（材料加工工程专业论文）带有锥台及沟槽钢芯温楔横轧成形分析.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 随着工业的飞速发展，回转体零件需求的数量和质量被提出更高的要求。为 了提高经济效益和节约材料，人们近几十年来一直在探索这类产品的新方法、新 工艺，因此楔横轧工艺在国内外引起了广泛的关注。楔横轧技术具有生产效率高 的特点，其效率要远远高于一般的机加工，并且生产出来的产品也具有很高的精 度。 本课题采用楔横轧工艺用温轧来轧制钢芯，研究其成形的工艺方案。根据零 件的成形特点，采用u g 软件设计不同轧制方式及不同工艺参数需要的模具，采用 d e f o r m 软件模拟成形过程，分析模拟结果。通过实验调节模具，最终轧制出合格 的钢芯产品。通过观察产品内部金相组织寻找裂纹产生位置。研究结果表明： 1 模具展宽角为6 。，成形角为1 3 7 。，轧制温度采用6 5 0 温轧，能够获 得形状符合要求，尺寸精度及表面质量较高的钢芯产品。但轧件内部可能会产生 裂纹。 、 2 钢芯等效应力及等效应变分布规律是轧件与模具接触处等效应力、等效应 变值最大，越接近模具其等效应力、等效应变值越大，离模具接触越远，等效应 力、等效应变值越小。并且等效应力、等效应变呈中心对称分布。 3 轧件在每个阶段心部流动的速度最小，越是远离轧件心部，其速度越大， 越是接近心部，其速度也就越小。 4 经过调整和修正后的模具，轧制出外形尺寸基本合格的样件。7 5 0 、6 5 0 下轧制出的轧件表面光泽，没有氧化，表面质量较好，尺寸精度较高。 5 通过对钢芯内部裂纹的检测，发现7 5 0 轧制出的轧件内部存在严重的裂 纹，6 5 0 轧制出的轧件只在钢芯大弧形体前端中心部位出现裂纹。 6 通过数值模拟及实验充分证明了楔横轧工艺能够一次成形钢芯三个关键 部位，其生产效率远远高于一般机加工，适合大规模生产。 关键词：楔横轧；钢芯；温轧；工艺参数 沈堕堡三奎堂堡主堂垡笙壅 一 a b s t r a c t w i t hm er a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s 时，h i g h e rr e q u e s to ft h eq u 趾t 时a n dq u a l i t y o fm t a t i o n a lp a r t s 、v e r ep u tf o 州a r d i no r d e rt oi m p r o v em e e c o n o m i cb e n e f i ta n ds a v e m a t e r i a l s ，p e o p l ei nr e c e n td e c a d e sh a db e e ne x p l o r i n gt h en e wm e t h o d sa i l d n e w p r o c e s so ft h i sk i n do fp r o d u c t ，s oc r o s sw e d g er o l l i n gp r o c e s sh a d c a u s e d 埘d e 袱e n t i o ni n 1 ed o m e s t i ca n df o r e i g n c r o s sw e d g er 0 1 l i n gt e c l l i l o l o g yh a d t h e c h a r a c t e r i s t i c so f h i 曲p r o d u c t i o ne m c i e n c y i t se m c i e n c yw a sm u c hh i 曲e rt h a nt h e g e n e r a lm a c h i n i n ga 1 1 dt h ep r o d u c ta l s oh a dah i g hp r e c i s i o n c r o s sw e d g er 0 1 l i n gp r o c e s sw a su s e dt or o us t e e lc o r ew i m w a n i lr o l l i n g ，t os t u d y t h ef o m i n gp r o c e s ss c h e m ei nt h i ss u 切e c t a c c o r d i n gt ot h ep a r tf o m i n gc h a r a c t e r i s t i c s ， u gs o r w a r ew a su s e dt od e s i g nm o l d sf o rd i a e r e n tr o l l i n g 、v a ya n dp r o c e s sp a r a m e t e r s ， a n dd e f o 衄s o r w a r ew a su s e dt os i m u l a t ef o r m i n gp r o c e s s t oa