（材料加工工程专业论文）内台阶锥形环件轧制工艺与设备研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 环件轧制是一种生产无缝环件的特种加工工艺，它是通过局部连续轧制的 方法，将小直径厚截面的环形毛坯逐渐轧制成大直径的薄截面的环件，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，在许多 工业领域中得到了广泛的应用。环件轧制技术最有吸引力的领域和发展方向是 直接轧制成形截面轮廓复杂的异形截面环件，然而，与矩形截面环件相比，异 形截面环件轧制成形规律更复杂，轧制过程中常常出现截面轮廓充不满、拉缩、 凹坑、碟形等各种特有现象，这些现象是异形截面环件轧制成形规律的客观反 映。要通过轧制成形生产合格的异形截面环件，必须研究、认识、掌握和灵活 应用异形截面环件轧制成形规律。 内台阶锥形环件是一种典型的异形截面环件，本文采用数值模拟和物理实 验相结合的研究方法，对内台阶锥形环件轧制工艺进行了深入研究，主要研究 内容和结果如下： 基于环件轧制理论和弹塑性有限元理论，建立了铅材料内台阶锥形环件轧 制有限元模拟模型。以有限元模拟软件a b a q u s 为平台，运用有限元程序 a b a q u s e x p l i c i t 对铅材料内台阶锥形环件的轧制过程进行了模拟。通过模拟计 算，揭示了铅材料内台阶锥形环件轧制缺陷形成机制；分析了铅材料内台阶锥 形环件轧制金属流动规律及轧制力能参数；研究了高径比对铅材料内台阶锥形 环件轧制变形规律的影响。 针对铅材料内台阶锥形环件轧制缺陷，对轧制毛坯和轧制孔型进行了优化 设计，模拟结果表明，采用优化轧制毛坯和轧制孔型，轧制金属的流动状况得 到了明显的改善。采用铅环件试样在d 5 1 1 6 0 a 热轧环机上进行轧制实验，轧制 出了合格的内台阶锥形环件预轧制环件。模拟和实验结果证明了轧制毛坯和轧 制孔型优化方案是合理的。对内台阶锥形环件轧制难度进行了分析，提出用环 件锻件和轧制毛坯的水平横截面积分布规律来描述内台阶锥形环件的轧制难 度。对内台阶锥形环件及其几种改进环件的轧制过程进行模拟，模拟结果表明， 环件锻件和轧制毛坯的水平横截面积分白规律能够较好地描述内台阶锥形环件 的轧制难度，并能对其轧制缺陷进行很好的颅测，同时也可作为内台阶锥形环 件预轧件设计的依掘。 研究了l d l 0 铝合会内台阶锥形环件轧制变形规律。采用o l c c b l e 3 5 0 0 热模 武汉理工大学硕士学位论文 拟实验机进行了压缩实验，分析了l d l 0 铝合金的高温力学性能，并采用一元线 性回归方法，确定了该材料的常数；在d s l 1 6 0 a 热轧环机上进行热轧实验，确 定了l d l 0 铝合金环件的轧制温度范围为3 8 0 4 7 0 1 2 ；以实验数据为基础， 对l d l 0 铝合金内台阶锥形环件的热轧过程进行了数值模拟，得到了l d l 0 铝合 金内台阶锥形环件的热轧变形规律。 对d 5 1 1 6 0 a 轧环机进行了研究。以a d a m s 软件为平台，对d 5 1 1 6 0 a 轧 环机的运动过程进行了仿真，得到了主滑块的位移、速度和加速度曲线。 关键词：环件轧制，内台阶锥形环件，数值模拟，优化，轧环机 武汉理t 大学硕十学位论文 a b s t r a c t r i n gr o l l i n gi sas p e c i a l i z e dr o l l i n gp r o c e s sf o rm a n u f a c t u r i n gs e a m l e s sr i n g s ，i n w h i c ht h ed i a m e t c ro ft h er i n gi n c r e a s e sa st h er i n g so o s s - s e c t i o na r e ad e c r e a s e sb y r o l l i n g i th a sm a n yc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha ss a v i n gf o r m i n gf o r c ea n dp r o d u c t i o nc o s t ， i n c r e a s i n gu t i l i z a t i o nr a t i oo fe n e r g ya n dm a t e r i a l ，r i s i n gp r o d u c t i v i t ya n dw i d e n i n g p r o c e s s i n gr a n g eo fr i n gp r o d u c t se t c i ti sw i d e l ye m p l o y e di nm a n yi n d u s t r i a l d o m a i n s t h em o s ta t t r a c t i v ed o m a i no fr i n gr o l l i n gt e c h n o l o g yi st or o l lt h er i n g s w i t hs p e c i a l