（材料加工工程专业论文）实心钢制三角皮带轮辊轧成形工艺有限元模拟研究.pdf

摘要 摘要 实心钢制三角皮带轮是汽车空调、发电机、水泵等许多重要皮带传动系统中 的关键零件。传统的生产工艺为铸造或模锻毛坯，切削加工获得成品零件。辊轧 成形是旋转轧制工艺，与传统工艺相比具有大幅提高生产效率和材料利用率、降 低产品成本等优点，是一种具有显著综合优势的创新工艺。但由于工艺特殊，工 件成形规律复杂，工艺参数不易控制，容易出现工件内径扩大等缺陷，且在理论 研究方面还不够成熟，这些问题严重制约了该工艺的广泛应用。 计算机技术的发展，数值模拟技术的进步及不断出现的大型商品化软件，为 开发新工艺起到了明显的促进作用。过去几乎无法解决的三维辊轧成形复杂变形 问题，如材料流动规律、成形机理、内部应力应变场及流动速度场等，可望得到 较满意的解决。本文采用三维刚塑性有限元方法，运用d e f o r m - 3 d 软件，首次 实现了皮带轮辊轧成形真实过程的数值模拟。 为了更方便地研究辊轧成形的变形机理，按照相似原理，设计了一个小型和 简化结构的实验用三角皮带轮模型，分别对该模型进行了成形过程的数值模拟和 物理模拟实验研究；然后针对汽车空调三角皮带轮e c 1 3 2 a 2 1 b e 的辊轧成形过程 进行了数值模拟研究。数值模拟的工艺条件包括：单辊和三棍；工件整体加热和 感应局部加热。研究的主要内容包括： ( 1 ) 通过实验三角皮带轮辊轧成形过程的数值模拟，分析轧制过程中应力、 应变变化情况和典型平面上金属流动速度分布，研究了辊轧成形机理， 分析了工件内径扩大原因；研究了辊轧成形过程中轧制力的变化规律； 分析了4 种不同轧辊直径对成形质量的影响；分析比较了三辊轧制与单 辊轧制两种工艺 ( 2 ) 在车床上以铅材料进行了物理模拟实验研究，得到了理想的皮带轮工件， 验证了数值模拟结果的正确性。 ( 3 ) 针对汽车空调三角皮带轮，分别建立工件整体加热和感应局部加热辊轧 成形的有限元模型，分别模拟了两种工艺过程，分析了两种工艺方案不 同轧制阶段的等效应变与等效应力；比较了两种工艺方案成形过程的最 大轧制力、轴向压紧力，轧制力矩；比较了两种工艺方案轧制末期的温 广东工业大学- 亡学硕士学位论文 度场分布及工件外形。 本研究为皮带轮辊轧成形工艺、模具设计、预测载荷及成形缺陷提供了可靠 的理论依据。在本文的基础上，经过进一步深入研究，并结合实验研究改进数值 模拟方法和结果，即可得到较完善的皮带轮辊轧成形工艺。大大缩短了开发周期， 节省开发成本，因此具有重大的实际意义和经济效益。 关键词三角皮带轮；辊轧；数值模拟；刚塑性有限元；成形机理 a b s t r a c t s o f i ds t e e lv - b e i tp u l l e y sa r ek e yp a r t so f m a n yi m p o l l a n tb e l td r i v i n gs y s t e m ss u c ha s c a r sa i rc o n d i t i o n e r s , e l e c t r i cg e n e r a t o r sa n dw a t e rp u m p s c a s t i n go rf o r g i n ga n d m a c h i n i n ga r et h et r a d i t i o n a lp r o c e s s e s r o n i n gi sar o t a r yp l a s t i cf o r m i n gm e t h o d c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lp r o c e s s e s , i th a sm a n ya d v a n t a g e s , s u c ha sh i g hp r o d u c t i o n e f f i c i e n c ya n du t i l i z a t i o nr a t i oo fr a wm a t e r i a l , r e d u c i n gc o s te t c s oi t i san e w t e c h n o l o g yw i t ho b v i o u sa d v a n t a g e s d u et oi t ss p e c i a lt e c h n o l o g ya n de q u i p m e m sa n d c o m p l e xf o r m i n gm e c h a n i s m , p a l - a m e t e r sa r en o te a s i l yc o n t r o l l e d , t h ei n n e rd i a m e t e r s o fw o r k p i e c e sw o u l db ee n l 牡g e d b e s i d e s , 5 0f a rt h et h e o r e t i c a lr e s e a r c hi sn o t s o p h i s t i c a