非稳念过程。变形区几何形状连续发生变化，变形区几何边界复杂、 不稳定、变形力学条件也是动态变化，不像板材轧制有一个稳定状态； ( 6 ) 属于多道辗扩。环件依次经过径向轧辊与轴向轧辊，并如此不断循环。 由于这些特点，环件辗扩不仅表现出了普通平板j r l s j j 、异步轧制、型材轧 制、多道次轧制的性质，而且还表现了这些轧制的耦合性质。环件辗扩不仅表 现出了出了几何非线性和物理非线性，而且还表现出了几何非线性和物理非线 性的耦合性质。环件辗扩不仅受到静力学、运动学和动力学因素的影响，而且 还受到这些因素的耦合影响，因而环件辗扩变形具有高度的复杂性。 冷辗扩就是在低于材料的再结晶温度条件下利用金属材料的塑性变形来获 得所需的零件形状和尺寸的一种辗扩工艺。 目前。用于环件辗扩成形的环件材料主要有：碳素钢、合金工具钢、不锈 钢、铝合金、铜合金、钛合会、钴合金等。 最常见的环件产品有：轴承环、齿轮环、火车车轮箍、燃汽机环、电机集 电环及和反应堆容器环件等。 1 2 环件辗扩的研究现状及发展趋势 1 2 1 环件辗扩的研究现状 环件辗扩工艺是一种很古老的工艺，1 8 4 2 年，英国曼切斯特出现了第一台 生产无缝环件的辗环机后，环件辗扩工艺开始广泛地应用于制造领域。迄今为 西北工业大学工学硕 上 毕业论文 为1 : 1 6 的袖筒形环件。 环件辗扩是辗扩技术与机械零件制造技术的交叉和结合， 与传统的板材辗扩相比较，它有如下特点: ( 1 ) 三维变形。 宽高比比板材轧制大得多， 既有径向压缩变形、 周向延伸， 又有宽度方向的宽展，宽展不可忽略; ( 2 )连续渐变。每次压下量小，是一个连续渐变过程，且进给速度一般是 时变的; ( 3 )非线性。辗扩力与力矩等的影响因素多，且都是非线性关系。环件外 径增长率与进给速度、辗扩力之间的关系也是明显的非线性; ( 4 )非对称。主辊和芯辊直径不等，且只有主辊驱动。锥辊各断面上的直 径亦不等，因此变形几何区非对称; ( 5 ) 非稳态过程。 变形区几何形状连续发生变化， 变形区几何边界复杂、 不稳定、变形力学条件也是动态变化， 不像板材轧制有一个稳定状态; ( 6 ) 属于多 道辗 扩: 环 件 依次 经过 径向 轧 辊 与 轴向 轧 辊， 并 如 此 不断 循 环。 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，而且还表现了 这些轧制的祸合性质。环件辗扩不仅表 现出了出了几何非线性和物理非线性，而且还表现出了几何非线性和物理非线 性的祸合性质。环件辗扩不仅受到静力学、运动学和动力学因素的影响，而且 还受到 这些因素的 藕合影响， 因 而 环件辗扩变形具有高 度的 复杂性。 冷辗扩就是在低于材料的再结晶温度条件下利用金属材料的塑性变形来获 得所需的零件形状和尺寸的一种辗扩工艺。 目 前，用于环件辗扩成形的环件材料主要有: 碳素钢、合金工具钢、不锈 钢、铝合金、铜合金、钦合金、钻合金等。 最常见的环件产品有:轴承环、齿轮环、火车车轮箍、燃汽机环、电机集 电环及和反应堆容器环件等。 . 2环件辗扩的研究现状及发展趋势 1 . 2 . 1环件辗扩的研究现状 环件辗扩工艺是一种很古老的工艺，1 8 4 2年，英国曼切斯特出现了第一台 生产无缝环件的辗环机后，环件辗扩工艺开始广泛地应用于制造领域。迄今为 一2 一 西北工业大学工学硕 上 毕业论文 为1 : 1 6 的袖筒形环件。 环件辗扩是辗扩技术与机械零件制造技术的交叉和结合， 与传统的板材辗扩相比较，它有如下特点: ( 1 ) 三维变形。 