l y s h a p e dc r o s ss e c t i o nd i r e c t l y b u tt h er o l l i n gd e f o r m a t i o nl a wo fr i n g w i t hs p e c i a l l y - s h a p e dc r o s ss e c t i o ni sm o r ec o m p l i c a t e dc o m p a r e dw i t hr e c t a n g l e s e c t i o nr i n ga n di nt h ep r o c e s st h e r ea r el o t so fs p e c i a lp h e n o m e n o ns u c ha s u n d e r f i l l i n g ，s h r i n k i n g - d r a w i n g c o n c a v e ，s a u c e rs h a p ea n de t c t h e s ep h e n o m e n o n a r e t h e o b j e c t i v e r e f l e c t i o no ft h e r o l l i n gd e f o r m a t i o n l a wo fr i n g sw i t h s p e c i a l l y s h a p e dc r o s ss e c t i o n s oi t sn e c e s s a r yt os t u d y , u n d e m t a n d ，m a s t e ra n d a p p l yt h er o l l i n gd e f o r m a t i o nl a wo fr i n g sw i t hs p e c i a l l y s h a p e dc r o s ss e c t i o nf l e x i b l y i fw ew a n tt oo b t a i nt h eq u a l i f i e dr i n g sw i t hs p e c i a l l y s h a p e dc r o s ss e c t i o nb yr o l l i n g c o n i c a lr i n gw i t hi n n e rs t e p si sat y p i c a lr i n gw i t hs p e c i a l l y s h a p e dc r o s ss e c t i o n t h er e s e a r c hm e t h o do fc o m b i n i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i t he x p e r i m e n ti st a k e nt o s t u d yt h er o l l i n gt e c h n o l o g yo fc o n i c a lr i n gw i t hi n n e rs t e p s ab r i e fi n t r o d u c t i o nt o t h ep r o j e c ta n di t sm a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： b a s e do nt h et h e o r i e so fe l a s t i c p l a s t i cf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dt h et h e o r i e so f r i n gr o l l i n g ，t h ec a l c u l a t i o nm o d e lo fr o l l i n gp r o c e s so fl e a dc o n i c a lr i n gw i t hi n n e r s t e p si se s t a b l i s h e da n dc a l c u l a t e db yd y n a m i ca l g o r i t h mf i n i t e e l e m e n tp r o g r a m t h r o u g hs i m u l a t i o nt h em e c h a n i s mo fr o l l i n gd e f o r m a t i o nd e f e c t so f l e a dc o n i c a lr i n g w i t hi n n e r s t e p s i sr e v e a l e d t h ef l o wl a wo fm e t a la n dt h er o l l i n ge n e r g e t i c p a r a m e t e r sa r ea n a l y z e da n dt h ee f f e c t so fr a t i oo fh e i g h tt od i a m e t e ro