t e de n o u g ht h e s ep r o b l e m sh a m p e rw i d ea p p l i c a t i o no f t h i st e c h n o l o g y g r a ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to f c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n d f i n i t ee l e m e mm e t h o d ( f e m ) ， a n dl a r g ec o m m e r c i a lf e ms o f i w a r e sa r i s i n g , an e ww a yt od e v e l o pa n dd e s i g n f o r m i n gm e t h o di so p e l lt h e 3 - dt o n i n gc o m p l e xd e f o r m a t i o np r o b l e m sw h i c hc o u l d h a r d l yb es o l v e di nt h ep a s t , s u c ha sm a t e r i a lf l o w i n gr u l e s , f o r m i n gm e c h a n i s m , i n t e m a ls t r e s sa n ds t r a i n f i e l d s , v e l o c i t y f i e l d sc o u l db es o l v e d b a s e do n3 - d r i g i d - p l a s t i c 丘n i t ce l e m e mm e t h o d , a n dw i t hd e f o r m - 3 ds o f t w a r e t h et h e s i sh a s r e a l i z e dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no f t b er e a lp r o c e s so f v - b e l tp u l l e yr o n i l l gf i r s t l y i no r d e rt os t u d yt h er o l l i n gf o r m i n gm e c h a n i s mc o n v e n i e n t l y , a c c o r d i n gt ot h es i m i l a r p r i n c i p l e , t h i sa r t i c l ed e s i g n e da ne x p e r i m e n t a lv b e l lp u l l e ym o d e l w h i c hi ss m a l l e r a n ds i m p l i f i e d , n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d yo ft h ef o r m i n gp r o c e s s f o rt h i sm o d e lw e i ec a r r i e do u t t h e nn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fr o l l i n gp r o c e s so fa n a u t o m o b i l ea i rc o n d i t i o n e rv - b e rp u l l e yw a ss t u d i e d t h en u m e f i c f ls i m u l a t i o n t e c h n o l o g 蹦c o n d i t i o n si n c l u d e ：s i n g l er o l la n dt h r e er o l l s , w h o l eh e a t i n ga n d i n d u c t i v el o c a l i z e dh e a t i n g t h em a i nr e s e a r c h e si n c l u d e ： ( 1 ) t h r o u g ha n a l y z i n gs t r e s sa n ds t r a i nf i e l d sa n dv e l o c i t yf i e l d si nt h em h i n g p r o c e s s , o b t a i n e dt h em e t a lf l o w i n gr u l e so nt h et y p i c a lp l a n e t h i sa r t i c l eh a s a n a l y z e dt h er e a s o no ft h ew o r k