（机械设计及理论专业论文）滚压参量对变形铝合金表面性状影响的研究.pdf

滚压参量对变形铝合金表面性状影响的研究 摘要 本文主要围绕通过滚压方法实现在铝合金表面制备超细晶材料这 个大方向，进行以下几个方面的基础研究：利用自制简易装置，对铝 台金( l y l 2 ) 进行了滚压试验，探讨了滚压对l y l 2 表面性状的初步影 响：运用a n s y s 有限元分析软件对滚压过程进行了有限元分析，讨论 了力、滚压速度和滚压道次对材料表面性状的影晌规律，最后在a n s y s 界面中开发了一个简易滚压系统，简易滚压系统对探讨材料在滚压过 程中，外部因素作用的实验研究方面，提供了一定的指导作用。 研究结果表明：金属材料表面滚压处理的运用对金属表面的显微 组织和力学性能均有影响，l y l 2 经自制简易滚压设备滚压处理后， 表面晶粒得到了细化，表面硬度平均可提高到11o h v 左右。a n s y s 有 限元分析认为：被滚压材料表面塑性变形层的厚度与力的大小关系 大。滚压道次对被滚压材料表面的总塑性应变量有很大的影响。综上 所述，滚压力的大小和滚压次数的多少可能是导致表面晶粒能够产生 细化的主要影响因素。这对今后金属材料表面运用滚压方法来细化表 面晶粒具有一定的启示作用。 关键词：超细晶滚压屈服厚度塑性应变有限元分析 t h es t u d yo fi n f l u e n c eo nr o l l e r p a r a l 以e t e rt o s u l ) e r f i c i a l p r o p e r t y0 fw r o u g h ta l u m i n i u ma l l o y a b s t r a c t t i f f sa r t i c l em a i n l ys u r r o u n dt h ed i r e c t i o nw h i c hu s i n gt h em e t h o do f r o l l i n gf o r t h ep r e p a r a t i o no f t h eu l t r a f i n eg r a i n e do dt h ea l u m i n u ma l l o y s u r f a c e ，c a r r y i n go ns e v e r a lf o u n d a t i o nr e s e a r c h e sa sf o l l o w s ：m a k i n gu s e o fs e l f - m a d es i m p l ed e v i c e ，r o l l i n go nt h es u r f a c eo f t h ea l u m i n u mm e t a l a l l o y ( l y l 2 ) ，d i s c u s s i n gt h ee l e m e n t a r yi n f l u e n c eo f t h el y l 2b yr o l l i n g ， u s et h es o f t w a r eo f a n s y st oa n a l y z et h ep r o c e s so f r o l l i n g ，f o r d i s c u s s i n gt h ei n f l u e n c e dr u l e sc a u s e db yt h er o l l i n gp a r a m e t e r so nt h e m a t e r i a ls u r f a c e ，s u c ha sf o r c e ，r o l l i n gv e l o c i t y ，r e p e a t i n gn u m b e r s t h ea n a l y t i c a lr e s u l t si n d i c a t e ：r o l l i n go nt h em a t e r i a ls u r f a c eh a v e i n f l u e n c et ob o t ho fm i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lc a p a b i l i t y a f t e rt h e r o l l i n gd i s p o s a l ，e x t e m a lg r a i n sw e r ed e f i n e d ，s u r f a c er i g i d i t ya d d t o 11 0 h v t h ea n a l y s i so f a n s y sd e e m ：t h et h i c k n e s so f d e f o r m a t i o n r e l a t et of o r c ee v i d e n t l y , t h en u m b e r so fc i r c l eh a v er e m a r k a b l e i n f l u e n c e ，i nt