nt h er o l l i n g d e f o r m a t i o nl a wa r es t u d i e d a c c o r d i n gt ot h er o l l i n gd e f e c t so fl e a dc o n i c a lr i n gw i t hi n n e rs t e p s , t h er i n g b l a n kd i m e n s i o na n dr o l l i n gg r o o v ea r eo p t i m i z e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h ef l o wo fm e t a li si m p r o v e do b v i o u s l yb yu s i n gt h eo p t i m i z e dr i n gb l a n ka n d g r o o v e t h er o l l i n ge x p e r i m e n tw i t hl c a da sb l a n km a t e r i a li sm a d ei nd 5 1 1 6 0 ah o t r i n gr o l l i n gm i l la n dt h eq u a l i f i e dp r e r o l l e dr i n go fc o n i c a lr i n gw i t hi n n e rs t e p si s r o l l e d t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f yt h a tt h eo p t i m i z e ds c h e m ei s r e a s o n a b l e t h ed i s t r i b u t i o nl a wo fh o r i z o n t a lc r o s ss e c t i o na r e ao fr i n gf o r g i n ga n d r i n gb l a n ki sp u tf o r w a r dt od e s c r i b et h er o l l i n gf o r m a b i l i t yo fc o n i c a lr i n gw i t hi n n e r s t e p s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ed i s t r i b u t i o nl a w o fh o r i z o n t a lc r o s ss e c t i o n a r e ao fr i n gf o r g i n ga n dr i n gb l a n kc a nd e s c r i b et h er o l l i n gf o r m a b i l i t yo fc o n i c a lr i n g w i t hi n n e rs t e p sv a l i d l y , a tt h es a m et i m e ，i tc a np r e d i c tt h er o l l i n gd e f e c t se x a c t l ya n d 1 1 1 武汉理t 大学硕士学位论文 i tc a na l s os e r v ea st h eb a s i so fd e s i g no ft h ep r e r o l l e dd n g t h er o l l i n gd e f o r m a t i o nl a wo fl d l 0a l u m i n u ma l l o yc o n i c a lr i n gw i t hi n n e r s t e p si ss t u d i e d t h ec o m p r e s s i o ne x p e r i m e n tj sc o n d u c t e db yu s i n gg l e e b l e - 3 5 0 0 t h e r m a l - m e c h a n i c a ls i m u l a t o r , a n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo fl d l 0a l u m i n u ma l l o y i l ih i 曲t e m p e r a t u r ei sa n a l y z e d 。