n a l y s es i m u l a t i o nr e s u l t s f i n a l l yq u a l i f i e ds t e e l c o r ep r o d u c t sw e r er o l l e db y e x p e r i m e n t a u ya d j u s t i n g m e m 0 1 d t h ep o s i t i o no ft h ec r a c kw 2 l sf o u n db yo b s e r v e i n gm i c r o s t m c t l l r eo f m e p r o d u c t t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ： 1 t h es t e e lc o r ep r o d u c tw h o s es h 印em e tm er e q u i r e m e n t ，a i l dd i m e n s i o n a l p r e c i s i o n ，s u r f a c eq u a l i t yw a sm g h e r c a j lb eo b t a i n e db u tt h ec r a c km a yb ep r o d u c e di n t h er o l l e dp i e c ei ft h es t r e t c h i n ga n 9 1 ew a s6 。，t 1 1 ef o m l i n ga 1 1 9 l ew a l s 1 3 7 。a 1 1 dt h e t e m p e r a l 眦ew a s6 5 0 2 e q u i v a l e n ts t r e s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t i o nl a wo f s t e e lc o r ew a st h a te q u i v a l e n t g t r e s sa i l ds t r a i nm a ) 【i m 眦w a sl o c a t e di nt h ep o s i t i o no ft h er o l l e dp i e c ea n dt h em 0 1 d c o n t a c ta 1 1 dt h ed i s t a n c eo ft h em o l dw a sc l o s e r ，t h ev a l u eo fe q u i v a l e n ts t r e s sa n ds t r a j n w a sl a r g e ra 工1 dm ed i s t a j l c eo ft h em o l dw a sf i a r t h e r ，t h ev a l u eo fe q u i v a l e n ts t r e s sa 1 1 d s t r a i nw a ss m a l l e ra n de q u i v a l e n ts t r e s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t i o nw a sc e n t r o s y m m e t n c 3 e v e 巧s t a g e ，t h en o wv e l o c i t yi n s i d et h em l l e dp i e c ec e n t e rw a sm i i l i m u m t h e d i s t a l l c eo fr 0 1 l e dp i e c ec e n t e rw a sf a r t h e r ，t h ev e l o c i t yw a sl a r g e ra n d 也ed i s t a j l c eo f r o l l e dp l e c ec e n t e rw a sc l o s e r ，t h ev e l o c i t yw a ss m a l l e r 4 a r e r 删u s 仃n e n ta n dc o 玎e c t i o n ，t 1 1 em o l dc a i lb eu s e dt or o l l s 锄p i ep i e c e w h i c ho v e r a j ld i m e n s i o nw a sb a s i cq u a l i f i e d a t7 5 0 a n d6 5 0 ，m es u 墒c eo f r o l l e d p l e c el u s t e r e da 1 1 dh a dn oo x i d es c a l e t h es u r f 砧eq u a i i t yw a s g o o da i l dt h ed i m e n s i o n a l p r e c i s i o nw a s1 l i