h ew o r d ，t h em a i nr e a s o n so ft h ed e f i n eo fg r a i na r e f o r c ea n dc i r c u l a rn u m b e r s t h er e s u l t sh a v eh e u r i s t i cf u n c t i o nw h e n u s er o l l i n gm e t h o dt od e f i n eg r a i n so nt h em e t a ls u r f a c ei nt h ef u t u r e ， a tl a s tw ee m b o l d e n e das y s t e mo f s i m p l er o l l i n gf o ri m p r o v i n g t h e e f f i c i e n c ye f f e c t i v e l yo nt h ei n t e r f a c eo f a n s y s i th a sac e r t a i n g u i d i n gs i g n i f i c a n c eo ns t u d y i n gt h ef u n c t i o no fe x t e r i o rp a r a m e t e r o nr o l l i n g k e yw o r d s ：u l t r a - f i n eg r a i n e d ；r o l l i n g ；y i e l dt h i c k n e s s ；p l a s t i c - s t r a i n ； f i n i t ee l e m e n ta n a l y s e 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相关 知识产权属广西大学所有本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研 究内容。除己注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含本人为 获得其它学位丽使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在 论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 讶正功 j 学位论文使用授权说明 2 0 0 7 年6 月2 5 日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校要 求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并 提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论 文；在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 丑御时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) ：坪多哕晰躲3 基弓 2 0 0 7 年6 日 摹压参量列岛舌金表面性状影响的研究 第一章绪论 1 1 、引言 广西是铝资源丰富的地区，铝产品工业长期以来一直是广西经济发展的支柱 性产业之一，随着我国工业的发展，计算机工业、汽车工业、船舶工业、机械工 业，建筑工业等高科技领域的迅速发展，铝合金由于重量轻、性能优良而正受到 越来越多的关注。因此充分发掘铝合金的性能潜力，进一步拓宽铝工业的应用领 域，无疑是对广西的经济和社会发展起到了重要的推动作用细晶材料由于其物 理、化学、力学性能不同于传统材料。所以相当长时间以来，一直引起人们的很 大兴趣。严重塑性变形( s e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o n - s p d ) 具有强烈的晶粒细化 作用。金属材料通过严重的塑性变形可以将材料晶粒细化到亚微米级乃至纳米 级，已被国际材料学界公认为是制备块体纳米( 晶粒大小小于l o o n m ) 和超细晶 材料( 晶粒大小为l o o n m lpm ) 的最有前途的方法，同时从环保、成本和应用范 围等角度考虑，s p d 技术越来越多的得到人们的关注i ” 表面强烈的塑性变形可使金属材料的表面晶粒得到细化，对此，人们作了许 多使表面产生强烈塑性变形技术的探索，取得了许多成果。表面滚压方法是使表 面产生强烈塑性变形的有效方法，为了使表面滚压技术能够更合理的得到应用， 本文主要探讨滚压参数如压力大小、滚压速度、滚压时间等与被滚压材料性能之 间的影响规律具有重要的科学意义和现实意义。 1 2 、国内外材料表面滚压处理的研究现状 2 1 表面滚压处理的应用 起初，表面滚压是为了使机械零件表面光整或强化的一种处理工艺。