p i e c ei n n e rd i a m e t e re x p a n s i o n ；s t u d i e dt h er o l l 1 1 1 - 广东工业大学丁= 学硕十学位论文 f o r c ec h a n g er e g u l a r i t yi nt h er o l l i n gp r o c e s s ；a n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo f f o u rk i n d s o fd i f f e r e n tr o l ld i a m e t e r st ot h ef o r m i n gq u a l i t y ；a n a l y z e da n dc o m p a r e dt w o p r o c e s s ：t h r e er o l l sr o u i n ga n ds i n g l er o l lr o l l i n g ( 2 ) h a sc o n d u c t e dt h ep h y s i c a ls i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t ss t u d yo nt h el a t h eb y t h el e a dm a t e r i a l ，o b t a i n e dt h ei d e a lb e l tp u l l e y , h a sc o n f i r m e dt h ea c c u r a c yo ft h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u r s ( 3 ) h a sa n a l y z e dw h o l eh e a t i n ga n di n d u c t i v el o c a l i z e dh e a t 吨t w op r o c e s s st h e e f f e c t i v es t r a i na n ds t r e s si nd i f f e r e n tr o l l i n gs t a g e ；c o m p a r e dw i t ht w op r o c e s s s b i g g e s tr o l l f o r c ei nt h ef o r m i n gp r o c e s s ；c o m p a r e dw i t ht w o p r o c e s s s t e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o na n dw o r k p i e c es h a p ei nt h er o l l i n gl a s ts t a g e n r e s u l tp r o v i d e si m p o r t a n tt h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h er o l l i n gp r o c e s so fb e l tp u l l e y s , d e s i g n i n gd i e s ，f o r e c a s t i n gt h el o a da n dt h ef o r m i n gf l a w s b a s e do nt h i sp a p e r , f u r t h e r s t u d yo ft h er o l l i n gp r o c e s sc a nb ec a r r i e do u t 喁恤ht h ee x p e r i m e n t s , t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nm o d e l sa n dr e s u l t sc a nb ei m p r o v e d s u c hr e s e a r c hg r e a t l yr e d u c e st h e d e v e l o p m e n tc y c l e ，s a v e st h ed e v e l o p m e n tc o s t ，w i t hg r e a tp r a c t i c a la n de c o n o m i c v a l u e k e y w o r d s v - b e l tp u l l e y ；r o l l i n gp r o c e s s ；f e ms i m u l a t i o n ；d e f o r m a t i o nm e c h a n i s m 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的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，不包 含本人或其他用途使用过的成果。