g h 5 s e r i o u sc r a c k so f 恤m l l e d p i e c ei i u l e r 、e r ef o d n da t7 5 0 a j l dac r a c ko f r o l l e dp i e c ei i l n e r 砌c h 、糯l o c a t e di nt l l ec e n t e ro f l 鹕ea r cb o d y 舶n t e n dp a nw a s f b u l l da t6 5 0 b y d e t e c t i n gt l l ec r a c ko fs t e e lc o r ei i m e r 6 i tw e r ep r o v e d 如l l yt h a tc r o s sw e d g e r o l l i n gt e c 王u l i q u ec a l lf o mm et h r e ek e v p a n so 士as t e e lc o r eo n c e n sp r o d u c t i o n e m c i e n c yw a s 嘶h i 曲e rm a ng e n e r a l m a c h 咖n g s ，s oc r o s sw e d g er o l l i n gt e c l l l l i q u ew a ss u i 诎l ef o rl a r g e s c a l ep r o d u c t i o n k e yw o r d s ：c r o s sw e d g er o l l i i 培； s t e e lc o r e ；w 锄r o u ； p r o c e s sp a r a m e t e r s 第1 章绪论 1 1 楔横轧发展概况 1 1 1 国外发展简介 第1 章绪论 楔横轧的基本原理最早出现在1 8 8 5 年德国，这种工艺新思想由于当时落后的 生产水平和技术水平而没有实现。 楔横轧投入工业生产有这样几个阶劂1 】： l 、2 0 世纪6 0 年代初期，原捷克首先将辊式楔横轧技术应用于工业生产，产 品主要是五金工具坯、小型汽车零件，自此，世界上出现了楔横轧成形轴类零件 的新方法； 2 、2 0 世纪6 0 年代末期，原东德将板式楔横轧研究成功并投入工业生产，其 产品包括大型汽车零件； 3 、原苏联除了辊式、板式楔横轧外，还研究出单弧式楔横轧机，生产产品包 括汽车、拖拉机、电机及煤炭机械上的零件【2 】。 图1 1 国外部分楔横轧产品 f i g 1 1p a r t so ff o r e i g nc r o s sw e d g er o l l i n gp r o d u c t 瓣锻百 沈阳理工大学硕士学位论文 1 1 2 国内发展简介 我国在楔横轧上起步不晚，早在五十年代，我国就开始楔横轧的探讨与实验 工作。从1 9 6 3 年起，重庆大学等进行楔横轧汽车球销的研究工作，到1 9 7 0 年获 得初步成功，楔横轧与原生产工艺比无论效率与材料利用率都有较大的提高，但 由于某些原因未能用于生产。原东北工学院与沈阳轧钢厂采用三辊楔横轧制火车d 轴，在实验轧机上获得成功。上海锻压机床三厂之后还建立了鲤鱼钳的生产线， 在我国首次将楔横轧技术大量用于生产，收到较好的技术经济效果。该工艺与原 气锤锻造工艺比较不仅产品质量好生产效率高，而且工人劳动条件也有很大的改 善【2 】。七十年代末期开始，北京科技大学开始楔横轧技术方面的研究，首先将楔横 轧技术投入工业实际生产。随后与第二汽车厂合作，生产出汽车轴类件。在国家 科工委，冶金部的指导下，北京科技大学先后建立了“高效轧制国家工程中心”， 并将楔横轧技术在全国推广并建立了4 0 多条生产线。1 9 8 5 1 9 9 6 年期间，北京科 技大学在楔横轧技术的研究开发与推广上取得突破性进展，包括在北京上海四川 山东湖北等1 0 多个省市推广生产线4 0 多条，开发并投产的的零件1 4 0 多种，累 计生产零件2 0 0 0 多件，总重量2 0 多万吨，经济效益十分显著【3 1 。1 9 9 6 2 0 0 3 年 期间，北京科技大学的楔横轧技术在研究开发与推广上又取得重大进展，总计在 全国推广轧制生产线8 0 多条，并出口美国等国3 条，开发投产的零件总数近3 0 0 种，总重量8 0 万吨。不仅在国内保持领先水平，而且在轧制零件的品种复杂程度 与精度等方面处于世界先进甚至领先地位 4 】。如图1 2 和图1 3 是我国生产的轴类 轧件图。 图1 2 我国生产的楔横轧拖拉机零件 f i g 1 2c r o s sw e d g er o l l i n g 仃a c t o rp a n sm a d ei nc h i n a 图1 3 我国楔横轧产品 f i g 1 3c r o s sw e d g er o l l i n gp r o d u c t s m a d ei nc h i n a 第1 章绪论 1 1 3 楔横轧分类 楔横轧根据设备不同可以分为三类： l 单弧式楔横轧 一个楔形模装在旋转的内辊外表面上，另一个楔形模装在固定的外辊内表面， 坯料在两个模块间旋转并产生变形。