采用喷 丸处理是大多数材料工作者所采用的方法，在这方面也做了大量的工作，在车床 滚压工具在工件表面上作相对运动，施加一定压力，强行滚压，使金属表层产生 塑性变形，修整工件表面的微观几何形状，降低表面粗糙度，同时提高工件的表 面硬度、耐磨性和抗疲劳强度闭。 目前滚压技术主要被应用在以下几个方面：提高疲劳极限、提高零件寿命、 提高耐磨性、提高表面质量等方面。 加工范围主要是圆柱形或锥形的外表面和内表面曲线旋转体外表面、平面、 滚压参量嗣唱台喧表面性状影响的哥院 端面、凹槽、台阶轴、曲轴的过度圆角。 滚轮除常用的单滚外，还有对称排列的双滚和三滚( 相邻两滚成1 2 0 。) 网。 图1 1 双辊轮 f i 9 1 1t w or o l l e r s 1 2 2 国内在滚压方向上的研究 图1 2 三辊轮 f i 9 1 2t h e r er o l l e r s 国内的滚压研究主要集中在提高材料的表面质量和疲劳强度。如西安交通大 学的冯忠信教授在1 9 9 4 年研究了表面滚压对z m l m g 合金疲劳强度和疲劳缺口敏感 度的影响，结果得出了如下结论：通过滚压可使其光滑疲劳极限强度提高7 5 ， 缺口疲劳极限提高了2 0 0 ，大大降低疲劳缺口敏感度；按传统定义计算，疲劳缺 口敏感度q 出现负值，表明滚压可以大幅度降低z m l m g 合金的疲劳缺口敏感性：表 面粗糙度的变化对疲劳缺口敏感度影响较小，表层高的残余应力是提高缺口疲劳 极限和大幅度降低疲劳敏感度的主导因素，材质的形变强化有助于发挥残余应力 的有利作用；通过最后经过滚压的试样的拉伸和压缩实验发现对最终材料性能影 响最大的因素是力川 北京航空制造工程研究所利用滚压技术提高高强度航空紧固件的疲劳强度， 有些材料如钛合金的极限强度提高了4 0 0 6 0 0 9 6 【习； 北京航空航天大学利用滚压加工提高水平导轨面的硬度，不但把工件表面硬 度由滚压前耶= 2 0 0 ，提高到t t l ) = 2 8 0 ，还提高工件表面质量和表面疲劳强度掣日。 1 2 3 国外在滚压方向上的研究 国外的滚压技术起步早，大约在1 0 0 年前，就被用于螺纹零件的制造中，并 获得了成功。在5 0 年代，不少学者以提高轮齿成形质量，解决实用化为目的，进 行滚压成型研究。7 0 年代出现采用内啮合滚压成形法，最为代表的是由波兰的 l d a r c i n i a k 等人创立的w p m 法。进入8 0 年代以后，滚压技术研究向着高品质，低成 本的方向发展，并更多的借用仿真技术进行试验研究，特别是在发动机曲轴方面， 如德国b o e h r i n g e r 公司利用滚压技术就很好的提高了曲轴的质量和寿命【7 州。 2 蕈压参l - 对铝台喧表面性秩影响的研究 1 3 课题来源 课题来源于广西区科技厅自然基金项目，项目主要研究内容是采用表面多次 塑性变形的方法，使得变形铝合金表面晶粒得到细化。为便于深入系统地开展这 项课题的研究，加载条件对铝合金表面塑性变形特性的影响的研究是一项重要的 基础性工作，本文的目的是：探讨外部作用参数对变形铝合金表面变形的影响。 1 4 课题研究主要内容 。通过自制简易设备对铝合金表面的滚压，初步探讨滚压处理后铝合金表面的变 化情况； o 运用a n s y s 软件对不对称异步轧制过程进行有限元分析，探讨不对称轧制过程 中应力、应变的分布、变化情况，从力学角度深入了解这一过程对金属材料晶粒 的细化作用，为自行研制金属材料表面滚压设备提供理论依据； o 运用a n s y s 软件对l y l 2 滚压过程进行有限元分析，探索滚压参数如：加力大小、 滚压速度，滚压时间等对铝合金表面塑性变形的影响。 0 对滚压过程进行了参数化建模，使之适应不同的材料的模型尺寸的变化，提高 效率。 1 5 、本章小结 本章介绍了利用滚压技术进行铝合金表面研究的意义和前景，论述了制备 超细晶材料的方法，并在其中着重论述了s p d 技术的优势，以及滚压技术的定 义、特点以及应用范围，最后阐述国内外的研究进展和方向，以及本文的工作 重心。 3 广西大掌司睦掌位链! 文 薄正参量母铝合金表面性状影响的研究 第二章滚压简易试验研究 2 1 引言 通过自制的简易滚压装置，在牛头刨床上实现对铝合金板材的滚压，初步探 讨铝合金表面的变形情况，了解力、滚压速度、滚压次数( 时问) 对铝合金表面 性状的影响如硬度变化、晶粒尺寸变化等。 2 2 自制简易滚压装置设计 2 2 1 装置要求 压力能在一定范围内调节并且可以测出，有足够的强度，拆装方便。 2 - 2 2 设计思想 受金城j c l 2 5 2 b 型摩托车后减振器设计原理的启发，借助牛头刨床的反复运 动功能，采用辊轮实现滚动，用弹簧压下量的不同来调节并测出滚压力的大小， 同时考虑简易滚压装置应便于拆卸，以便能多次利用。 按照上述设计思想，简易滚压装置理论设计结构如图2 1 所示 图2 1 滚压辅助装置设计图 f i 9 2 1d e s i g n f i g o f e q u i p m e n t f o r r o l l e r 其中具体参量的确定如下： 图2 2 滚压辅助装置制造图 f i 9 2 2m a n u f a c t u r ef i go f e q u i p m e n tf o rm i l e r 4 ，智大掌日陆掌位论文 爿压参量列唱舌喧表面性状影响的研究 ( 1 ) 、力：力的测量通过弹簧的压下量来测定，f = k x a x ： ( 2 ) 、滚压速度；滚压速度可在刨床直接读取，通过每分钟反复循环次数表示； ( 3 ) 、滚压次数：通过秒表记录时间，然后乘以每分钟往返次数。 