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。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签名：码反松 论文作者签名：减 洳7 年月se t 拳屯 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源、背景及研究意义 三角皮带轮是带传动中的一个关键零件，在机械、汽车、家电等行业有大量 的应用。三角皮带轮大体分为钣制皮带轮和实心钢制皮带轮两种，钣制皮带轮的 加工工艺有两种如图1 1 、图1 2 所示。采用金属板料拉深结合液压胀形工艺加工 三角皮带轮已广泛应用于实际生产中，加工的皮带轮可直接应用于汽车，拖拉机 和其它机械设备上，但这种方法的工艺装备复杂，且只能针对特定结构形状的零 件、通用性差、加工产品的尺寸精度和质量都较低【l l 。我国北京航空航天大学 1 9 8 0 1 9 9 0 年代开发了钣制三角皮带轮旋压加工技术，以金属板料采用拉深和旋 压结合的加工方法实现三角皮带轮净形成形，这种工艺通用性好，加工的皮带轮 精度高、质量好，与拉深结合液压胀形工艺相比，在很多方面具有明显的优势【1 2 , 3 l 。 四豳 臻霉 别二一二亡二一栖荔 譬簟譬耸 、 、飞 ? 、j 睡 j 、v7 陟 少锕 1 、0、t、l 、? rr 图4 5 典型平面的选取 f i g u r e 4 - 5c h o o s i n go f t y p i c a lp l a n e 董! 兰耋矍三曼鏖耋丝堡塾堡垄至堡主要墨 ( a ) a - a 截面 ( b ) b - b 截面 ( c ) c - c 截面 图4 - 6 进给量0 4 5 m m 时工件内的速度分布 f i g u r e t - 6v e l o c i t yd i s t r i b u t i o ni np u l l e ys e c t i o nw h e nf e e d sg e t t i n gt o0 a 5 m m 一3 l - ( a ) a - a 截面 ( b ) b b 截面 ( c ) c - c 截面 图4 - 7 进给量为2 0 2 r a m 时工件内的速度分布 f i g u r e 4 - 7v e l o c i t yd i s w i b u t i o ni np i i l l e ys e c t i o nw h e nf e e d sg e t t i n gt o2 0 2 r a m 3 2 耋璺耋耋塞三垄鏖童丝篓塾塞垄三坚圣塞堡 ( a ) a - a 截面 ( b ) b - b 截面 ( c ) c - ( 2 截面 图4 8 进给量为2 9 n u n 时工件内的速度分布 f i g u r e 4 - 8 v e l o c i t y d i s t r i b u t i o n i n p i l l e y $ t i o n w h e n f e e d s g e t t i n g t 0 2 9 r a m 图4 - 6 是进给量为0 4 5 m m 时，工件与轧辊接触区域各截面上的速度分布图。 3 3 - 广东- 亡业大学工学硕士学位论文 其中v e l o c i t y x r 、v e l o c i t y y z 、v e l o c i t y - z t h e t 分别表示切向、轴向、径向流动 速度，将它们简化表示为v x 、v v 、v ：。各截面上的径向速度v z 分布表明，工件 轮槽底部在轧辊的作用下有径向压入的最大速度，达5 8 2 m m s ，远离接触面逐步 减小，而在槽之间的轮齿部分，则产生向外的速度，实现了体积径向转移。轴向 速度v ，的分布表明在轮槽底部有轴向的流动，但由于受到限制，则转化为径向和 切向流动。切向速度v ，的分布表明，在轧辊的作用下，存在切向变形，轮齿部分 相对较小，而轮槽部分则较大；由于轧辊的旋转运动，v x 的分布不均匀，在轧辊 的旋转方向产生更大的切向流动；虽然切向流动的存在是工件内径变化的直接原 因，但较大的切向流动只发生在工件接触部位较小的表层，对工件的内径影响较 小。 图4 7 是进给量为2 0 2 m m 时，工件与轧辊接触区域的速度分布图。此时，在 轮齿部分有更大的径向向外流动速度，但切向流动也增大，轮槽部分也有同样的 现象，都成不对称分布，轧辊旋转方向切向流动更大一些；切向流动仍然在表层 的较小范围，对工件内径的影响也不大。 图4 8 是进给量为2 9 m m 时，工件与轧辊接触区域的速度分布图。接触的轮 缘部分金属质点有最大的径向流动速度， 齿增高，金属径向和轴向流动阻力增大， 达1 4 4 m m s 。但由于轮缘厚度变薄和轮 使两个方向的流动速度降低；而切向流 动显著增大且塑性变形区域已穿透整个工件壁厚，导致工件内径扩大，在轧辊旋 转作用下，产生了刚性转动，使轧辊旋转方向前端非接触区域金属的流动速度显 著增大，并且工件产生失稳，变成非轴对称形状。如图4 - 9 所示。 