a c c o r d i n gt ot h et e s td a t a , t h em a t e r i a lc o n s t a n t so f l d l 0a l u m i n u ma l l o yi sd e t e r m i n e dt h r o u i g hs i n g l el i n e a rr e g r e s s i o n t h eh o tr o l l i n g e x p e r i m e n ti st a k e ni nd 5 1 1 6 0 a h o tr i n gr o l l i n gm i l lt oi d e n t i f yt h a tt h er a n g eo f r o l l i n gt e m p e r a t u r eo fl d l 0a l u m i n u ma l l o yr i n gi s3 8 0 c 4 7 0 c t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o no fh o tr o l l i n gp r o c e s so fl d l 0a l u m i n u ma l l o yc o n i c a lr i n gw i t hi n n e r s t e p si st a k e nb a s e do nt h ea b o v ee x p e r i m e n t a ld a t aa n dt h er o l l i n gd e f o r m a t i o nl a wi s a n a l y z e d t h ed 5 1 1 6 0 ah o tr i n gr o l l i n gm i l li sa l s os t u d i e d b a s e do nt h es o f t w a r e a d a m s ，t h es i m u l a t i o no fm o t i o np r o c e s so ft h er i n gr o l l i n gm i l li st a k e na n dt h e c o r v e o fd i s p l a c e m e n t ，v e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o no fs l i pm a s si so b t a i n e d k e yw o r d s ：r i n gr o l l i n g ，c o n i c a lr i n gw i t hi n n e rs t e p s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， o p t i m i z a t i o n ，r i n gr o l l i n gm i l l 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 武汉理工大学或其它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。 签名：日期：塑! ：! 兰- ! 岁 关于论文使用授权的说明 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、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名座日期：乏韭，； 武汉理_ 大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 环件轧制【1 】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。在机械、汽车、火车、船舶、冶金、化工、能源、航空 航天等许多工业领域中日益得到了广泛的应用，成为轴承环、齿轮环、法兰环、 火车车轮、燃汽轮机环等各种无缝环形零件的先进制造技术和主要加工方法。 由于环件轧制具有较大的技术经济优势，人们对环件轧制过程进行了大量的研 究i m “，然而这些研究主要是基于以矩形毛坯轧制矩形截面环件的。与矩形截面 环件相比，异形截面环件轧制变形规律更复杂，轧制成形难度更大。异形截面 环件轧制成形，不仅要求通过轧制获得一定的环件直径，而且要求通过轧制获 得一定截面轮廓形状。轧制成形一定截面轮廓形状的环件是不容易的，而同时 获得一定截面轮廓形状和一定直径的环件则更困难。直接轧制成形截面轮廓复 杂的异形截面环件，既提高了材料利用率，又减小了后续加工余量和加工工时 消耗，具有较高的技术经济性，是环件轧制技术最有吸引力的领域和发展方向。 异形截亟环件轧制过程中，经常出现截面轮廓形状不能成形，或是已经成形的 截面轮廓形状在轧制过程中又逐渐消失，还有环件截面轮廓的部分区域不能充 满轧制孔型，环件整体形状出现蝶形翘曲等各种特有现象，这些现象是异形截 面环件轧制成形规律的客观反映。要通过轧制成形生产合格的异形截面环件， 必须研究、认识、掌握和灵活应用异形截面环件轧制成形规律。 异形截面环件比矩形截面环件具有更复杂的轧制边界条件和轧制变形规 律，这使得异形截面环件的轧制毛坯、轧制孔型、轧制工艺参数设计都显得比 矩形截面环件要复杂，也就是说，异形截面环件轧制成形的影响因素更多。在 实际生产中，往往需要进行大量的物理实验来检验异形截面环件轧制工艺设计， 这需要付出极大的设计成本。随着有限元方法在各种金属成形工艺模拟中的广 泛应用，用有限元模拟代替物理实验进行异形截面环件工艺设计可以降低生产 成本、缩短产品开发周期。计算机模拟为异形截面环件轧制工艺设计和工艺优 化提供了一种新的设计手段。 