2 3 自制简易滚压装置的制造 实际结构见图2 2 。安装图形见图2 3 。 图2 3 安装图 f i 9 2 3t h ef i g u r eo ff i t t i n g 整个装置主要部件共分为：辊轮、辊轴、固定架、套筒、装夹柄、弹簧。辊 轮材料采用g c r l 5 轴承，弹簧材料为6 0 s i 2 m n ，其余部件采用4 5 # 钢，具体尺寸见 表2 1 表2 1 装置部件尺寸表 名称材料尺寸名称材料尺寸 辊轮外径5 2 m 套筒长度4 5 # 钢1 0 0 m 辊轮内径 6 c r l 52 6 m 套筒内径 2 0 m m 辊轮宽度1 5 咖 弹簧外径 1 9 6 m m 辊轴长度5 1 呻弹簧内径 6 0 s i 2 m n1 4 7 m m 固定架高度 4 5 # 钢7 0 m m 弹簧长度 1 0 8 m n 固定架宽度 5 2 r a m 装置高度 3 5 0 r a m 2 4 简易滚压实验方法 2 4 1 滚压试样尺寸 被滚压材料采用l y l 2 板状试样，尺寸为：1 6 n x1 3 m i n x6 1 8 r a m ，制作六个 试样，分别标号为号 ，1 可大学司l 士学位论文滚压参- 1 - 捌嘲舌喧裹置r 性械影响的研究 2 4 2 滚压试验参数的选择 ( 1 ) 压力( f ) ：试验中的力采用两个不同的力：f l 、f z 。由于考虑到简易装 置的弹簧对力的限制，以及牛头刨床本身的受力范围，不能承受太大竖直方向力， 故选择两个问隔最大的力，最大限度的体现力对表面变形的影响。 根据胡克定律f = k x a x ，测得当弹簧在f = 4 k g 的作用力下，压缩量瓴= ( 1 8 7 4 1 7 9 3 2 ) n u n = o 0 0 8 0 8 m ，得七= 去= 石i 4 石0 丽n 丽= 4 9 5 0 4 9 5 n m ，据此，选 择压力分别为：f l = k a x l - k x o 0 3 5 5 = 1 7 6 n 和f 2 = kx 血2 = k x o 0 4 7 6 6 - - - 2 3 6 n 。 ( 2 ) 时间( t ) ：在前几次的实验过程中，发现采用f 2 ，滚压速度为v l 的时候， 材料在第2 0 分钟的时候开始出现表面出现疲劳破坏的现象，而我们的滚压的原则 是以不能破坏表面为前提的，同时也为了能更加明显的得到时间这个参量对滚压 结果的影响，再加上与力的组数对应。所以时间t 采用两个时间，分别为t 1 ( 1 0 分钟) 、t 2 ( 2 0 分钟) ，时间用秒表记录。 ( 3 ) 滚压速度( v ) ：为测量方便，试验中采用每分钟牛头刨床刀架往返的次 数来间接表示出滚压平均速度大小。为在牛头刨床上调节出一个较小的滚压速度 v l 和一个较大的滚压速度v 2 ，手柄位置分别置于( a 、b i ) 和( a 、b 2 ) ，表示每 分钟刀架往返次数分别为4 0 次和6 0 次。 共进行6 组滚压试验，第一组，滚压2 个试样，其中滚压时间和滚压速度相同， 而力不同；第二组，滚压2 个试样，力和滚压速度相同，而滚压时间不同；第三 组，滚压2 个试样，力和滚压时间相同，而滚压速度不同。各试样滚压条件见表 2 2 。刨床为广西壮族自治区灵山机械厂生产的b 6 6 5 型牛头刨床。 表2 2 实验数组的确定 试样号试样材料滚压力( n )滚压时间t ( r a i n )辊轮往返次数( n r a i n ) 试样一 l y l 21 7 61 04 0 试样二“1 2 1 7 61 06 0 试样三 l y l 21 7 62 04 0 试样四 l y l 22 3 61 06 0 试样五 l y l 22 3 62 04 0 试样六 l y l 22 3 62 06 0 6 藏压毒量列唱舌噎表面性状影响的研究 2 4 3 滚压试验操作 滚压实验操作过程如下：、固定好试样在合适的高度；、将自制的滚压 装置安装在牛头刨床的刨刀位置，尽可能保证装置整体与地面垂直：、旋转牛 头刨床上的旋转装置，通过弹簧调节加载力；、选择好刨床刀架每分钟往返次 数，以及调整好刨床冲程到适当位置：、记录滚压时间、刀架每分钟往返次数 和滚压力大小等参数。 2 4 4 显微组织观察与显微硬度试验 在普通光学金相显微镜上对滚压后的l y l 2 试样进行金相显微镜观察，并分 别对、试样沿表面至心部进行显微硬度测试。显微硬度测试是在 h v s 一1 0 0 0 型数显显微硬度计上铡得，测量误差为6 5 ，试验力选取0 0 5 ( 5 0 9 ) ， 加在时间为1 0 s 。 2 5 实验结果与分析 2 5 1 金相变化 图2 4 吨9 分别为不同滚压条件下的l y l 2 表面金相显微组织照片。 