圆弧式楔横轧轧件精度较低，多用于制坯， 与模锻设备组成生产线。 2 辊式楔横轧 装有圆弧形楔形模具的两个辊子作同向旋转，被轧坯料在轧辊中间受压旋转 并产生塑性变形。根据辊子数目不同，楔横轧可以分为两辊式和三辊式。辊式楔 横轧生产率高，易于实现自动化，应用较多。 3 板式楔横轧 板式楔横轧类似搓丝，是利用两个直线相对运动的平面楔形模轧入毛坯，使 之旋转并沿模具的型面作相应的减径和伸长。该法模具制造简单，调整容易，轧 件精度高，但是模具较长有空行程，生产率较高。 三种典型的楔横轧设备【5 】如图1 4 示： 摩：飞 黔 j q 群 弹瑙。 0) a i c a 单弧式楔横轧b 双辊式楔横轧c 两板式楔横轧 图1 4 三种典型的楔横轧设备 f i g 1 4t 1 1 r e e 帅i c a lc r o s sw e d g er o l l i n ge q u i p m e n t 沈阳理工大学硕士学位论文 1 1 4 楔横轧优势 1 楔横轧使金属连续逐步的延伸，每个瞬时模具仅与变形金属的一部分接触， 因此所需变形力小，模具寿命高，一般模具寿命可达到1 0 2 0 万件； 2 节约金属，生产效率高，成本低，楔横轧可以直接得到成品零件，实现少 或是无切削加工，因此材料利用率可达8 0 9 8 ，生产效率可以提高四倍左右； 3 产品精度高，质量好，径向尺寸公差一般为0 2 0 5 m m ，长度公差0 。3 1 m m ， 冷轧具有更高的精度，金属纤维方向与外形相符，变形时金属外层硬化，其疲劳 强度和耐磨性提高； 4 劳动条件好，无冲击振动和噪声，易于实现自动化和机械化生产，满足机 械化大生产的要求。 1 1 5 楔横轧技术目前研究的成果 楔横轧技术目前已经非常成熟，国内很多学者对楔横轧的发展做出了大量的 贡献。胡正寰，张康生，王宝雨等教授先后出了很多关于楔横轧方面的书籍。冯 建春，胡正寰确定出楔横轧工艺参数的模糊推理方法【6 1 ，而后又对楔横轧模具智能 c a d 做出了研刭7 1 。王景梁，徐春国，任广升在同一年对楔横轧成形螺旋面表达 式进行了研究 8 】。白志斌等在同一年对楔横轧变形区前沿变形程度做出了研究【9 】。 1 9 9 9 年，他们对楔横轧成形直角台阶精确截齐曲线的计算做了研究【1 0 1 。2 0 0 0 年， 张康生等人对楔横轧空心件壁厚变化规律做了实验研究【1 1 】。2 0 0 1 年，刘晋平等人 对辊式楔横轧楔入轧件进行了几何分析【12 1 。2 0 0 2 年，马振海等人对楔横轧轧件端 头凹心影响因素做了研究【1 3 】。同一年，他们又对楔横轧展宽段的变形特征与应力 应变做了分析【1 4 】。同一年，杨宏青等人对楔横轧模具c a d c a p p 集成化信息模型 进行了研究【1 5 】。然后他们又对楔横轧模具数控编程系统进行了研究【1 6 】。2 0 0 3 年。 束学道，胡正寰对楔横轧机滚动轴承载荷特性边界元法解析做出了研究【1 7 】。同一 年，他们又对工艺参数对楔横轧特大型轧件内部应力影响做出了分析【1 8 】。然后他 们又对大型楔横轧机轧制力和轧制力矩有限元算法进行了研列1 9 】。一年后，他们 第1 章绪论 又研究了大型楔横轧机刚度边界元有限元耦合法计算【2 0 】。同一年，刘桂华等人 对楔横轧变形过程中内部空心缺陷产生机理进行了模拟研究【2 l l 。2 0 0 6 年，熊毅， 傅万堂等人对高碳钢棒件温楔横轧成形过程的有限元数值模拟进行了研究【2 2 1 。 2 0 0 9 年，胡福生，王宝雨，胡正寰对凸轮轴楔横轧成形仿真与应力应变进行了分 析【2 ”。同一年，刘桂华，徐春国，任广升对楔横轧变形过程中轧件内部金属流动 的规律进行了研剜2 4 1 。2 0 1 0 年，贾震，张康生，汤先岗，胡正寰对楔横轧展宽长 度对极限断面收缩率影响机理进行了分析【25 1 。正是这些教授、学者的辛勤努力才 换来了我国楔横轧技术不断地向前发展。 1 2 楔横轧的基本原理 设计中采用用辊式楔横轧，图1 5 为辊式楔横轧原理图 卜导板，2 一轧件，3 一轧辊孔型 图1 5 辊式楔横轧原理图 f i g 1 5r o l lt y p ec r o s sw e d g er o l l i n gs c h e m a t i cd i a g r 锄 辊式楔横轧原理很简单，如图1 5 所示。轧件处于轧辊与导板组成的空间内， 并且轧件与轧辊轴线在同一个平面内互相之间角度为零。当轧制开始后，上下两 个轧辊开始绕着各自的中心轴同方向转动，在摩擦力作用下轧件被迫反方向转动， 同时在导板的束缚下轧件不能左右窜动，而随着轧辊楔形不断地向前转动，经过成 形、精整、切断轧制出各种形状和尺寸的轧件【2 6 】。 沈阳理工大学硕士学位论文 1 3 楔横轧的特点 楔横轧有以下两个特点：两个轧辊轴心线平行，其旋转方向相同；轧件作平行 于轧辊轴心线并与轧辊旋转方向相反的旋转运动，进出料需要专门的装置。 1 4 轧辊与轧件的圆周速度 图1 6 为典型楔横轧轧制的两个视图。轧辊以逆时针主动旋转，带动轧件顺时 针旋转。 