武汉理工大学硕士学位论文 11 2 异形截面环件轧制的研究现状 迄今为止，对于截面形状简单的矩形截面环件s l s g 成形理论和技术设计方 法的研究已取得了丰富成果，因而也大大促进了这类环件轧制成形技术的生产 应用和发展。而关于异形截面环件轧制成形理论和技术设计方法的研究尚处于 起步阶段，远远不能满足其轧制成形生产发展的需要。目前，对异形截面环件 轧制成形的研究主要局限于台阶截面环件、圆锥滚子轴承、深沟球轴承以及锥 形截面环件，而其它异形截面环件轧制成形的研究报道较少。 1 2 1 台阶截面环件轧制的研究现状 台阶截面环件轧制作为火车轮及轮毂、自行车圈、轴承环、管道法兰盘、 管道联接件等部件的主要生产方式，应用极广。图卜1 为大型台阶截面环件轧 制生产图。 图1 1 大型台阶截面环件轧制 由于台阶截面环件轧制具有较大的技术经济优势，人们对台阶截面环件轧 制成形理论和工艺设计进行了大量的研究，并取得了十分丰富的成果。 1 9 7 9 年以来，h a w k y a r djb i l 深入分析了t 形截面环轧时金属在各种孔型中 的流动特性，观察了压下速度、摩擦条件、环坯形状及孑l 型尺寸变化对环件截 面变化的影响，初步探讨了轧制异形截面环件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。 1 9 9 4 年，燕山大学的许思广f l8 。”l 采用三维刚塑性有限元法对斜辊面孔型中 轧制“燕尾”形截面环件时的会属变形及应力应变分布规律进行了模拟，研究 了力能参数、宽展变形随孔型的变化规律，在某些条件下环件金属发生流动， 武汉理【大学硕士学位论文 单位压力沿横向呈双峰分布等，为实际生产中的工艺分析和孔型设计提供了可 靠的理论依据。 1 9 9 4 年，武汉理工大学的华林i 排为1 分析了内、外台阶环件轧制变形特点和 尺寸变化规律，证明了内、外台阶环件轧制过程中存在轴向体积流动，导出了 体积流动量的计算公式，并指出了实现体积流动的进给条件。基于阶梯孔环件 轧制体积流动规律，提出了阶梯孔环件轧制用毛坯设计原理和方法，并进行了 轧制实验验证。 1 9 9 6 年，武汉理工大学的华林【2 4 1 对台阶截面环件轧制中的拉缩和壁厚变化 规律进行了研究，通过台阶截面环件轧制实验测定了综合拉缩系数，同时指出 矩形截面环件是可以轧制成形台阶截面环件的。 文献【2 5 】基于环件轧制理论和弹塑性有限元理论，建立了台阶截面环件轧制 过程有限元分析计算模型，研究了台阶截面环件轧制过程中咬入条件、锻透条 件以及刚度条件。并运用有限元程序a b a q u s e x p l i c i t 对台阶截面环件轧制成形 过程进行模拟分析，研究了进给速度、摩擦系数、几何尺寸等工艺参数对轧制 成形结果的影响规律。图卜2 是外台阶截面环件轧制成形模拟结果。 图1 - 2 外台阶截面环件轧制成形模拟结果 随着台阶截面环件轧制理论的日趋成熟，台阶截面环件在实际生产中得到 了越来越广泛的应用。武汉理工大学的华林i l l 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 l 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 0 1 4 0 汽车从动螺旋齿轮辗扩成形工艺的特点及锻件成形缺陷原 因，该工艺已经在北京、湖北等地企业投入生产应用。通过对轧制毛坯、轧制 孔型、轧制工艺参数、轧制工艺过程操作等方面的深入研究，武汉理工大学的 华林| 2 6 l 等人成功开发了高压电力开关大型钢质带外台阶法兰环件轧制工艺，与 自由锻生产的钢质带外台阶法兰环件相比，轧制成形的钢质带外台阶法兰环件 武汉理工大学硕士学位论文 节约材料5 1 2 ，节能5 0 ，提高生产率6 0 ，降低生产成本3 6 3 。图卜3 为 轧制成形生产的钢质带外台阶法兰环件锻件。 图1 - 3 轧制成形生产的钢质带外台阶法兰环件锻件 1 2 2 圆锥滚子轴承轧制的研究现状 圆锥滚子轴承在汽车上起着重要的作用，尤其是较高级轿车和重型车用量 较大，他的高承载能力及其可靠性决定了他的重要地位。由于其良好的性能及 其生产工艺较复杂决定了其市场价格较高，圆锥轴承套圈的冷辗扩工艺研究开 发具有良好的市场前景。目前，圆锥套圈辗扩生产中存在的问题还很多，由于 其外形特性决定在辗扩过程中对芯辊产生较大轴向力，产生应力集中降低了芯 辊寿命。由于锥形套圈辗扩变形不均匀，还会出现翘曲、拉凹、端面宽展剧烈 等缺陷。 洛阳轴承集团裴华1 2 7 烽入研究开发出了圆锥滚子轴承的挤压一辗扩工艺： 先使用压力机制坯，再经过扩孔机辗扩成形。充分发挥了压力机的生产能力和 效率，扩大了其加工锻件的尺寸范围，同时又充分利用和发挥了辗扩工艺的优 点，提高了锻件的尺寸精度和内部质量，也提高了材料利用率。圆锥滚子轴承 的挤压一辗扩工艺过程如图卜4 所示。 一 1 _ 向 盯v 1l 寸f - , j ”l 。ll ； 。f 。 一 1 。l 茸罐4 卅 下料镦粗挤压成形穿孔平高辗扩 图1 - 4 圆锥滚子轴承的挤压一辗扩工艺简图 4 武汉理下大学硕士学使论文 此外，洛阳轴承研究所时大方【丝】开发研究了锥形环件套锻辗扩工艺，外圈 毛坯经过锻造预成形，然后在图1 - 5 所示的扩孔机上辗扩成形。