宽高比比板材轧制大得多， 既有径向压缩变形、 周向延伸， 又有宽度方向的宽展，宽展不可忽略; ( 2 )连续渐变。每次压下量小，是一个连续渐变过程，且进给速度一般是 时变的; ( 3 )非线性。辗扩力与力矩等的影响因素多，且都是非线性关系。环件外 径增长率与进给速度、辗扩力之间的关系也是明显的非线性; ( 4 )非对称。主辊和芯辊直径不等，且只有主辊驱动。锥辊各断面上的直 径亦不等，因此变形几何区非对称; ( 5 ) 非稳态过程。 变形区几何形状连续发生变化， 变形区几何边界复杂、 不稳定、变形力学条件也是动态变化， 不像板材轧制有一个稳定状态; ( 6 ) 属于多 道辗 扩: 环 件 依次 经过 径向 轧 辊 与 轴向 轧 辊， 并 如 此 不断 循 环。 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，而且还表现了 这些轧制的祸合性质。环件辗扩不仅表 现出了出了几何非线性和物理非线性，而且还表现出了几何非线性和物理非线 性的祸合性质。环件辗扩不仅受到静力学、运动学和动力学因素的影响，而且 还受到 这些因素的 藕合影响， 因 而 环件辗扩变形具有高 度的 复杂性。 冷辗扩就是在低于材料的再结晶温度条件下利用金属材料的塑性变形来获 得所需的零件形状和尺寸的一种辗扩工艺。 目 前，用于环件辗扩成形的环件材料主要有: 碳素钢、合金工具钢、不锈 钢、铝合金、铜合金、钦合金、钻合金等。 最常见的环件产品有:轴承环、齿轮环、火车车轮箍、燃汽机环、电机集 电环及和反应堆容器环件等。 . 2环件辗扩的研究现状及发展趋势 1 . 2 . 1环件辗扩的研究现状 环件辗扩工艺是一种很古老的工艺，1 8 4 2年，英国曼切斯特出现了第一台 生产无缝环件的辗环机后，环件辗扩工艺开始广泛地应用于制造领域。迄今为 一2 一 第 1 章绪论 止，广大研究者已从实验研究、理论分析和数值模拟的角度对环件辗扩制造系 统中诸如设各、工艺类型、主要工艺参数、金属流动规律、工艺规划和控制、 生产线等环节进行了大量研究工作。环件辗扩工艺包含了复杂的三维塑性流动， 导致对此过程的分析非常困难，自从辗环机出现后很长的一段时间内，很少有 关于环件辗扩工艺系统研究的报导。后来逐渐有学者采用能量法对工艺进行了 理论分析，但是这些研究仅局限于对辗扩力和辗扩力矩的分析。随着环件辗扩 工艺的不断发展，对环件辗扩工艺的研究越来越深入，这不仅仅是对环件辗扩 工艺的研究，还包括了对研究方法的探索。随着计算机技术的飞速发展，数值 模拟方法也被应用于对环件辗扩进行探讨，并且取得了较好的成果。 对环件辗扩的研究方法可分为三类:试验法、理论解析法和数值仿真方法。 1 . 2 . 1 . 1试验研究 早期的工作大多属于试验研究。 环件辗扩工艺出 现得很早， 1 9 4 2 年，b o d e m e r 设计了世界上第一台辗环机图纸，并由英国j a c k s o n 和c o . 按 设计图纸共同制造了第一台辗环机。早期的辗环机采用蒸汽动力传动，当今使 角的 辗环机是在早期辗环机的 基础上进行了 改进， 用电 力或液压驱动 ( 更多 地 采用液压驱动) 。然而，环件辗扩工艺出现得很早，但是在环件辗扩工艺出现之 后得很长一段时间内，很少见这方面发表的著作。虽然环件制造商为了方便设 计机器构架对环件辗扩工艺有所研究， 但是他们没有公布他们的研究成果。最 早 有关环 件辗扩研究的报导为w e b e r 在f i e i n r ic h i r o n a n d s t e e l w o r k s a t h a t t i n g e n进行的试验研究，此试验直接目 的是确定锻压和环件辗扩引 起的环件 个别区域材料的位移。