轧辊上任意一点的圆周速度v 为 。尺= 鲁 ( 1 - 1 ) 式中国，z ，分别为轧辊的角速度与转速； r ，d 分别为轧辊上任意一点的半径与直径。 轧辊的圆周速度，如图2 2 所示，呈三角形o l b b 分布。 1 - 轧辊2 - 轧件 图1 6 楔横轧轧制主视图与侧视图 f 唔1 6 肺n tv i e wa n ds i d ev i e wo fc r o s sw e d g er o l l i n g 轧辊表面圆周速度最大值在楔顶b 处( 楔顶处) ，其速度圪为 圪堋耻警 ( 1 - 2 ) 式中：咒，仇分别为轧辊楔顶面( b 处) 的半径与直径。 第1 章绪论 为 轧辊表面圆周速度最小值在a 处( 指与轧件接触表囱中) ，具速度v a 为 圪一心= 警 ( 1 3 ) 式中：r 。，d 。分别为轧辊与轧件接触表面中最小半径与直径。 将轧件视为绝对刚体，当正常稳定轧制时，轧件上任意一点的圆周速度为 兀d 聆 = 2 r ：音 ( 1 - 4 ) 6 0 、7 式中咤，吃分别为轧件的角速度与转速； r ，d 分别为轧件上任意一点的半径与直径。 轧件的圆周速度，如图2 2 所示，呈三角形0 2 a 7 a 分布。 轧件表面圆周速度最大值在a 处，其速度睨为 呢吨屹= 警 ( 1 _ 5 ) 式中屹，d 。分别为轧件表面最大半径与直径( 即轧件的外径) 。 轧件表面圆周速度最小值在b 处( 指与轧辊接触表面中) ，其速度w b 呢吨= 鲁 ( 1 - 6 ) 式中：，d 。分别为轧件与轧辊楔顶面接触表面的半径与直径2 7 1 。 1 5 楔横轧的旋转条件 典型楔横轧展开图，表示在图1 7 上。图中p 为轧辊展开角，a 为轧辊的成形 角，d 。为轧件未轧前的原始直径，名为轧件轧后直径。 沈阳理工大学硕士学位论文 暑 l 满足楔横轧的旋转条件是指从i i 位置轧制到i i i i 位置中轧件无整体打滑， 即轧件以轧制直径农作无滑动的滚动( 故以又称作轧件的滚动直径) 。 其旋转条件是： 螂镱 m 7 ) 式中0 【成形角 p 展宽角 p 摩擦系数 文轧制直径( 滚动直径) 。 第1 、章绪论 1 6 课题创新及对实际生产的意义 图1 8 产品零件图 f i g 1 8p r o d u c tp i r td r a w i n g 某企业生产零件如图1 8 示： 产品生产要求：1 生产批量巨大 2 表面质量要求极高 3 生产要求节能环保，无污染 产品机加工生产需采用5 道工序：1 圆棒料剪切下料； 2 采用磨床，将坯料打磨； 3 加工钢芯尾部锥台并平整端面； 4 加工钢芯腰部沟槽； 5 加工钢芯前端大弧形体部分 传统的成形工艺具有工序多、专用设备多、生产效率低、每分钟仅3 件，成 形精度不高等缺点，这样不利于大批量生产。因此，有必要对该零件进行成形工 艺改进。采用楔横轧进行加工生产。 楔横轧工艺是上世纪6 0 年代发展起来的新的塑性成形工艺，楔横轧生产率及 合格率较高，具有工序少、生产效率高，成形精度高等技术优势【2 8 】一【2 9 1 。因此本课 题采用楔横轧对该零件进行工业生产。 0 沈阳理工大学硕士学位论文 1 7 课题的主要研究内容 本课题主要研究内容是将钢芯的尾部锥台、腰部沟槽、前端大弧形体三部分 采用楔横轧技术一次成形出来，具体工作包括以下几个方面： 1 工件的成形方案设计； 2 钢芯楔横轧工艺参数分析及轧制模具设计； 3 钢芯的成形过程数值模拟，优化工艺参数及模具结构； 4 制品楔横轧实验研究。 1 8 本章小结 本章介绍了楔横轧的基本原理，特点，以及轧辊与轧件的圆周速度，介绍了 楔横轧的旋转条件。阐述出本课题创新之处及对实际生产的意义，确定出课题主 要研究内容。 第2 章成形方案及轧辊模具设计 第2 章成形方案及轧辊模具设计 2 1 工件特征分析 工件尺寸如图2 1 所示： 图2 1 产品零件图 f i g 2 1p r o d u c tp a r td r a w i n g 图2 2 ：工件理想成形效果图 f i g 2 2f o 咖i n ge 位c td r a w i n go fi d e a lw o r k p i e c e 分析工件尺寸图上各个尺寸的公差、形位公差不难发现，该零件对尺寸要求 比较高，精度要求较高。 整个工件冷态时，其轴向长度不能超过4 9 4 脚聊，允许的轴向最小尺寸为 4 9 0 1 脚聊。冷态径向公称尺寸为1 0 8 8 聊聊，根据公差其径向最大为1 0 8 8 聊朋，最小 为1 0 8 3 所朋。 前端大弧形体是由圆弧直径是8 6 研m 的曲线组成，其轴向长度经计算约为 1 98 4 m m 沈阳理工大学硕士学位论文 尾部锥台是一个公称长度为9 5 垅聊，锥度是9 。的圆锥台，锥台端部直径经计 算得7 8 8 聊掰。 工件中部还有一个较小的腰部小沟槽，该弧的外圆半径是8 3 朋朋，其最大深 度精准值是o 2 l 聊m ，沟槽宽度经计算约为3 7 1 聊聊。 在尺寸图中可以看出工件尾部粗糙度要求是3 2 ，其他部位粗糙度没有该部分 高，只要求是1 2 5 就可以。 从上述分析中可以看出，该工件对尺寸要求较高，因此在成形过程中要尽力 地保证其精度。 