图2 4 试样一金相 f i 9 2 4t h ea t l a so fp a r to n e f = 1 7 6 n ；n m i n = 4 0 ；t = - 1 0 m i n 图2 6 试样三金相 7 图2 5 试样二金相 f i 9 2 5t h ea t l a so fp a r tt w o f = 1 7 6 n ：n m i n 一6 0 1t = 1 0 m i n 图2 7 试样四金相 ，1 可j 4 陬士掌位荫愧尊l 匪参量对铝台噜裹置r 扫湫影响的研究 f i 9 2 6t h ea t l a so fp a r tt h r e e f = 1 7 6 n ：n r a i n = 4 0 ；t = 2 0 m i n 图2 8 试样五金相 f i 9 2 81 1 l ea t l a so fp a r tf i v e f = 2 3 6 n ；n m i n = 4 0 ：t - - 2 0 s i n 2 5 2 表层硬度变化 f i 9 2 7t h ea t l a so fp a r tf o u r f = 2 3 6 n ：n m i n = 5 0 ；仁1 0 i i l i n 图2 9 试样六金相 f i 9 2 9t h ea t l a so fp a r ts i x f - - - 2 3 6 n ；n m i n = 6 0 ：t - - 2 0 m i n 图2 1 0 - - 2 1 3 分别为、号试样的显微硬度测试结果。 图2 1 0 试样二硬度图 f i g u r e 2 1 0t h ef i g u r eo fr i g i d i t y f o rs a m p l et w o 图2 1 2 试样五硬度图 f i g u r e 2 1 2t h ef i g u r eo fr i g i d i t y f o rs a m o l ef i v e 8 图2 1 1 试样四硬度图 f ig l i x e 2 1 1t h ef i g u r eo fr i g i d i t y f o rs a m p l ef o u r 圈2 1 3 试样六硬度图 f i g u r e 2 1 3t h ef i g u r eo fr i g i d i t y f o rs p l es i x ，菌。大掌q | 士掌位论文 彝【压参量列楣舌喧表面性状影响的研究 2 ，5 3 结果分析 从图2 4 - 2 9 中已经能明显观察到，随力、时间、速度的增加，试样表面 晶粒发生了显著的细化现象。显微硬度测试表明，压力、时间、速度对表面层的 厚度有明显的影响，随着压力的增加，塑性变形层的厚度增加，速度和时间可使 表面硬度到最高值提高。硬度发生变化的原因是：同时在连续滚压的过程中，产 生的表面塑性变形造成金属表面金相组织的改变，金属表面产生了冷作硬化现 象，从而提高了零件的表面硬度，并有外而内硬度逐渐降低，直到基体时的硬度。 试验中由于结构的原因，辊轮可能没有和试样很好地真正实现面面接触，出 现了辊轮斜滚的现象，但依然表明，滚压对材料表面的显微组织和性能产生了重 要的影响。 2 6 结论 1 、滚压处理对铝合金的表面晶粒有显著的细化作用。l y l 2 在f = 2 3 6 n ， t = 2 0 m i n ，n r a i n = 6 0 的条件下，表面晶粒产生了明显的细化； 2 、滚压过程中，压力、速度、时问对金属材科表面的硬度均有影响。当滚 压条件为f = 2 3 6 n ，t = 2 0 m i n ，n m i n = 6 0 时，l y l 2 表层硬度值由原来的平均9 0 h v 提 高到1 2 0 h v 左右。 3 、滚压过程中，压力、速度、时间对表面变形层的厚度有很大的影响。当 滚压条件为f = 2 3 6 n ，t = 2 0 m i n ，n r a i n = 6 0 时，l y l 2 的变形层厚度大约为2 0 0 微米。 2 7 a t 章小结 本章进行了简易滚压装置的设计和制造，并利用此装置进行了简单的探讨 滚压参量对试样表面性能的影响，研究表明：滚压对表面晶粒有细化作用，能提 高材料表层硬度的大小。 说明：文中出现的“每分钟辊轮循环次数”的概念是为配合牛头刨床上的 速度表示方法而提出的，实际上它表示的仍然是个速度的概念，比如n m i n = 6 0 ， 就是表示每分钟辊轮反复循化的次数为6 0 ，当试样长度为ll o n m 也就是0 1l m 时，循环一次的长度也就为0 2 2 m ，所以对应的速度就是 0 2 2 m * 6 0 m i n = 1 3 2 m r a i n ，也就是：7 9 2 m h 。为便于理解，文中采用循环次数来 表示。 9 蔫【压参量对铝电蕾表面性状影响的研究 第三章材料力学性能实验和滚压过程力影响的 有限元分析 3 1 引言 这一章中将主要进行两个问题：首先，对l y l 2 进行常规的拉伸和压缩试验， 以测定l y l 2 的机械性能，为后面的有限元分析提供材料参数；然后，以第二章 试验为参照，对其滚压过程进行有限元分析，寻求力对材料表面屈服层厚度的影 响。 