p o t t e r 2 l 在一台改良 的 辗环机进行了分析， 研究了 导向 辊 的最佳位置，发现这台机器导向辊的最佳安装位置应该离辊子共同轴线有特定 的距离，同时在此研究中，p o t t e r 还进一步的研究了晶粒的流动，发现辗扩结束 后晶 粒沿周向分布。 w a g n e : 和多 特蒙得公司公 布了目 录表形式的经验公式，这 对确定延伸率已知的环件辗扩中所需的辗扩力和辗扩力矩很有帮助，遗憾的是 他们没有对这些公式进行解释，并且这些公式中还掺杂了许多随机因素，可靠 性较低。 在 j o n s o n等研究之前，绝大部分的研究工作为环件辗扩设备制造商所 进行的试验研究。最早发表的关于环件辗扩工艺研究的文献是 j o h n s o n等所撰 写的 3 -s 0 2 0 世纪6 0 年代， 英国 学者j o h n o s n 等3 1 首先开 展了 环件 辗扩的 实验 研 究，整个试验采用的是立式二辊辗环机。通过试验得到辗扩过程中不同的压缩 量下，径向应变、辗扩力、辗扩力矩的变化规律，以及压缩量不变，驱动辊圆 周速率不同时的径向应变、辗扩力、辗扩力矩的变化规律，并预测了塑性铰的 一3 西北工业大学工学硕士毕业论文 存在。 随后j o h n s o n等4 1 在同 一设 备上， 采用 对环件辗扩加工的 环件进行蚀刻 的 方法，进一步研究了环件辗扩中塑性铰与载荷的关系，研究发现只有载荷达到 一定数值时，才会在环件变形区径向对称区域的内缘和外缘出现塑性铰，并且 随着载荷的增加，塑性铰区域逐渐向中间层延伸并扩大，最终内缘和外缘的塑 j性铰连成一体。塑性铰的出现易使环件变成椭圆形，使导向辊受力不均匀， 导 致零件不合格。因此，在环件辗扩工艺中应控制好载荷的大小，避免塑性铰的 形成。 以 上的 试验 研究 都是在 普通的 模拟中 厚 钢板辗扩机器 ( o r d in a r y m o d e l p l a t e r o l l i n g m i l l ) 上进行的， 并不是在工厂里所使用的辗环机上进行。为了 更准确地 再现工业上环件辗扩过程，j o h n s o n等 5 1 制造了 一台标准的 辗环机， 并且在此 设备上对不同材料的环件进行了辗扩，其中包括铅环的辗扩、铝环的热辗和冷 辗扩以及钢环的热辗扩等，显示了这台机器的通用性能。研究表明，在环件辗 扩过程中，导向辊的约束力非常关键，导向辊的约束力太大会使环件压扁，导 向辊的约束力太小，环件最终形状有变成方形的趋势。此研究还得到了啼铅合 金 辗 扩 中 驱 动 辊 转 速 一 定 时 ， 单 位 面 积 的 辗 扩 力 p l a k 与 压 缩 率 r 。 的 经 验 公 式 : 刁 a k 一 c r 二 。 之 后j o h n s o n 等 6 -ll，还 对 环 件 辗 扩 进 行 了 一 系 列 的 研 究 。 其 中 ， 1 9 6 8 年，c a d d e l l , n e e d n a m a n d j o h n s o n 等 6 1 的 实 验 研究 发 现， 环 件辗 扩生 产的 金 属 硬度变化沿轴向、径向及周向差别不大，平均硬化程度比轴向压缩实验引起的 硬化小 2 5 %左右。他们还在试验数据的基础上采用解析方法给出了预测辗扩力 和辗扩力矩的公式3 ,7 1 。 