毛坯的预成形 工步对后续辗扩成形很重要，毛坯尺寸符合设计要求时，既便于扩孔机支承送 料到位，毛坯与辗压辊的贴合，又有利于金属在模腔中的均匀流动。当预成形 的毛坯封闭在扩孔机模腔中时，毛坯表面基本上同时受力，因此要严格控制制 坯壁厚及调整好封闭尺寸，所得辗扩锻件的表面光整，双端面基本无毛刺。 内圈的辗扩模具( 图卜6 ) 与外圈辗扩的模具相差无几。内外圈的辗扩模具 设计合理，巧妙利用模具的结构解决了轴向力的问题，而且能够控制环件端面 的宽展。这种封闭式扩孔机采用套锻的辗扩工艺生产轴承套圈经过试验是可行 的，所得的轴承套圈无论是内在组织还是外观质量，都要明显优于普通锻造成 形的轴承套圈。以7 5 1 0 轴承为例，按照普通锻造下料量为0 9 9 k g ，而套锻辗扩 工艺下料量为o 7 8 k g ，如果批量生产，经济效益更加可观。 纤。 ：u鹎蠹 。旷榉 图卜5 内锥形环件套锻辗扩工艺图图卜6 外锥形环件套锻辗扩工艺图 武汉理工大学毛华杰【搏叫等人在环件辗扩成形理论和技术基础上，提出2 个圆锥套圈同时冷辗扩成形的技术方案，同时采用理论分析、数值模拟和物理 实验相结合的研究手段分析了成对冷辗扩中宽展和拉凹现象的产生机理和影响 因素，并通过对工艺参数的修改，取得了一定的效果，获得了外形比较好的环 件锻件。但是拉凹现象和两套圈接触面互相咬和的问题还有待进一步研究。成 对冷辗扩生产不仅能抵消因不对称变形产生的轴向力、提高制件精度、延长芯 辊寿命，还能提高生产效率。成对冷辗扩生产的圆锥滚子套圈如图卜7 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图1 0 成对冷辗扩生产的圆锥滚子套圈 1 2 3 沟球轴承轧制的研究现状 以沟球轴承套圈为代表的沟球截面环件在现代工业中起着越来越重要的作 用。目前，开发的沟球截面环件加工工艺为：棒料下料，制坯，车毛坯，冷轧， 软磨双端面。与传统的冷轧毛坯，再采用车削沟球的加工工艺相比，该新工艺 不但节约了加工成本，也节约了原材料加工成本，还使沟球槽的金属纤维连续， 从而提高了零件的抗腐蚀能力和接触疲劳强度。其中深沟球轴承套圈采用冷轧 制技术可以产生比传统工艺高出数倍的经济效益。 文献【3 1 】以6 3 0 8 深沟球轴承外圈为实例分析对象，设计了6 3 0 8 深沟球轴承 外圈冷轧成形的毛坯尺寸、模具尺寸及轧制工艺参数，然后根据d 5 6 g 9 0 冷轧机 的实际工作原理，运用a b a q u s 软件建立了以矩形截面毛坯冷轧制成形深沟球 截面环件的三维弹塑性有限元模型，并采用动力显式算法对模型进行了数值模 拟，得到了6 3 0 8 深沟球轴承外圈冷轧成形的应力、应变分布，直径增长规律。 然后根据设计的毛坯尺寸、模具尺寸及轧制工艺参数，在d 5 6 g 9 0 冷轧机上对 6 3 0 8 深沟球轴承外圈进行了冷轧实验，实验和模拟结果具有良好的一致性。对 6 3 0 8 深沟球轴承外圈冷轧残余应力进行有限元模拟和机械测定法测试及x 射线 应力测试，得到了6 3 0 8 深沟球轴承外圈冷轧过程中及其轧制结束后的残余应力。 图1 - 8 和图1 - 9 分别是不同阶段模拟和实验成形的深沟球轴承外圈。 图1 - 8 不同阶段模拟成形的深沟球轴承外圈 6 武汉理工大学硕士学位论文 图卜9 不同阶段实验成形的深沟球轴承外圈 1 2 4 锥形环件轧制的研究现状 锥形环件是工业生产中的一个典型结构，与其它常见环件相比，锥形环件 具有内外表面都呈锥形，且壁厚保持不变的特点。目前，有关锥形环件轧制成 形的研究报道较少，文献1 3 2 1 用有限元模拟的方法对大高度锥形环件进行了初步 研究。研究发现，在轴向高度、锥角和体积相等的情况下，不同壁厚的锥形环 件水平横截面积分布差异很大，所以利用锥形毛坯不能直接轧制成形锥形环件。 在考虑轧制稳定性、轴向金属体积流动等工艺条件的基础上，文献 3 2 1 利用增大 锥形环件大端壁厚的方法对锥形环件预轧件进行了设计，所设计的预轧件与对 应锥形毛坯的水平横截面积分布更合理，模拟结果证明了锥形环件预轧件设计 方案是合理的。图l 一1 0 是用锥形毛坯直接轧制成形锥形环件锻件时锥形环件锻 件网格变形图。图卜1 1 是锥形环件预轧件网格变形图。 网 图1 - 1 0 锥形环件锻件网格变形图图卜1 1 锥形环件预轧件网格变形图 1 3 课题的来源、目的和意义 环件轧制技术最有吸引力的领域和发展方向是直接轧制成形复杂截面轮廓 的环件。直接4 l 铕j j 成形复杂截面轮廓的坏件，既提高了材料利用率，又减小了 后续加工余量和加工工时消耗，具有较高的技术经济性。而目前对于截面轮廓 复杂的异形截面环件，轧制理论和轧制工艺研究都比较薄弱，这直接影响了异 形截面环件在实际生产中的运用。深入分析异形截面环件轧制变形规律，同时 武汉理工大学硕士学位论文 优化各种轧制工艺参数，对异形截面环件的轧制工艺设计和实际生产有一定的 指导意义。内台阶锥形环件是一种典型的异形截面环件。通过计算机模拟和轧 制实验，对内台阶锥形环件轧制过程进行系统的研究，揭示轧制过程中金属流 动变形规律，并优化轧制孔型，改善金属的流动状况。同时优化各种轧制工艺 参数，为内台阶锥形环件和其它异形截面环件的轧制工艺设计和生产调试提供 技术依据。