3 2 材料参数测定 3 2 i 拉伸试验 3 2 1 1 实验条件 试验设备：拉伸试验机：w d w 3 1 0 0 微控电子万能试验机； 拉伸速度：2 m m m i n ； 材料l y l 2 ，根据( g b t 1 0 1 2 8 - 1 9 9 8 金属室温拉伸试验方法规定制成三根 标准试样，试样标号分别为试样一、试样二、试样三。试样尺寸如表3 1 所示： 表3 1 拉伸试样尺寸数据表 名称尺寸咖名称尺寸哪材料 平行长度原始直径 l o 夹持部分长度 4 0l y l 2 倒角 4 夹持部分直径 1 8 实验次数 标距1 0 0总长度1 9 83 次 3 2 1 2 试验结果 t 十t 十 一- 。一十 ：一： ! f ； ； - ；，； ；o r + 一产f - i _ 一+ 十； 十 十j ：i ：+ z ：乏：i 一：i ：乏：i ：! 蔓j ：! ：乏童：乏：i 二之：篓 - f ，- 十+ p ； | i 4 - ， ：一rt 一t ，r r t - o ，- t j l o 李墨皇鬟素善=_孑一之中善-ll乏土：罩享鬣主：善乏者专毒乏专吉之量之j素 惑霉擞嚣fi- 毫量：；事!专辜乏：孑二m 誊毒毒蠹 享善毫毒毒善车零f ii 车乏事赢童 蓐毒者 毒l 匪参l - 列懵舌喧表面性状影响的研究 ( c ) ( d ) 图3 1 拉伸试样结果 f i 9 3 1t h er e s u l to fd r e ws a m p l e 图( a ) 、( b ) 、( c ) 分别为第试样一、二、三的拉伸应力一应变曲线其中图( d ) 为三次测量的平均结果。根据曲线经测量得出l y l 2 拉伸性能指标见表3 2 。 表3 2l y l 2 拉伸试验数据表 i 弹性模量g p a 屈服强度m p a抗拉强度m p a泊松比 平均结果 6 8 2 53 4 6 3 8 7 5o 3 3 3 2 2 压缩试验 3 2 2 1 实验条件 试验设备：w d w 3 1 0 0 微控电子万能试验机；压缩速度：3 r a m r a i n ； 选择同拉伸试样相同的材料，依照( g b t7 3 1 4 - 2 0 0 5 金属材料室温压缩试 验方法制成三根标准试样，试样尺寸见表3 3 表3 3 压缩试样尺寸表 i 直径m m高度l l h长度直径比材料次数 i 试样尺寸相同1 53 4 52 3l y l 23 次 因为在w d w 3 1 0 0 微控电子万能试验机上无法实现直接记录应力一应变曲 线，所以采用如下方法进行测试和结果处理： ( 1 ) 、用w d w 3 1 0 0 微控电子万能试验机中的力传感器测应力； ( 2 ) 、用应变片测试样的应变； ( 3 ) 、应变测量和应力测量同时进行，然后依据时间相同点求得对应的应力应 变，为减少实验误差，需要如下处理： 、需要在一段较正确( 标准是弹性区域应力应变曲线为直线或接近是直线) 蔫u e 参_ 量列嚼舌喧表面性状影响的研究 的线段内，取得多个点，然后去平均值的方法来确定弹性模量； 、用两个应变片的平均值作为一次实验的结果； 3 2 ，2 2 试验结果 ( a )第一次应力时闯曲线 b ) 应变片一弹性区应力应变曲线 ( c ) 应变片二应力应变曲线 ， ( d ) 试样一平均应力应变曲线 圈3 2 第一次实验结果 f i 9 3 2t h er e s u l to f t e s to n e 应力数据采集过程：由上图可知，在1 4 0 秒以后的数据，园己克服实验在起 始阶段由于试样的滑动而造成的影响，所以数据从此后开始采集，到2 2 0 s 的时 间段内线段接近直线，所以弹性阶段数据从1 4 0 s - - 2 2 0 s 的时间取得，间隔为1 0 s ， 共9 组。在接下来采集数据时都按照上述的原则，以便能保证数据更接近理论值。 应变数据采集过程：因为数据采集是同步的，所以在通过应变片采集的数据 中，也按照时间从：1 4 0 s - 2 2 0 s 内的对应数值取得，间隔为1 0 s ，共9 组。 一个试验有两组数据，也就是通过贴在两侧的应变片产生，分别计算，取其 平均值就可以得到实验的平均数据。 最后将时间应力、时间应交曲线耦合既可得到应力应变曲线。 广西大擘q 炙士掌位论文 滚压参4 1 删唱辔奎表面性状曩；响的研究 试样二、试样三算法同上。 ( a ) 第二次应力时间曲线( b ) 应交片一弹性区应力应变曲线 ( c ) 应变片二弹性区应力应变曲线 ( d ) 试样二弹性区平均应力应变曲线 图3 = 3 第二次实验结果 f i 9 3 3t h er e s u l to f t e s tt w o ( a )第三次应力时闻曲线( b ) 应变片一弹性区应力应变曲线 1 3 ，西大掌司n b 掌位论文液压参量列儡电瞳表面性状重；响的司 宅 ( c ) 应变片二弹性区应力应变曲线( d )试样二弹性区平均应力应变曲线 图3 4 三次实验结果 f i 9 3 4t h er e s u l to f f m ：et e s t s ( 1 ) 、屈服强度 压缩试样三次测量的平均结果为：3 4 1 7 m p a ，而拉伸结果为；3 4 6 m p a ，两者 接近，符合同种材料情况下拉伸、压缩曲线在弹性区的屈服强度、弹性模量接近 的原则。