m a m a l i s , johnsonlo用测 压针方法研究了 不同 材 料在 不同孔型中辗扩时的单位压力分布，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 现拐点的 规律。 当压下速度较大时，单位压力可出现两个峰值。这些现象说明平板辗扩理论和 摩擦理论不适用于环件辗扩过程。对于环件辗扩过程的分析，必须根据环件辗 扩的 特点 重新建立环件辗扩的理论模型。 1 9 7 6 年， m a m a l i : 和j o h n s o n 等 1 q 用试 验的方法测得了沿接触面长度方向上压应力的分布。 j o h n s o n 和他的合作者的这 些试验研究大大地帮助了我们认识环件辗扩的力学机理。在闭式环件辗扩工艺 中，如果零件外形比较复杂，在辗扩中型腔不容易填充或者出现拉缩现象，为 了 避免 这 些缺陷 可以 采用多 工 步 辗 扩 1 12 1 . s a lim i i 3 针 对径 轴向 环 件 辗 扩 工艺 进行 了大量的试验。在国内，武汉理工大学的华林、张猛等人设计了环件辗扩试验 4 第 1 章绪论 测试系统， 在 d 1 5 - 1 6 0 a立式辗环机上进行辗扩实验 ， 建立了 环件辗扩静力学、 运动学以及动力学、几何学模型，揭示了环件辗扩成形原理和普遍规律。应用 该原理华林 1 4 1等人于上世 纪 9 0年代初， 在 d 5 1 - 4 0 0通用辗环 机上开发出了 e q 1 4 0 汽车差速器从动螺旋齿轮锻件辗扩成形工艺。 分析了e q 1 4 0 汽车从动螺 旋齿轮辗扩成形的特点及锻件缺陷成形原因，该工艺已经在北京、湖北等地企 业投入生 产应 用。 许思 广等 15 1就 直径 为1 .3 米的 工 业 典 屯 铝 环件 在恒 压力 辗扩 条 件 下，对影响环件宽展变形的各个工艺因素进行了实验研究及分析，得出了宽展 变形规律和对宽展变形的影响因素。 一般来说，试验研究是研究的基础，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。但是试验研究 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，且耗时费 力、造成能源和材料的浪费。 1 . 2 . 1 . 2 理 论研 究环 件 辗 扩 理论 研 究 工 作 于 上 世 纪6 0 年 代开 始。 h a w k y a r d 7 1 将上世纪2 0 年代建立的用于求解理想塑性材料的平面应变问题滑移线基本理论 应用于环件辗扩过程，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。与实验结果对比， 辗扩力公式的误差小于 1 0 %.辗扩力矩 的误差在 1 5 % 左右。由于环件辗扩中金属变形复杂， 所以对金属变形规律的进 一步 研究 多 采 用 上 限 法或 能 量 法 ， h a y a m a 1 s 1用 能 量 法在圆 柱 坐 标 系 中 建 立了 金 属变形模型，对环件辗扩进行了三维分析，有益地探讨了环件的宽展，但其三 维 速 度 场只能 近 似地 描 述平 均宽 展。 l u g o r a 等 1 1 7 1 将 流函 数引 入到 希 尔一 般分 析 法中，研究了环件辗扩过程中金属的轴向流动，得到辗扩过程中，不同的进给 速 度 下 环 件 外 径、 轴向 流 动 随 压 缩 量 的 变 化曲 线。 y a n g 18 1 考 虑了 芯 辊 压 下 速 度 的影响， 用能量法研究了l 型截面环件辗扩力矩的变化规律。 