本课题来源于国家自然科学基金重点项目“金属环件冷辗扩塑性成 形机理及工艺设备研究”( 项目编号5 0 3 3 5 0 6 0 ) 和教育部“高校青年教师奖”( 项 目编号教人司2 0 0 2 1 3 8 3 号) 。 1 4 本文的主要研究内容 内台阶锥形环件属于典型的异形截面环件，其轧制变形规律十分复杂，影 响其轧制成形的因素很多。本文采用数值模拟和物理实验相结合的研究方法对 内台阶锥形环件的轧制变形规律进行深入研究，主要研究内容如下： ( 1 ) 对内台阶锥形环件的轧制工艺进行分析，在此基础上利用a b a q u s 有 限元模拟软件建立内台阶锥形环件轧制的三维有限元模拟模型。 ( 2 ) 对铅材料内台阶锥形环件的轧制过程进行数值模拟，分析其轧制变形 规律，并对模拟结果进行实验验证。 ( 3 ) 根据模拟和实验结果，对内台阶锥形环件轧制毛坯和轧制孔型进行优 化设计，并用物理实验对优化方案进行验证。 ( 4 ) 对内台阶锥形环件的轧制难度进行分析，提出用环件锻件和轧制毛坯 的水平横截面积分布规律来描述内台阶锥形环件的轧制难度，并用数值模拟和 物理实验对其进行验证。 ( 5 ) 对l d l 0 铝合金内台阶锥形环件的轧制成形进行研究。 ( 6 ) 对d 5 1 1 6 0 a 热轧环机进行运动学分析。 1 5 本章小结 本章概述了关于异形截面环件j - l , n 成形的研究现状，说明了本文研究课题 的来源、目的和意义以及本文的主要研究内容。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章环件轧制的有限元方法和模拟软件简介 2 1 引言 有限元法是一种能求得许多工程问题近似解的数值分析方法，虽然最初它 是被用来研究复杂航空结构的应力分布规律，但目前已被广泛应用于连续体力 学上( c o n t i n u u mm e c h a n i c s ) ，在任何维次的连续体问题中，场变数( 不管它是 压力、应力位移、温度、或其他量) 是解区域点的函数，因而拥有无限多的未 知数值。有限元分割程序可将求解区域分成有限个未知数的许多单元( e l e m e n t s ) 来趋近，且元素是由节点( n o d e s ) 构成的，在节点上的函数值及其微分则有适当 的定义，然后由元素间边界的关系组合成系统方程式( s y s t e me q u a t i o n ) ，最后求 解方程式并计算相关的物理特性值。因为有限元法具有高效性，所以目i i 受到 学校和工业界的广泛青睐。 1 9 6 0 年，克拉夫( c l o n e , h ) 在做平面弹性问题分析时，第一次提出了“有限元 法”的名称，随后大量的工程师开始使用这一离散方法来处理结构分析、流体问 题、热传导等复杂问题，同时也有一些数学家对有限元方法的数学基础进行了 研究和发展。这些有限元法的应用和发展使人们开始逐渐认识到有限元法的功 效，六十年代，随着电子计算机的广泛应用和发展，有限元法的发展和应用显 著加快，几十年来，有限元法的应用已由弹性力学平面扩展到空间、板壳，由 静力平衡扩展到稳定、动力学问题和波动问题。分析的对象从弹件材料扩展到 塑性、黏弹性、黏塑性和复合材料，从固体力学扩展到流体力学、热力学、电 磁学、生物工程等方面。 有限元法在塑性加工方面的应用始于2 0 世纪7 0 年代，随着塑性有限元法 的不断发展和应用，人们才清楚地认识到这种方法的独到之处。正如著名学者 k o b a y a s h i 指出的，有限元法以它的适应性、能获得详尽解的能力和它与精确解 的固有接近，证明它优于经典的分析方法。 有限元法与其他塑件加工模拟方法相比，功能最强、精度最高、解决问题 的范围最广。它可以用不同形状、不同大小和不同类型的单元离散任意形状的 变形体，适用于任意速度边界条件，可以方便地处理模具形状、工件与模具之 问的摩擦、材料的硬化效应、速度敏感性以及温度等多种工艺因素对塑性加工 过程的影响，能够模拟整个金属成形过程的流动规律，获得变形过程任意时刻 9 武汉理工大学硕士学位论文 的力学信息和流动情息，如应力场、速度场、温度场以及预测缺陷的形成和扩 展。 2 2 有限元法的分类 根据变形特征，金属塑性成形可以分为体积成形和板料成形工艺【3 3 1 。体积 成形中，如锻造、挤压、轧制等，金属材料产生较大塑性变形，弹性变形相对 极少，可忽略不计。而在板料成形中，如冷冲压、冷轧等，金属材料虽然总的 变形较大但其中的弹性变形部分所占比例并非太小，此时必须与塑性变形同 时考虑。正因为如此，形成了两种典型的材料模型，即冈l j 塑性材料模型和弹塑 性材料模型。由于金属材料的弹性与塑性本构关系差别较大，其对应问题的描 述乃至求解都有明显不同。因此，与之相对应塑性有限元法也分为刚塑性有限 元法和弹塑性有限元法。 刚塑性有限元法不计弹性变形，采用列维一米席斯( l e v y m i s s e ) 率方程和米 席斯( m i s e s ) 屈服准则，求解未知量为节点速度。它通过在离散空间对速度的积 分来处理几何非线性，因而解法相对简单，并且求解效率高。由于体积成形中 工艺条件的差异而使金属材料出现不同特性，典型的有刚塑性硬化材料和刚黏 塑性材料( 即速率敏感材料) 。刚塑性硬化材料对应的有限元法是习惯上称谓的 刚塑性有限元法，它适用于冷、温态体积成形问题。刚黏塑性材料模型对应为 刚黏塑性有限元法，它适于热态体积成形问题，并且可以进行交形与传热的热 力耦合分析。