试验中通过试验机器自身传感器记录的3 次应力结果很接近( 具体数值 见表3 3 ) ，而通过应变片测量的应变差别较大，这主要是试验方法造成的误差。 表3 , 4l y l 2 压缩屈服强度和应变数据表 第一次第二次第三次平均值 屈服强度 3 4 2 口a3 4 3 m p a3 4 0 m p a3 4 1 7 i p a 应交 - 4 2 3 l + l o 63 8 8 2 * l o “石- 6 8 7 6 5 1 0 “_ 6- 4 9 9 7 5 l o 6 ( 2 ) 、极限强度 极限强度的测量取得为：试样经过压缩以后，出现严重塑性变形，试样表面 出现细微裂纹，试样整体弯曲，应变量达到1 4 ，且材料应力时问曲线已出现 随时问延长应力下降现象，所以极限强度取应力最高点，三次结果接近( 表3 4 ) 。 表3 5 极限强度数据表 第一次第二次第三次第四次平均值 极限强度4 4 5 胁4 8 5 m p a4 8 5 m p a 4 4 0 m p a 4 6 3 7 5 m p a 变形量 4 0 0 n u n5 2 5 m m5 5 m m3 5 m m4 5 6 2 5 r n m 试件总长 3 4 5 m m3 4 5 m m3 4 5 m m3 4 5 m m3 4 5 m m 应变 o 1 1 6o 1 5 20 1 5 9o 1 0 l0 1 3 2 综合以上结果，l y l 2 压缩实验数据见表3 6 。 1 4 ，冒大掌司p 士掌位论文 _ 蓉e 压罩l 量对餐；舌喧表面性状影响的研究 表3 6l y l 2 压缩试验数据表 l 弹性模量g p a屈服强度船a 极限强度醋p a泊松比 i 平均结果 6 8 4 2 3 4 1 74 6 3 7 5o 3 3 通过拉伸、压缩试验表明：同种材料的拉伸、压缩状态下的应力应变曲线基 本相同，拉、压屈服强度相差不大，但压缩状态下的极限强度要大于拉伸状态下 极限强度，这是试验结果，具体两者大小关系与材料、试验条件和试验精度有关。 具体材料拉、压应力应变曲线见图3 5 、图3 6 图3 5 拉伸应力应变曲线图3 6 压缩应力应变曲线 f i 9 3 5t h ec u eo f s 订妫ss t r a i n 断d r a u g h tf i 9 3 6 t h ec u mo f s t r e s s $ 1 - a i nf b fc o m p r e s s 3 3 滚压过程力对材料变形影响的有限元分析 3 3 1 模型的简化和单元选择 3 3 。1 1 模型的简化 滚压运动是辊轮借助牛头刨床的直线反复运动功能，在一定力的作用下，对 试样表面进行反复滚压的过程。 针对试样滚压表面上的点而言，受力过程是：是在一定周期的作用力下反复 加载的过程，故在此将运动学问题简化为静态问题分析。相应的动态的滚压速度 也就用静力分析中的加载频率来表示。具体模型见图2 3 由于弹簧提供的力有限，为更大范围内利用这个装置，还考虑使用一个宽度 为l 咖，内径等于轴承外径的轴承套安装在轴承上，以使表面能够获得更大应力， 鉴于这个分析的思考，所以设想是否能用二维平面问题来代替三维体问题进行分 析，以便有效提高计算效率，下面参考李晓霞主编的a n s y s 7 o 高级应用教程 【1 的实例( 第4 1 8 页) 进行这个方向的探讨，模型见图3 1 0 ，具体参数见表3 6 。 滚压参 列铝蕾喧表面性桄影响的研究 图3 7 单元图 f i 9 3 7t h ef i g u r eo fc e l l 表3 7 三维单元和二维单元的数据对比 接触单元结构单元最大应力最大应变压下量接触带宽度力n 二维c o n 4 8p ia n e 4 21 5 3 6 胁0 0 5 2 6 8 8o 4 2 4 31 1 6 0 9 2 9 1 4 1 6 0 0 三维c o n 4 9s o l i d 4 51 5 3 3 m a0 0 5 2 6 3 40 4 2 0 71 1 6 0 9 2 9 1 41 6 0 0 由以上分析可知，两者计算结果很接近，说明采用适当的简化可采用面分析 来代替体分析，以便减少计算时问，提高效率。二维三维比较命令流见：附录一。 当然这个问题采用平面应力问题处理更准确。因为平面问题主要分为平面应 力问题和平面应变问题，而平面应力问题主要用于处理z ( 或厚度方向) 方向长度 相对较大以致可以忽略这个方向上的应变考虑，所以一般用于分析如隧道等问 题；而平面应力问题主要用于分析( 厚度方向上) z 方向长度相对较小，可以忽略 这个方向上的应力，可知，本模型简化为平面应力问题显得更加准确 1 2 - x 3 1 图3 8 模型简化图 f i 9 3 8t h ep r e d i g e s t e df i g u r eo fm o d e l 1 6 ，百大摩h 触掌位论文蒗压参量对铝舌喧裹菌r 性状影响的研究 3 3 i 2 单元选择 在l n s y s 中处理平面应力问题，结构单元一般选择p l a n e 4 2 和p l a n e 8 2 单元， 两者同属二维结构单元，其中p l , 孙i e 8 2 是p l a n e 4 2 的高阶形式，该元素由8 个节 点定义，8 节点元素具有位移协调形状，使用与模拟曲边问题，能承受不规则单 元形状而不会产生精度上的损失，综合以上考虑，选择p l a n e 8 2 单元进行分析。 