计算和试验表明， 当压下速度较大时，芯辊的压下速度对辗扩力有一定影响，但芯辊压下速度较 小时，其影响可忽略不计。 在国内，也有许多学者对环件辗扩进行了 大量的理论研究。华林等 1 9 -2 8 1 在 总结国内外的研究以及自己进一步研究的基础上，通过长期的理论和实践探索， 从静力学、运动学、动力学、几何学、塑性成形原理等方面深入研究了环件辗 扩的力学条件、成形流动规律、力能计算方法等，建立了环件辗扩的咬入条件、 锻透条件与刚度条件;环件辗扩力能匹配计算方法;环件辗扩直线进给速度和 旋转辗扩的速度极限范围:环件辗扩的稳定性条件等。许思广等采用流函数概 5 一 西北工业大学工学硕上毕业论文 念，构造了环件辗扩的三维速度场，分析了环件横向变形及侧表面形状，得出 了宽 展与 压下量的变化规律2 9 1 ;采 用上限 元法构造了 满足边界条 件的 速度场， 分析了 工艺因素对环件辗扩过 程的 影响 3 0 1 ; 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 。 。 蒋日 东 等 通过 平均 单 位压 力， 建立了 径一 轴向 辗扩的 综合可轧区 3 2 1 ; 研究了 环件优化辗扩规程设计方法3 3 和 环件辗扩过程的 计算机辅助设计与分析(3 4 1 ， 这样 借助数字计算机的环件辗扩 计 算机辅助工程，可以解决传统环件加工的经验直觉法与试凑法的耗时费力问题， 为环件辗扩过程的综合分析、规划及过程模拟提供有效的工具;采用逆向仿真 技术对相应的毛坯进行优化设计， 提高环件辗扩效率和所加工环件的质量3 5 1 他们还对环件辗扩的变形几何区进行了定性和定量分析，推导了诸过程参数之 间的运动关系，提出的几何学、运动学与动力学方程，适用于环件辗扩的计算 机 辅 助 分 析 与 设 计 3 6 1 由于受到客观条件的限制，大量的理论研究工作被限制在近似或经典塑性 成形理论的研究领域。并且环件辗扩过程不同于常规的辗扩过程，它是一个非 线性、时变、非稳态、非对称多道辗扩过程，使得现有的辗扩理论很难直接应 用于该种辗扩过程之中。上述各种理论分析方法均采用不同假设对问题做了较 大程度的简化，因此无法提供环件内部精确全面的应力应变信息。随着计算机 技术和塑性理论的发展，基于辗扩过程的系统模拟，用数值仿真方法对辗扩过 程进行工艺设计是一种十分有效的方法。 1 . 2 . 1 . 3数值模拟 国内外许多学者采用有限元技术模拟对辗扩过程进行了大 量的 研究， 其中包含了 对仿真方法的 探究，使得环件辗扩这一大型、复杂过程 的模拟更加全面、精确、高效，弥补试验和解析方法的不足，并被用来解决了 许 多 实 际问 题。 y a n g 和k im 3 7 1首 先 用 有 限 元 方 法 研 究 环 件 辗 扩 过 程， 采 用刚 塑 j性 有限元法分析了平面应变环件辗扩过程，得到了变形材料的速度场以及接触 表面的外力，计算了 应变速率的分布、驱动辊的力矩以 及正应力的分布。由于 环件辗扩过程是一个非线性、非稳态、多因素祸合的复杂变形过程，并且环件 旋转次数非常多，模拟过程非常复杂，常常因为计算庞大，不得不采用大量的 简 化 假 设 如 平面 假设 3 7 1 、 准 平面 假设 3 8 1等， 以 缩短 运 算时 间 。 k i m等 (3 9 1 首 先开 发了 一有限元程序一 r i n g对环件辗扩进行了 完整的三维有限元分析， 在此三维 模拟中， 采用了 两种网 格系统: 计算网 格( c o m p u t a t i o n a l m e s h ) 和材料网 格 ( m a t e r i a l m e s h ) ， 大大提高了 计算效率， 模拟结果和实验结果吻合得很好。