2 2 轧制方案设计 2 2 1 轧制温度确定 常用的楔横轧方式有热轧和冷轧： 热轧，成形温度在再结晶温度以上的轧制称为热轧。热轧时材料塑性较好， 变形抗力低，轧制变形力小，对设备要求较低。但是由于热轧工件温度较高，存 在氧化皮从而影响零件的表面精度。 冷轧，成形温度在再结晶温度以下室温以上进行的轧制称为冷轧。冷轧成形 材料表面质量高，由于冷轧时材料塑性差，变形抗力大，存在加工硬化想象，对 设备轧制力要求较高【3 0 】。 从图2 1 中可以看出，该零件要求表面精度要求很高，采用热轧，虽然坯料变 形抗力降低并能够保证较好的塑性变形，但是由于较高温度容易使坯料产生表面 氧化，无法达到工件的表面质量和尺寸要求，热轧后必须通过机械加工保证产品 的精度。若采用冷轧，由于工件大弧形体变形程度巨大，在室温下坯料在变形过 程中变形抗力非常大，其塑性指标难以达到成形的要求，对设备的轧制力及刚度 要求极高。温轧是指金属在冷轧与热轧之间的温度范围内进行的加工变形。一般 温轧制品的表面光洁度和尺寸精确度比热轧的好，轧辊等变形工具的使用寿命要 比热轧的长，温轧时金属的变形抗力比冷轧低，能量消耗比冷轧时少，金属的塑 性一般要比冷轧时大【3 l 】。温轧不仅具有冷轧和热轧的某些特点，而且在加工中也 第2 章成形方案及轧辊模具设计 有自身的作用。在实践中采用温轧方式的目的主要有两个：一是改善金属材料的 加工性能；二是改善产品的使用性能。所以，采用温轧生产工艺能够实现优质、 高产、低消耗的目标【3 2 】。对设备的轧制力和刚度要求相对冷轧大为降低。因此， 温轧是理想的轧制方案。总之，温度对钢的塑性影响很大，温度越高，塑性越好， 变形抗力越低，易于成形加工，但是温度过高会使轧件产生氧化皮。 因此，坯料的加热温度的初步定在6 0 0 8 0 0 。 2 2 2轧制方式分析 1 单件轧制 该工件属于非对称零件，可以采用单件轧制的方法，即轧辊转动一圈仅生产 一个工件。但是单件轧制在工艺上、生产中都存在一定的问题。 首先，单件轧制过程中由于尸r 、只，、p 三个方向上的力不能完全对称，这样 就会使得轧件在孔型中来回窜动，不能保证工件稳定轧制成形； 其次，在实际生产中，单件轧制浪费金属且生产效率较低，这和企业大批量 生产的要求不符； 最后，通过成形过程模拟，虽然单件轧制可稳定地保证大端的锥度、中间凹弧 和零件的重量，但采用单轧轧制，产品会出现中空的现象，这是极其致命的缺陷， 经过分析发现单型腔模具轧制过程轴向存在非常严重的受力不平衡，在轴向力的 作用下致使轧件头部中心处的金属被迫脱离起初定位的位置而向尾部滑动，即产 生轴向的移动，而轧件头部的上下两端金属向中心处空缺位置流动，由于金属流 动的不均匀，从而导致上下两端的金属将中间位置处包住的现象，而无法形成尖 头的效果，从而出现了凹心，形成了局部空心【3 3 】，如图2 3 所示。 图2 3 单轧模拟图 f i g 2 3s i n g l ep a n sr 0 1 1 i n gs i m u l a t i n gg r a p h 1 3 沈阳理工大学硕士学位论文 一。 综上所述，采用单件轧制无论在轧制稳定性、工业生产上还是成形效果上， 都不能满足企业的各项要求，因此，本课题采用对称轧制成形该工件。 2 成对轧制 采用成对轧制就能克服单件轧制中的各种缺陷，主要问题是将轧辊加长，而 在实际的企业中是能满足的。采用对称轧制，轧辊转动一周成形两件零件，有效 的提高了生产效率。 采用对称轧制的主要问题是采用哪种方式进行工件排列，这不仅关系到成形 效果，同时也决定生产效率等问题。以下是对排列方式的比较选择。 对称轧制的两种排列方式，如图2 。4 所示。 ? 。 ab 图2 4 对称轧制两种排列方式 f i g 2 4t w 0a 玎m l g e m e n tm o d eo fs y m m e t 巧r o u i n g 第一种排列方式( a ) ，产品尾部相对在中间，轧制变形过程中变形部分主要 集中在工件的两端，支撑部分在中间，变形过程支撑稳定，不易产生工件径向偏 移，但是该方法必须从中间将两个工件切断，而且轧制到最后时，零件小端头部 接触不到导板，大部分轧件悬空，很容易失稳，不利于精度，同时存在小端头部 由于外部金属延展形成中空的缺陷。； 第二种排列方式( b ) ，产品头部相对在中间，这样有利于切刀将其切断，由 于小端头部直径较细，可以利用模具角在成形过程中形成轴向拉力，将工件从最 细部位拉断，不用采用切断；该种成型方式的支撑在两个工件的中部，不易使头 部失稳成形过程稳定。但是由于小端头部模具尺寸较大，会与导板产生干涉，必 须对导板进行重新设计。 因此，选择第二种方式排列。 第2 章成形方案及轧辊模具设计 2 3坯料尺寸计算 2 3 1 冷坯料的尺寸分析 根据零件的尺寸来确定坯料的尺寸。