一般二维接触问题，主要考虑：二维点对面接触单元c 0 卜m 坨4 8 和面对面 接触对c o n t a c l 7 2 和t a r g e t l 6 9 ( c o n t a c l 7 1 是c o n t a c l 7 2 的低阶形式， 用的少) ，而这两者中后者使用更广泛，因为点面接触问题，容易造成接触点应 力过大，此外，随力的加载，点面接触不能正确反应两个元素的接触情况，所以 模型简化为平面应力问题；结构单元为：p l a n e 8 2 ；接触单元选择：c o n t a c l 7 2 3 3 2 材科模型的选择 在a n s y s 的帮助文件中，有以下四种模型可用于处理大应变分析和金属塑性 行为，下面分别利用速四种材料模型进行分析，以选择最合适的材料模型。 命令流见附录二，载荷均为3 0 6 n n 加，接触单元均为c o n t a c l 7 2 ，网格划分 粗细相同，比较结果详见表3 8 表3 8各种材料模型的对比i b i s ob m i s 0 d 心 最大接触应力 4 2 3 0 84 2 3 0 9 94 2 5 4 1 84 2 5 6 9 3 最大节点应力3 6 5 2 4 53 6 5 2 5 23 6 7 7 9 73 6 7 8 4 1 最大残余应力 8 5 2 5 48 5 2 3 98 4 7 1 79 7 2 2 5 最大塑性应变 o 0 2 4 9 l lo 0 2 4 9 3 4o 0 2 4 5 l lo 0 2 3 5 2 3 从数据上来看，m i s o 、m k i n 模拟的数据更靠近理论计算值的计算结果： 4 6 3 m p a ( 采用h e x z 校核，正好为加载3 0 6 n 时辊轮承受的理论接触应力。详解见 附录七) ，相比较而言，m k i n 又更靠近计算值，虽然相差很小。同时由于考虑 到m i s o 被用于非周期的加载历史，m k i n 可用于模拟循环加载作用下的金属塑 性行为，符合本模型分析要求。 3 3 3 分析条件 材料模型：m k 玳；单元网格：o 1 m m 格；接触单元：c o n t a c l 7 2 ；目标单元： 矸g e l 6 9 ；接触方式：e s u r f 自动接触方式。 1 7 舅e 压蕾l 量冀r 铝舌喧襄面性状影响的研究 试样屈服强度：3 4 1 7 m p a ；极限强度：4 6 3 m p a ；泊松比：o 3 3 ：弹性模量：6 8 4 2 0 m p a ； 试样材料：l y l 2 ：辊轮屈服强度：9 7 9 9 m p a ；极限强度：1 3 2 0 m p a ；泊松比：0 3 ； 弹性模量：2 0 7 0 0 0 i v l p a ；辊轮材料：c r l 5 3 3 4 建立模型 ，相对于对称轧制，非对称异步轧制可使材料具有更大的应力， 从而使轧件的表面产生更大的塑性变形，所以滚压设备的设计最好采 用不等径的滚轮对滚方式。 5 6 本章小结 本章主要运用a n s y s 软件，分析了对称轧制和非对称轧制情况下，轧件的应 力水平，异步轧制和同步轧制情况下轧件的应力水平，初步分析表明；同等条件 下非对称轧制和异步轧制情况下的轧件应力水平，有要高于对称轧制和同步轧制 情况下轧件的应力水平的趋势。 广西大掣i 硬士掌位论文 滚压参量列噶舌喧表面性状影响的研究 第六章基于a n s y s 的简易滚压分析系统 6 1 引言 为了方便对上凡章的内容进行参数化设计以便适合不同材料模型的需要，可 大大提高效率，在这一章节中主要利用a n s y s 提供的u i d l 【2 9 侧和a p d l 语言 进行界面和模型的参数化设计，以便可以在a n s y s 的界面中，直接修改所要变 化的部分并进行求解。 为达到能在a n s y s 界面中增加一个专门的模块，需要以下几个步骤来完成。 6 2 创建工作目录文件 在利用u i d l 进行界面设计和a p d l 进行参数化设计之前，需要创建一个工 作路径，以便a n s y s 能够识别。 、创建路径，如：f ：g u n y a 、修改a n s y s 工作路径，如下图： 图6 1t 作路径定义 f i 9 6 1d e f i n e dw o r k i i l gr o u t e 、拷贝s y s 安装路径下的： c ：p r o g r a mf i l e s a n s y si n c v 9 0 a n s y s g u i e n - u s u i d l 的所有文 件，并将其中文件名为：m e n u l i s t 9 0 中的四个路径都改为：f ：g u n y a ，这样在 运行a n s y s 时才能从修改过的路径中调取数据，否则默认直接从原来的路径下 读取数据了，也就是： c ：p r o g r 锄f i l e s a n s y si n c v g o a n s y s g u i e n u s u i d l u i _ 蜊u g r n c ：p