他们采用相同 6 第 1 章绪论 的网格技术研究了平辊辗扩中磅铅合金环件金属的轴向流动以及蹄铅合金和铝 合金的 t型截面辗扩，得到金属轴向流动与压缩量的变化规律以及铝合金环件 辗 扩 后t 型 截面形 状 (4 0 1 a k a n g 等 (4 1 针对 开 式 环件 辗扩 过 程设 计了 一 有限 元 程 序，采用反向追踪法得到预成形毛坯，辗扩后可得到端面平整的环件，弥补了 矩形截面环件在开式辗扩中端面高度不一致的缺陷. x u 等(4 2 ( u 刚塑性有限元法， 用三维方法模拟了 辊缝间的 金 属的 变形过 程， 得到了 轴.n 7 宽展的 变化规律。 s h i v p u r 洲( 等 开 发了 一 计 算 机 辅 助 程 序， 计 算 工 艺 参 数 辗 扩力 、 辗 扩力 矩、 环 件 的壁厚、环件的高度以及环件的温度等与时间的函数关系，大大帮助了操作人 员 进行工艺设计以 及如何设计辗扩程序表以 减少 废品率。 h u (4 4 等在更新的拉 格 朗日方法上采用弹塑性有限元算法，用两个无摩擦的圆柱表面模拟导向辊，采 用环件体积不变的假设粗略计算了导向辊的位置，分析了环件辗扩过程中变形、 应变以及力能参数，并且还预测了鱼尾缺陷。为了得到符合最终尺寸的无缺陷 的 环件. 更真实 地模拟环件辗扩过程不 稳定 性， l i m等(4 s ( 在有限 元仿 真中 对整 个环件采用混合单元，对环件进行侧面成形辗扩，发现对于平面辗扩和 v形辗 扩，轴向辊的采用可以大大减少端面鱼尾缺陷，控制环件高度，但是不能完全 消除端面缺陷。环件辗扩工艺是生产轴承座圈的一个非常重要的方法，为了避 免填充不完全、过渡填充出现毛刺以及刀具断裂等缺陷的发生，预成形毛坯的 设 计非 常 重要， j o u n 等 (4 6 (假设 环 件辗 扩中 金 属的 塑 性变 形 是轴 对称的 ， 认为 环 件辗扩过程为一系列连续的锻压过程，采用 “ 环件锻压”模型预测了轴承座圈 成形中的金属流动，从而为生产类似轴承座圈的环形零件的预成形毛坯提供了 一种很有用的途径。 文献 4 7 采用传统的隐式有限 元方法研究了 环件冷辗扩过程 的基本特性。研究表明，环件辗扩第一圈中的变形与随后数圈的辗扩中变形不 同，在第二圈辗扩后，环件内表面单元的周向应力为张应力，而外表面及内部 的 单 元的 周向 应力为 压应力。 近年来， d a v e y等 (4 8 -5 0 1 结 合 三种处理 方法 一a l e 方法( a r b i tr a r y l a g r a n g i a n - e u le r i a n m e t h o d ) ,累次前置共扼梯度法( s u c c e s s i v e c o n j u g a t e g r a d i e n t m e t h o d ) 以 及有限元流动算法( f i n it e e l e m e n t f l o w f o r m u l a t i o n ) 建立了环件辗扩模型，大大减小了计算时间，采用此模型对径向和径轴向环件 辗扩过程进行了模拟，环件的径向、轴向金属流动，直径的长大与相关文献上 的 实 验 结 果吻 合 很 好; f o r o u z a n a 等s l 采 用 温 度 辐条的 方 法 ( t h e th e r m a l s p o k e s m e t h o d ) ， 将导向 辊的影响引 入了 环件辗 扩的 模型当中， 此方法不需要 额外增加 模型的非线性，因此引入导向辊后对计算时间的影响非常小， 研究结果表明导向 7 西北工业大学工学硕士毕业论文 辊 对工艺 参 数的 影响 非 常 大。 