c a ) 径向视图( b ) 轴向视图 图4 9 轧制末期r t 件失稳图 f i g m e 4 - - 9d e s t r u c t i o no f w o r k p i e c ea tt h ee n do f r o | l i n g 第四章实验三角皮带轮辊轧成形有限元模拟 以上结果显示，变形初始和中间阶段，切向变形小，且多发生的接触面附近 的表层金属，对工件内径扩大的影响很小；但到变形的后阶段，由于金属径向和 轴向流动阻力增大，随着轧辊的压入，接触区域的金属切向流动增加，导致工件 内径增大，并进一步增加了金属的切向流动，最后会导致工件的失稳。 4 3 2 等效应力和等效应变 图4 - 1 0 、4 - 1 1 为等效应变和等效应力分布图。可知，在轧制初期和中间阶段， 等效塑性应变主要分布在接触面附近的表层金属，而轧制后阶段分布区域明显扩 大，并穿透了整个工件壁厚，在接触的轮缘部分等效应变最大，说明材料在此处 的变形程度剧烈。等效应变的这种分布规律与上面金属流动规律分析是一致的 ( a ) 进给量0 4 5 r a m ( b ) 进给量2 0 2 m m 广东工业大学工学硕士学位论文 ( c ) 进给量2 9 m m 图4 - 1 0 工件各变形阶段等效应变分布云图 f i g u r e 4 - 1 0e f f e c t i v es u a i r ld i s t r i b u t i o ni nt h er o l l i n go f av - b e l tp u l l e y 等效应力的分布规律与等效应变对应。在变形初期和中间阶段，等效应力均 分布在工件与轧辊接触的区域，随着轧制的进行，等效应力分布范围及数值均有 扩大；而轧制后阶段，等效应力最大值出现的区域在接触面的轮缘及轮槽底部， 说明该区域材料变形较剧烈；在接触面外轧辊旋转方向前端非接触区域，也存在 等效应力的分布，它的存在使工件产生失稳，变成非轴对称形状，这也与上面金 属流动规律分析也是一致的。 ( a ) 进给量0 4 5 m m 第四章实验三角皮带轮辊轧成形有限元模拟 ( b ) 进给量2 0 2 m m ( c ) 进给量2 9 m m 图4 - 1i 工件各变形阶段等效应力分布云图 f i n w e 4 - 1 1e f f e c t i v e s t r e s s d i s t r i b u t i o n i n t h er o l l i n g o f a v - b e l tp u l l e y 4 3 3 载荷行程曲线 图4 - 1 2 为皮带轮辊轧成形过程中的轧辊所受载荷曲线。由于皮带轮辊轧成形 属回转成形的一种，轧辊所受载荷随时间变化具有周期性，轧辊公转一周过程中。 载荷均是由最小值( 约为几百牛) 上升到最大值再回到最小值变形初期，最大 值均在4 0 k n 以下，而变形后期，最大值达到5 0 k n ，说明变形越来越困难 根据塑性变形原理，轧制力的大小与接触面投影面积、接触面投影面积上单 位面积的平均压力成正比由第二章知，轧制力为： 广东工业大学t 学硕士学位论文 p = 聊b 孙z s + 别盯 式中只有接触弧投影长度三是变量。显然，随着轧制的进行，工愈来愈大，使轧 制力增大。同时，在实际生产中，变形后期，轧辊与工件接触面积逐步增大，金 属流动阻力增大，也会使变形抗力增大，欲使坯料继续产生变形，势必要增加变 形力。所以模拟显示的轧制力变化趋势与理论分析和实际生产是一致的。 6 0 0 0 0 5 0 0 0 0 2 4 0 0 0 0 暑3 0 0 0 0 o n2 0 0 0 0 1 0 0 0 0 o o 图4 - 1 2 轧辊所受载荷曲线 f i g m e 4 - 1 2l o a ds t r o k ec u r v e 另外，与第三章计算的轧制力理论值5 7 5 k n 比较可知，数值模拟的结果与理 论值很接近，说明用d e f o r m 软件模拟的精度是很高的。 4 3 4 轧辊直径对工件变形影晌的模拟分析 保持坯料尺寸、变形量占和变形速率童不变，通过改变轧辊直径来研究工件变 形的情况。选择4 种轧辊直径，即1 1 0 、1 2 0 、1 3 0 、1 4 0 m m ，以2 m m 的总进给量 分别轧制相同规格的轧件模拟的总进给步设为2 0 0 ，轧辊公转转速为l r a d s ，为 保证变形速率的相同，不同直径的轧辊取不同的自转转速。4 种辊径下的自转转 速分别为o 5 6r a d s 、o 5 2r a d s 、0 4 8r a d s 、0 4 4r a d $ 。其余计算条件的设置见表 4 1 。 图4 - - 1 3 为不同轧辊直径下。