实质上，刚塑性只是刚黏塑性的一个特例。但由于该方法自身的 特点，仍然在金属塑性成形中得到了十分广泛的应用。 弹塑性有限元法同时考虑金属材料的弹性变形和塑性变形，弹性区采用胡 克( h o o k e ) 定律，塑性区采用普朗特一路伊斯( p r a n d l t r e u s s ) 本构方程和米席斯 ( m i s s e s ) 屈服准则，求解未知量是节点位移增量。弹塑性有限元法又分为小变形 弹塑性和大变形弹塑性有限元法，前者采用小变形增量来描述大变形问题，处 理形式简单，但累积误差大，目前很少采用。后者以大变形( 有限变形) 理论为基 础，采用拉格朗日( 1 a g r a n g e ) 描述，同时考虑材料的物理非线性和几何非线性， 因而理论关系较为复杂，并且增量步长很小，计算效率低。弹塑性有限元法既 可以分析塑性成彤的m 载过程，又能分析卸载过程，包括计算工件变形后内部 的残余应力、应变、工件的回弹以及与模具的相互作用。 1 0 武汉理t 大学硕士学位论文 2 3 环件轧制有限元分析的基本理论 2 3 1 弹塑- 陛有限元法基本理论 从十八世纪至今，众多学者提出许多材料的弹塑性应力一应变计算模型及 相应的本构关系。综合起来可以归纳为两大类f 3 4 l ： ( 1 ) 塑性形变理论。它的特点是建立应变全量与应力之问的关系，因此这 类也称“应变全量理论”或“全量理论”。 设在物体y 内给定体力e ，在应力边界s 。上给定面力巧，在位移边界s 。上 给定位移，；要求应力口，、应变、位移。，它们满足以下方程和边界条件： 、平衡方程 盯q ，j + e 2 0 、几何关系 。2 ( “叫+ ，) 、全量本构关系 s , j 。犁勺 口n4 i 石5 h 其中，s - 一；屯，勺一j 1 ， 、在边界s 。上 萨丽，一= 厮 q ，i t 、在边界s 。上 h 1 2 hz 同求解弹性力学方法一样，全量理论边值问题的解法也有按位移求解和按 应力求解两种。当按位移求解弹塑性问题时，伊留申给出了如图2 - 1 所示的应 武汉理工大学硕士学位论文 力一应变关系： s f - z 0 0 一珊k ( 2 1 ) i | ，一 c 妒) = 等 占 图2 - 1 珊仁，) 的物理意义 式中，仁，) 是与等效塑性应变有关的一个函数。将式( 2 1 ) 代入用位移表示 的平衡方程，得： ( k + 铷嗣慨矿即g k u l ， c 捌 在弹性状态时w = 0 ：故( 2 2 ) 式右端为零而得到弹性解。将这个弹性解作 为第一次近似解，代入式( 2 2 ) 右端作为已知项，又可求出第二次近似解。重 复以上过程，可以得到在所求精度内的弹塑性解。在小变形情况下，可以证明 这样的解能够很快收敛。 ( 2 ) 塑性增量理论。它是以应变增量或应变速度为基础建立增量应变一应 力关系，故又称“流动理论”。 设在加载阶段的某时刻，已经求得应力盯一应变5 l 、位移“，。现在此基础 上给外载荷一组增量，即在v 内给定体力增- 一 - f 。，在s 。上给定d i ，在s 。上给 定d 。要求府力增量d 口l j ，应变增量d 。，和位移增量如j ，它们满足以下方程 和边界条件： 平衡方程 d o 。，+ d = 0 几何关系 武汉理工大学硕士学位论文 峨- 主机u + 咖) 增量本构关系( 设屈服函数为，i p r u ) ) 眺区 即面1 0 扣吒 ，乜) c1 在s 。上 在& 上 ，h ) c 0 塑性区呶。去峨+ 姒盖吣。) d e i tm 警d d u 。一d u ， 弹塑性交界处的连续条件设交界面r 上的法向为胛，则在r 上有： 位移连续条件 幽j 以。一如? n ， 应力连续条件d c r , ；n - a a ；n ， 当给定加载历史时，可以对每一时刻建立和求解上述边值问题，求出增量 d a 。、d 。和幽。，叠加到原有的盯。、。* l u ，上去。重复这一过程，用累计的方 法就可得到加载结束时的应力、应变和位移的分布。在求解的每一步( 即过程的 每一时刻) ，不但吒、。和h ，要改变，而且弹塑性交界面r 也要改变。因此每 一次求解时增量都不能取得太大，否则将引起较大误差。但若每次取的增量过 小，求解计算量将大大增加。因此需要根据问题的实际情况适当选择增量的大 小。应该指出，在某些简单弹塑性问题中，由于引入了屈服准则，利用平衡方 程和应力边界条件就能完全确定应力场，不需对整套基本方程进行处理，因此 求解过程比较简单。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 2 动力显式算法的应用及基本原理 在弹塑性有限元法中，其求解非线性微分方程方法可以分为两类：静力隐 式算法和动力显式算法。静力隐式算法的特征是迭代计算，因而在收敛性和计 算精度方面有较好的优势，但计算时间长以及效率不高是它的明显不足；动力 显式算法的特征是递推计算，对于规模大的计算模型，它在计算时间和效率方 面具有明显优势，但该算法关于时间步长是条件收敛的，这可以通过一些方法 来进行调整和克服。其具体比较如表2 - 1 所述。 由于两种方法各有优、缺点，所以在实际应用中，采用何种算法，还得根 据问题的性质和要求来确定。显式算法是基于时间的中心差分格式，使有限元 离散方程的计算显式化，从而