y o u n g s 。 等 s 2 在商 用软 件f e m - c o d e 的 基 础上 开 发 了一专门针对环件三维非稳态流动、工件直径和厚度连续变化的特点的有限元 程序s h a p e - r r t m ， 预测了平面和t形辗扩过程环件的宽展、压力分布以 及辗 扩力的大小。在国内，解春雷5 3 ! 等开发了基于能量泛函的刚粘塑性动态显式有 限元程序一 h - r i n g ，可以分析比较复杂的环件辗扩成形，着重研究了矩形截面 辗扩中鱼尾产生的原因以及消除鱼尾的方法和 l形截面侧面成形环件辗扩中应 变的 分 布。 许思 广15 4 1 采 用三维 刚 塑 性 有限 元 数值 方 法 对不同 截 面辗扩过 程 进 行 了分析，解决了芯辊转速的确定、压下量的分配、咬入曲线计算以及边界条件 处理等问题;他们还针对环件辗扩的特点，提出了连续辗扩的有限元方法，得 到了环件宽展变形、侧表面形状与压下量的关系以及辗扩力、辗扩力矩随时间 的 变化规律 5 5 1 ; 采用热刚塑性有限 元法分 析了 热环件辗扩过程中 温度的 变化和 晶 粒 变化的 三维分 布5 6 1 。 解春雷、 李尚 健 等 5 7 1 ， 根 据环 件辗 扩过 程的 有限 元 模 拟结果制订控制策略，将模拟的最佳辗扩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。武汉理工大学的朱春东、张猛 等5 8 研究了数学模型在 。5 0 0 型辗扩机测控系统中 进行尺寸数字控制的方法， 使该机在汽车后桥伞齿轮生产中，尺寸精度误差达到 中士 i m m，从而保证了 毛坯质量。近年来，在德国钢铁工程师协会环件辗扩委员会以及生产厂家的大 力支持下，各研究机构对环件辗扩在线控制方面进行了大量的研究。在此基础 上，德国 t h y s s e n机器制造公司开发的 c n c辗环机具有 o c s ( o p e r a t o r c o m m u n i c a t i o n s y s t e m ) 和c a r ( c o m p u t e r a i d e d r o l l i n g ) 系统， 使整个环件生产 过程实现了计算机自动控制，能灵活地生产各种规格的产品，大幅度提高了生 产率和产品质量，降低了成本，环件辗扩技术又上了一个新台阶。 如前所述，从古至今，许多学者对环件辗扩工艺进行了大量的探索，这些 研究工作主要集中于对辗扩过程中的力能条件、端面质量、导向辊以及研究方 法的探索，关于进给速度对冷辗成形工艺的探讨较少。而环件辗扩中，进给速 度是一个非常重要工艺参数，针对材料性能不同的环坯确定合理的进给速度对 提高成形件的质量具有非常重要的意义。 1 . 2 . 2 环件辗扩技术的发展趋势 从环件辗扩技术的发展趋势来看， 该领域的 研究方向主要有以下几个方面: ( 1 ) 大型环件辗扩技术。 直径在2 0 0 0 m m 以上的大型环件越来越多地采用 一8 一 西北工业大学工学硕士毕业论文 辊 对工艺 参 数的 影响 非 常 大。 y o u n g s 。 等 s 2 在商 用软 件f e m - c o d e 的 基 础上 开 发 了一专门针对环件三维非稳态流动、工件直径和厚度连续变化的特点的有限元 程序s h a p e - r r t m ， 预测了平面和t形辗扩过程环件