在相同进给量2 m m ，工件内等效塑性应交等值线 的分布情况可见，当轧辊直径d = 1 1 0 衄时，整个变形区的等效应变较小，最 c蚺每一驰 ( 一【舱n i t 甘卜西o o 卜9【9o 甘 第四章实验三角皮带轮辊轧成形有限元模拟 大值仅为1 6 6 ，但数值不等、较小的等效应变分布在整个工件圆周，说明工件内 径已经扩大，外形成非轴对称形状；轧辊直径d = 1 2 0 d 3 0 d 4 0 m m 时，等效应变只 & l h e i 岫岛糟h e c 嘶o ( a ) d = l l o n l m e 0 c o “ f - 耗舶e g 椭- f a k t m f * 3 舯 ( b ) d = 1 2 0 m m s t r a i n e 椭 ( c ) d = 1 3 0 m m( d ) d = 1 4 0 m i l l 图4 - 1 3 不同轧辊直径下变形区内等效塑性应变分布 f i g u r e 4 - 1 3e f f e c t i v es t r a i nd i s t r i b u t i o ni nd e f o r m a t i o nz o n e sw i t hd i f f e r e n tr o l ld i a m e t e r s 布在工件与轧辊接触的区域，随着轧辊直径的增大，变形区域也相应增大了，同 时也可直观的看出当轧辊直径d = 1 3 0 m i l l 时，等效塑性应变的分布均匀，其值均 为0 9 2 3 ，而当直径d = 1 2 0 d 4 0 m m 时，等效塑性应变的分布不均匀，其最大值分 别达到了1 5 l 和1 2 3 图4 - 1 5 为直径分别是1 1 0 、1 2 0 、1 3 0 、1 4 0 r a m 轧辊所受载荷曲线。对比图4 - 1 4 可见，不同直径的轧辊所受载荷的变化趋势是相同的，但数值上有所差别。其主 要原因是随着轧制的进行，轧辊逐渐咬入进毛坯，轧辊与坯料的接触面积逐渐增 大，摩擦力也增大。要使坯料继续变形须克服更多的摩擦力做功，故不同直径轧 辊所受载荷均随时间增大而增大；由于轧辊直径的变化，所需的成形力要发生变 。_ _- ： 翩枷删成 _wt t 0 i l l-“ hl_t-日 c a ) d = 1 1 0 姗 ( b ) d = 1 2 0 m m 一 m “j j rim(me)0目 ( c ) d = 1 3 0 m m ( d ) d = 1 4 0 m m 图4 - 1 4 不同直径的轧辊所受载荷 f i g u r e 4 - 1 4l i n ds l r o k ec u r v cw i t hd i f f e r e n tr o l ld i a m e t e r s 图4 - 1 5 为不同轧辊直径下，进给量为2 m m 时工件的外形可见，d = l l o m m 时，工件的内径显著扩大并出现失稳；d = 1 2 0 t o n i 时，工件内径扩大明显； d = 1 3 0 m m 时，因为工件与芯轴之间的间隙为0 5 m m ，工件内径尺寸没变化，外 第四章实验三角皮带轮辊轧成形有限元模拟 形仍为原形；d = 1 4 0 m m 时，在轧辊与工件接触区域的前端，工件内径尺寸有所 增大，形成非圆区域，其原因是进给量为2 m m 时，在接触区域的前端也产生了变 形，如图4 - 1 3 ( d ) 所示。 c a ) d = 1 1 0 m m( b ) d = 1 2 0 m m ( c ) d = 1 3 0 m m ( d ) d = 1 4 0 m m 图4 - 1 5 不同轧辊直径进给量为2 m m 时工件的外形 f i g t m 津1 5 t h e a p p e a r a n c e o f w o r k p i e c e w h e n f e e d s g e t t i n g t 0 2 m m w i t h d i f f e r e n tr o l l d i a m e t e r s 通过以上分析知，合理的轧辊直径为1 3 0 r a m 。 4 3 5 工艺方案分析比较 前面第三章中介绍了皮带轮三辊轮辊轧成形工艺，在三辊轧制工艺中，工件 受均布在其圆周方向三个轧辊的作用，轧制力由三个轧辊和芯轴共同提供，与单 辊轧制相比。工件受力条件有所改善，内径直径变化能得到较好控制 为了比较三辊与单辊轧制对成形过程的影响，分别进行了三辊与单辊皮带轮 辊轧成形的模拟，材料模型均设为1 5 号钢。图4 - 1 6 为皮带轮三轧辊辊轧成形有 广东工业大学1 = 学硕士学位论文 限元模型，仍采用轧辊自转的同时绕工件中心公转、工件静止的主传动方案，需 对三个轧辊都设置相同的径向进给速度、公转及自转转速，其余计算条件的设置 与单轧辊辊轧成形一样，见表4 1 。 图4 1 6 皮带轮三轧辊辊轧成形有限元模型 f i g u m 4 - 6t h ef e m m o d e lo f r o l l i n gp r o c e s sw i t ht h r c cr o l l s 图4 - 1 7 为三辊轧制皮带轮不同阶段工件内的速度矢量分布。可见，在轧制初 期和稳定轧制阶段，与单轧辊轧制金属流动规律类似，接触区域的金属质点具有 较大的径向流动速度，而在非接触区域的金属质点具有很小的切向流动速度，随 着车l s j 的进行，接触区域面积的扩大，具有径向流动的金属质点数目、径向流动 速度均增大了，这两个阶段工件内径均没变化；在轧制末期，径向流动速度继续 增大，同时在三个轧辊旋转方向前端非接触区域的切向流动速度显著增大，工件 内径变成如图4 1 7 ( c ) 所示非圆形状。 ( a ) 轧制初期 第四章实验三角皮带轮辊轧成形有限元模拟 ( b ) 稳定轧制 ( c ) 轧制末期 图4 - 1 7 三辊轧制皮带轮不同阶段工件内的速度矢量分布 f i g u r e 4 - 1 7t h ed i s t r i b u t i o no f v e l o c i t yv e c t o ri nt h er o l l i n go f av - b e l tp u l l e yw i t ht h r e er o l l s 由前面的分析知，随着轧制的进行，变形力愈来愈大，在轧制的末期达到最 大值，故要确定载荷的最大值只需考查轧辊在轧制末期的受力即可。图4 - 1 8 为材 料模型均为1 5 号钢时，总进给量达3 m m 时单辊轧制与三辊轧制的载荷一行程曲 线。可知，完成3 m m 的进给量，单辊轧制与三辊轧制的效率是一样的，时间均为 3 0 s ；但轧辊所受载荷的最大值不一样，单辊轧制轧辊所受载荷最大值约为 1 6 0 0 0 0 n ，而三辊轧制轧辊所受载荷最大值约为4 5 8 0 ( 0 ，故单辊轧制的轧制力约 为三辊轧制的3 5 倍 - 。 l j ， 。 1 ；： ，。，。，、 。氐 砷竹 mjmmj mm 1-t目-日 ( a ) 单辊轧制( b ) 三辊轧制 图4 - 1 s 单辊轧制与三辊轧制轧制末期的载荷行程曲线 f i g u r e 4 - 1 s a t t h e e n d o f r o t t i n gp r o c c s s , l o a d s t r o k e c u r v e s w i t hs i a g l er o l la n d t h r e er o i l s 4 4 本章小结 根据d e f o r m 软件的特点，建立了有限元模型，在不影响模拟结果的基础上 为了节省计算时间，对模型进行了适当的简化。本章系统分析了皮带轮辊轧成形 过程中金属流动规律、等效应力及等效应变、载荷行程曲线以及轧辊直径对工件 变形的影响，比较了单辊轧制与三辊t ；l s t j 两种工艺，得出如下结论： ( 1 ) 皮带轮辊轧成形过程中，变形初始和中间阶段，切向变形小，且多发生 的接触面附近的表层金属，对工件内径扩大的影响很小；但到变形未期，由于金 属径向和轴向流动阻力增大，随着轧辊的压入，接触区域的金属切向流动增加， 导致工件内径增大。 ( 2 ) 随着轧制进行，等效应力、等效应变及轧制力均增大，在轧制术期轧制 力达到5 0 k n ( 3 ) 当轧辊直径为1 3 0 m m 时，能得到符合尺寸要求的工件 ( 4 ) 三辊轧制与单辊轧制相比能很好控制工件内径的尺寸，但轧制后期工件 也呈非圆形；工艺条件相同时，单辊轧制的轧制力约为三辊轧制的3 5 倍。 第五章实验研究 第五章实验研究 5 1 概述 金属塑性加工是一种非常复杂的传统工艺，很多时候依赖于经验。近年来随 着现代科学技术的飞速发展，金属塑性加工技术得到了突飞猛进的发展，同时物 理模拟技术和数值模拟技术也得到了很大的发展。 数值模拟虽然能在虚拟条件下模拟出金属塑性成形过程，技算出塑性成形中 的应力场、应变场等，但由于数学模型建立时往往进行了部分简化，约束、摩擦 的施加，以及计算迭代都存在着误差等，不可能得到跟实际情况完全相同的结果， 具有一定的局限性，必须结合物理实验来共同分析塑性成形规律。发展实验解 析综合研究方法，即将物理模拟和数值模拟相结合，从而为塑性成形及其理论研 究提供可靠和有力的依据，如今陆续出现的物理模拟技术将大大深化金属塑性成 形的科学性 塑性成形物理模拟一般包括两方面：一是模拟研究塑性成形过程的物理化学 现象和性能，即研究金属的化学成分、原始组织状态，变形的温度速度条件等 对变形后金属的组织和性能的影响以及显微组织的晶粒为参考测量单元的热模拟 技术；二是模拟研究塑性成形过程中位移、应力和应变等力学数学内容，主要研 究不容的约束条件、加载方式或不同工艺方法下，变形金属内的应力、应变特征 和金属流动规律。 5 2 实验方案 5 2 1 实验材料的选取及试样规格 选择合理的模拟材料是模拟实验首先应当考虑的。作为塑性成形的模拟材料， 需考虑如下的要求：使模拟实验时所需载荷小；模拟材料易于得到，成本低，试 件和模具加工方便；实验时试件性能稳定；实验数据的测量计算方便；能在常温 下模拟高温变形等。常见的塑性成形模拟材料有五类：软金属材料、粘土类材料、 蜡、高分子材料和同种实物材料其中铅和塑泥是两种用的较多的常温模拟材料， 它们都可以成功的在常温条件下模拟钢在高温时的塑性交形，因为铅能够准确模 拟皮带轮辊轧成形的塑性变形，本实验中，我们选取铅为模拟材料。 实验采用简化的皮带轮零件，其试样规格如图5 - 1 。 图5 - l 试样尺寸 f i g u r e 5 - 1s a m p l ed i m e n s i o n s 5 2 2 实验装置 采用单辊辊轧实验装置，在车床上进行了辊轧成形实验。轧辊直径为中 1 3 0 m m ，实验装置如图5 2 所示。 1 心轴l2 、4 挡板3 毛坯5 螺母6 轧辊 7 螺母8 心轴29 铜套l o 轧辊支架 图5 - 2 实验装置 f i g u r e 5 - 2e x p e r i m e n t a ld 刚 5 2 3 实验过程 实验的主要目标是研究皮带轮辊轧成形的金属变形规律，实验采用连续进给 的方式，共进行了4 种工艺参数的实验，其工艺参数及成形零件尺寸如表5 1 所 示。 