坯料的径向尺寸采用零件的最大直径，则 有 西= 91 0 8 8 聊脚；( 2 1 ) 根据u g 造型测量零件的体积是3 5 6 8 2 3m 聊3 ，那么对称轧制时候的坯料体积 k = 7 1 3 6 4 6 聊m 3 ；( 2 2 ) 由于坯料体积和直径已经确定，根据塑性成形的体积不变原理，可以得出坯 料长度厶= 7 6 7 6 m 聊；( 2 3 ) 2 3 2热坯料的尺寸计算 轧制采用温轧，坯料加热后的热坯料的尺寸： d 2 = d l k d 2 1 2 = 砭 式中 攻一热态毛坯的直径，垅m ； 吐一冷态毛坯的直径，聊m ； 径向热膨胀系数，= 1 0 0 9 1 0 1 3 ，本文取1 0 1 ； ，2 一热态毛坯的长度，肌聊； 一冷态毛坯的长度，优所； k 三一轴向热膨胀系数，k 上= 1 0 1 2 1 0 1 8 ，本文取1 0 1 5 。 这样算得热态坯料的尺寸： 直径 d 2 = ( p1 0 9 8 8 聊，7 z ； 长度 1 1 2 = 7 7 9 1 1 4 优脚 1 气 ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 沈阳理工大学硕士学位论文 2 4 轧制模具设计 楔横轧成形过程是轧件在两个装在同向旋转的轧辊上的楔形模具凸起的作用 下带动轧件旋转，使毛坯产生连续局部小变形，最终由不同的楔形模具轧制成形 状不同的楔横轧轧件。其变形主要是径向压缩和轴向延伸。其成型过程如图2 5 所 示，变形主要分为五个区段：楔入段、楔入平整段、展宽段、精整段及剪切段【3 4 】【3 5 】。 楔入段 楔入平整段 震宽段 精整及剪切段 l ：一蓬 l 萋 蓁 弓一 一 ：。 5 一 蓁 i 蓁 6 一 一 一5 6 图2 5 对称零件楔形模具展开图 f i g 2 5w e d g em o l du n f o l d e dd r ；l 、v i n go fs y m m e 仃i cp a r t s 1 楔入段1 2 ，楔入段模具的楔尖高度，按阿基米德螺线，从零增加到h 。楔 入段的主要作用是使实现轧件的咬入与旋转，并将轧件压成由浅到深的v 型槽。 楔顶高与r 的关系为庇= r + 6 ，其中6 为轧辊模具与轧件间的初始间隙，一般取 0 3 2 m m 。 楔入段得长度一般用下式计算 l l2 h c o t 0 【c o t p ( 2 8 ) 2 楔入平整段2 3 ，在模具设计中对轧制过程的稳定和产品质量并无太大的影 1 6 第2 章成形方案及轧辊模具设计 响，一般取消平整段不仅可以简化机械加工而且可以减少模具长度。平整段的主 要作用是将轧件在整周上全部轧成宽深一致的v 形槽，目的是为了改善展宽段开 始时的塑性变形。平整段的长度 三： 要d 。 ( 2 9 ) 一般取厶= 0 6 破，即保证二辊楔横轧机上轧件滚动半圈以上。 3 展宽段3 4 ，在此段中模具的楔顶高度不变，楔宽度逐渐变宽，展宽段是模具 主要的成形区段，轧件直径压缩，长度延伸。楔横轧的主要工艺参数q 和b ，主 要依据该段的断面收缩率v 等因素确定，模具的长度和轧辊的直径大小也主要受 他的影响。 展宽段得长度厶用下式计算 3 ：昙z ，c 。tp ( 2 1 0 ) 式中，为轧件轧后以匾为直径部分的长度。 4 精整段4 6 ，精整段模具孔型的楔顶高与楔顶面与楔低的宽度都不变化，即展 宽角卢= 0 。精整段的主要作用有两个：将轧件在整周上全部轧成所需的尺寸；将 轧件的全部尺寸精度与表面粗糙度精整后，达到产品的最终要求。 精整段的长度厶用下式计算 1 三4 丢一万d ( 2 1 1 ) 同样，保证二辊式楔横轧机上轧件滚动半圈以上即可。 5 剪切段5 6 ，剪切段切刀的作用是将轧好的轧件切断，既可把切刀放在中间把 轧件一切为二或是更多，也可以将其放在两边，切去多余的料头。 2 5 带有锥台及沟槽钢芯模具设计方案一 该产品成形与传统的楔横轧不同，只有楔入没有轴向展宽，在模具设计中只 设计楔入段、精整段和卸载段。 本产品有三个关键的成形部位，钢芯大弧形体，腰部小沟槽，以及尾部锥台 部分。因此根据这三个部分的成形顺序，本课题研究了两种模具设计方案。 1 7 沈阳理工大学硕士学位论文 2 5 1 模具设计方案一成形顺序 先楔入成形钢芯的大弧形体，然后楔入尾部锥台部分，两部分的精整与卸载 同时进行，在此阶段同时完成钢芯小沟槽的成形。 2 5 1 1 方案一模具工艺参数分析 2 5 1 1 1 成形角设计 1 钢芯大弧形体成形角分析 大弧形体成形过程中，实现轧件由平1 0 9 8 8 跏聊轧制到( p 1 2 聊聊，计算这个过 程中的断面收缩率 1 ，) 2 y l2 ( 1 一意) 枷o = 9 8 麟( 2 m ) 从计算结果可见此部分的断面收缩率很大，由于此部分是一个圆弧体，因此 工件上各点的成形角是变化的，但是成形角的大小要在圆弧切线与轧辊轴向夹角 之间变化，且满足断面收缩率和成形角的关系，如表3 1 所示。 根据分析，前锥体部分的成形角取1 3 7 。，既满足表2 1 中的关系也符合圆弧 切线的变化，初步确定前锥体楔形模具的成形角是1 3 7 。 表2 1 断面收缩率与成形角的关系【3 4 】 t a b l e2 11 1 1 er e l a t i o n s h i po fr e d u c t i o no fa r e aa 1 1 df o m i n ga n g l e 2 钢芯尾部锥台成形角分析 尾部锥台成形过程是将轧件由( p 1 0 9 8 8 锄聊轧制到( p 7 8 7 咖肌，形成一个锥度 是9 。