表5 - 1 零件尺寸及辊轧工艺参数表 t a b l e 5 1p a r td i m e n s i o n sa n dp a r a m e t e r so f r o l l i n gp r o c e s s 工件总进进给量工件毛坯成形工件成形工件 序号给量( m m r )转速 内径内径外径 ( m m )( r m i n )( m m )( m m )( m m ) 1 3 o 1 l2 55 0 0 25 0 6 06 7 6 0 23o 1 l 5 0 5 0 1 05 3 9 07 0 4 0 33 o 3 02 55 0 0 2 内径扩大。未完成变形 430 6 0 2 55 0 1 4内径扩大，工件失稳 5 3 实验结果分析 ( a ) i 号工件( b ) 2 号工件 ( c ) 3 号工件 ( d ) 4 号工件 图s - 3 变形后的试件 f i g t n s - 3t h es h a p e so f t h ed e f o r m e ds p e c i m e n 图5 3 是辊轧成形实验变形后的工件图。l 号工件实验中，辊轧成形初始阶段， 广东工业大学- 学硕士学位论文 变形均匀，金属产生径向流动形成轮槽，在完成进给量时，工件变形到位，成形 质量较好。2 号工件实验增加了工件的转速，并完成总进给量，在进给量到达2 7 m m 前，金属流动得到良好的控制，工件直径在变形的最后阶段才显著增大。3 号工 件和4 号工件实验提高了单圈的进给量， 扩大显著，3 号工件未完成最终的变形， 工件产生了失稳。 其成形过程与2 号工件类似，工件直径 而4 号工件实验直径扩大后继续辊轧时 工艺实验表明，在轧辊压入作用下，金属能够产生径向流动，形成轮槽，但 同时内径可能扩大。其主要原因是在轧制后期，工件塑性变形区域已穿透整个壁 厚；连续进给时工件每一点的进给量都不相同，且没有整形过程，导致金属流动 难于控制，切向流动过大。采用较小的进给速度及转速可改善工件内径的扩大，l 号工件实验的进给速度及转速均较小，工件内径变化较小，由5 0 0 2 r a m 变为 5 0 6 0 r a m 。因为( 1 ) 号工件的工艺参数与数值模拟相近，故两者吻合较好。 5 4 本章小结 本章从实验角度研究了皮带轮辊轧成形过程，以验证数值模拟。选取铅作为 实验材料，采用连续进给及四组不同的工艺参数在车床上进行了物理模拟实验 结果表明，在轧辊压入作用下，金属能够产生径向流动，形成轮槽；采用较小的 进给速度及转速可改善工件内径的扩大，工件内径由5 0 0 2 m m 变为5 0 6 0 m m 。 第六章汽车空调e c - 1 3 2 a 2 1 b e 皮带轮辊轧成形有限元模拟 第六章汽车空调e c 1 3 2 a 2 1 b e 皮带轮辊轧成形有限 元模拟 前面第四、五章分别通过数值模拟和物理模拟实验研究了三角皮带轮辊轧成 形工艺，运用的均是缩小了的模型，与实际生产中的皮带轮无论是毛坯规格、设 备吨位等都有差别，本文针对中山中炬精工机械有限公司生产的e c 1 3 2 a 2 1 b e 皮 带轮，提出两种工艺方案：( 1 ) 感应局部加热。( 2 ) 工件整体加热，坯料温度为 1 0 0 0 0 c 。利用d e f o r m 软件分别对两种工艺方案的皮带轮辊轧成形过程进行了 有限元模拟。 6 1 有限元模型的建立 6 1 1 轧制毛坯设计 汽车空调e c 1 3 2 a 2 1 b e 皮带轮大规模生产时，通常采用模锻工艺生产毛坯， 根据体积不变条件，确定毛坯规格为( 0 1 2 2 5 - - 0 5 5 ) 3 8 9 5 ，皮带轮零件图及 毛坯图如图6 1 所示。 ( a ) 零件图 ( b ) 毛坯 图6 _ le c - 1 3 2 a 2 1 b e 皮带轮零件图及辊轧毛坯 f i g u r e 6 1t h ep a r to fe c 1 3 2 a 2 1 b ep l l l i c ya n dr o l l i n g w o r k p i e c e 广东工业大学t 学硕十学位论文 6 1 2 模型的建立与计算条件的设定 轧制完成后，弹性部分释放的弹性应变比塑性部分引起的残余应变要小的多， 因此同样在分析中，工件采用刚塑性模型，轧辊、芯轴、挡板采用刚体模型。工 件材料为1 5 号钢，在材料库中对应的美国钢号为a i s i 1 0 1 5 ，工件与轧辊间接触 采用剪切摩擦模型，摩擦因数为0 2 5 。对第一种工艺方案，坯料采用感应加热时， 温度设置如下：坯料表层3 m m 厚温度为11 0 0 0 c ，中间3 m m 厚的一层设为8 0 0 0 c ， 最里面4 2 5 m m 厚的一层设为4 0 0 0 c ，其余部分设置为常温，坯料温度分布如图 6 - 2 所示。 图6 - 2 坯料初始温度分布图6 - 3 挡板设计 f i g u r e 6 - 2t h ei n i t i a lt e m p e r a t u r ea “mo nw o r k p i e c e f i g u r e 6 - 3d a