的倾斜面，长度延伸到9 5 m m 。计算这个过程中的断面收缩率 y 2 刈一篇为1 0 0 堋5 ( 2 - 1 3 )l ，= i l 一= - j l u u w o = q 舀) w o 【z l jj 、 1 0 9 8 8 8 、 根据表3 1 ，成形尾部锥台的楔形模具成形角大于2 8 。，但是考虑到该工件尾 部锥度是9 。的特殊情况，而且由于不存在展宽变形，可以考虑将成形角直接取为 锥度大小即9 。，这样并不影响工件成形的质量。 第2 章成形方案及轧辊模具设计 3 钢芯小沟槽成形角分析 在分析工件零件尺寸的时候，不难发现，工件中小沟槽部分的压下量小、宽 度小，直接采用凸棱压下就能实现成形，因此，该段可以不采用楔入段、卸载段， 而是直接采用相同尺寸的精整段即可。 这样不仅能够使得模具设计简化，而且在实际的模具加工过程中也不会太繁 琐，节省了模具加工成本，提高加工效率。 2 5 1 1 2 展宽角设计 1钢芯大弧形体展宽角分析 展宽角是楔横轧工艺中一个重要的工艺参数，展宽角的选择与断面收缩率有 很大的关系，可以根据各部分的断面收缩率来确定该段的展宽角大小。 1 ，) 2 v 12 ( 1 一意) 枷o = 9 8 舭 ( 2 1 4 ) 根据计算结果可以看出，钢芯大弧形体部分断面收缩率很大，超过了8 0 ， 根据表2 2 断面收缩率和展宽角的关系，初步确定展宽角小于4 。，而本方案中4 。 模拟的效果并不好，所以本方案大弧形体部分展宽角取3 5 。 表2 2 断面收缩率与展宽角的关系【3 5 t a b l e2 2t h er e l a t i o n s h i po fc o n t r a c t i o no fa r e aa i l ds 仃e t c h i n ga i l g l e 2 钢芯尾部锥台展宽角分析 钢芯尾部锥台部分的径向压下量较小，计算此部分的断面收缩率 、i ，i ：( 1 一黑) l o o ：4 8 5 ( 2 1 5 ) 、i ，l 2 ( 1 一丽) 1 0 0 2 4 8 5 ( 2 。1 5 ) 根据表3 2 断面收缩率和展宽角的关系，尾部锥台部分的断面收缩率小于 5 0 ，这样就初步确定展宽角要小于8 。，由于该部分为锥角成形，本课题中将后 锥体展宽角设计成为6 。 3 钢芯小沟槽成形角分析 前节已经讲到，由于小沟槽本身的特性，在楔形模具设计时只采用精整段直 接实现压下成形，这样该段的展宽角就是0 。 2 5 2 模具方案一子l 型几何尺寸设计 2 5 2 1 钢芯大弧形体孔型几何尺寸设计 ( 1 ) 楔入段长度及圆心角 厶，= j j l c o t 仅。c 毗= ( 华h 6 ) c 。t 0 【。c 邮，= 3 3 4 6 7 聊聊 1 ：生x 5 7 2 9 6 。：2 5 5 6 8 。 ( 2 ) 精整段长度及圆心角 ( 3 ) 卸载段长度及圆角 厶2 = 1 0 耐o = 3 4 5 聊聊 2 ：兰兰x 5 7 2 9 6 。：2 6 3 6 。 厶3 = 0 7 5 7 咄= 2 6 2 历肌 3 ：红x 5 7 2 9 6 。：2 0 。 ( 2 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 2 5 2 2 钢芯尾部锥台孔型几何尺寸设计 ( 1 ) 楔入段长度和圆心角 k 。= c 。t 口。c 。t 角= 4 如+ 6 ) c 咖，c 。t 卢，：9 3 砌聊 ( 2 - 2 2 ) ( 2 ) 精整段长度和圆心角 ( 3 ) 卸载段长度和圆心角 = 争5 7 2 9 6 。：7 1 4 0 ( 2 _ 2 3 ) 、7 厶一2 = 厶一2 = 3 4 5 聊m - 2 0 9 3 2 = 2 6 3 6 。 ( 2 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) 第2 章成形方案及轧辊模具设计 厶一3 = 厶一3 = 2 6 2 m 加 妒3 3 = 2 0 。 ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 2 5 2 3 钢芯小沟槽孔型几何尺寸设计 该段是成形零件中部的小圆弧部分，该楔形模具自楔1 展宽段开始楔入轧件， 直接精整，为了保证成形过程中沿轴向不发生延伸，因此卸载段结束后该段轧制 结束。如表2 3 所示。 上2 1 = 厶一2 + 厶一3 = 6 0 7 m 朋( 2 - 2 8 ) r 够，= 三旦5 7 2 9 6 。= 4 6 4 。( 2 2 9 ) 妒2 1 2 = 。) ，z y 0 。斗0 斗 【z z y j 根据以上计算结果，将成形各部分的孔型参数列表，清晰直观的表示各个孔 型的几何尺寸。 表2 3 楔形模具孑l 型参数表 t a b l e2 3w e 起em o l dp a s sp 眦吼e t e r st a b l e 部位 成形角展宽角长度 圆心角 序号 a ( 。)p ( 。) 三( 聊聊) t ( 。) 工艺