楔横轧多楔轧制展宽段应力、应变有限元分析.doc

1 楔横轧多楔轧制展宽段应力与应变有限元分析 邢希东 1 2 胡正寰 1 束学道1 杨翠苹1 1 北京科技大学机械工程学院 北京 100083 2 山东理工大学机械工程学院 淄博 255049 摘要摘要 楔横轧多楔轧制是主楔和侧楔同时对轧件进行径向压下 横向扩展并轴向延伸的塑性成形 楔 横轧多楔轧制与单楔轧制相比 可以显著节省辊面 减小设备本体尺寸 楔横轧多楔轧制成形过程中应力 场 应变场变化规律仍然需要深入研究 本文针对楔横轧多楔轧制特点 在 LS DYNA 有限元软件基础上 进行二次开发 成功地仿真了楔横轧多楔轧制过程 并对其展宽段的应力 应变场变化规律进行详细分 析 得到了在料既不堵又不拉情况下多楔楔横轧应力与应变变化规律与单楔楔横轧相似 不完全一致的 结论 关键词关键词 楔横轧 多楔 有限元 应力 应变 分类号分类号 TG335 19TG335 19 0 0 前言前言 楔横轧是楔横轧模具对轧件进行径向 压下 横向扩展并轴向延伸的塑性成形 楔横轧与锻造相比 它具有高节材率 高 效率 高模具寿命 低产品成本 清洁生 产等优点 1 对于长轴类零件 特别是超 大型轴类零件如火车 RD2 车轴 如用单 楔轧制则所需辊面大 设备过于庞大 只 有多楔楔横轧可以解决该问题 它可以显 著节省辊面 减小设备本体尺寸 然而多 楔轧制所用模具比单楔模具更复杂 工艺 调整难度更大 其轧制各阶段主楔与侧楔 之间的制约关系和成形机理比单楔更复杂 对其成形过程中应力场 应变场变化规律 仍然需要深入研究 本文针对楔横轧多楔轧制特点 在 LS DYNA 有限元软件基础上进行二次开 发 成功地仿真了楔横轧多楔轧制过程 并对其展宽段的应力 应变场变化规律进 行详细分析 得到了在料既不堵又不拉情 况下多楔楔横轧应力与应变变化规律与单 楔楔横轧不完全一致的结论 1 1 多楔楔横轧有限元模型多楔楔横轧有限元模型 国家自然科学基金重点资助项目 No 50035010 与国 家自然科学青年基金项目 No 50205004 邢希东 男 1968 年生 北京科技大学机械工程学院 博士生 山东理工大学副教授 电话1 1 基本假设基本假设 在建立有限元分析模型时 根据多楔 楔横轧的变形特点与边界条件 作如下假 设 1 轧辊视为刚体 采用刚性壳单元 Shell163 进行网格划分 轧辊的弹性 模量 E 210Gpa 2 轧件视为弹塑性体 多段线性弹 塑性材料模型 采用 8 节点三维实体单元 Solid164 进行网格划分 轧件材料弹 性模量 E 90Gpa 3 轧辊与轧件的接触采用表面 表 面接触模型 STS 视为刚性体轧辊表面 为目标面 轧件表面 变形体 为接触面 4 将轧制过程视为恒温过程 忽略在 轧辊 轧件表面与环境之间存在的热传导 热交换以及内部温度变化 5 接触摩擦简化为弹性库仑摩擦 取 摩擦系数 0 4 6 根据对称性 取轧辊与轧件的一半 见图 1 计算 并在对称面上给予轴向几 何约束 1 2 模拟参数的选择与有限元模 型的建立 建立多楔楔横轧有限元模型的关键问 2 题是在合理工艺参数下 精确确定主楔和 侧楔的相对转角 如图 1 所示 因为如 果 图 1 多楔楔横轧模具展开图 轧件与轧制过程 Fig 1 MCWR tool structure workpiece and deformation process 图 2 多楔楔横轧有限元模型图 Fig 2 The finite element model of MCWR 主楔与侧楔相对转角较小 将发生堆料或挤 料现象 在堆料处直径增大 有时甚至导致 楔横轧制无法完成 如果主楔与侧楔相对转 角较大 轧件将出现拉料 轧件会出现疏松 等缺陷 在图 1 主楔成形角 与侧楔成 形角相同 主楔与侧楔的相对转角 也 就是第一楔 也叫基本楔 主楔 展宽段端面 移动量曲线与轧辊中心连线的夹角 这样 侧楔展宽角 即第二楔展宽角 主楔展 宽角 本文通过专用计算程序 2 精确计算出轧件直径为 40mm 材料为 45 不同轧制工艺参数下主楔与侧楔的相 对转角 如表 1 所示 多楔楔横轧模具与轧件 有限元计 算 模型分别如图 1 2 表 1 多楔楔横轧实验与模拟工艺参数 Table 1 MCWR process parameters for experiment and FEM 组 数 端面收缩 率 展宽角 成形角 移动量转角 1106340 6022 2256321 5052 3406302 4075 4508284 0196 5608284 82 2 应变应力分析 3 4 如图 1 所示 楔横轧多楔轧制过程要 经过五个阶段 即主楔楔入段 侧楔楔入 同时主楔展宽 段 多楔展宽段 主楔 精整 侧楔展宽 段 多楔精整段 纵观 上述五个阶段 轧件的径向压缩 轴向延 伸 横向扩展主要发生在多楔展宽段 同 时在此阶段 主楔与侧楔的制约关系比较 复杂 所以取该阶段进行有限元分析 对 轧件 a a b b c c 三剖面 图 1 进行分 析 同时结合 LS DYNA 有限元软件一步步 模拟结果发现 b b 剖面处轧件所受应力值 最大 a a 剖面处应变值最大 所以分别取 a x c z b y 图 3 多楔展宽段横截面应力场分布图 Fig 3 Stress field on cross section during stretching stage a X b y c z 图 4 轧件横截面应变分布图 Fig 4 Strain distribution on the cross section of work piece during stretching stage 主楔 楔入 侧楔 楔入 多楔精整 主楔 精整 多楔展宽 主楔 侧楔 X X b a c a b c 3 过 b b a a 剖面视图进行应力 应变分析 图 3 为轧件过 a a 剖面横截面应力分 布图 由图 a b c 可见 楔横轧变 形时轧件内部处于非常复杂的三向应力状 态 即体应力状态 在图示等值线 A 所围 区域 所谓的难变形区 即直接受力区 3 个方向应力均为压应力 其应力绝对值数 值在轧件表面最大 逐步向其内部快速减 少 横向拉应力 x图 a 中 由于轧件心 部不均匀变形产生的横向拉应力超过压应 力值 结果心部出现较少的拉应力 该拉 应力又逐步向 F 等值线所示区域周围递增 在 F 等值线处出现最大的拉应力 该处易 出现疏松缺陷 径向应力 y图 b 中 在 轧件出口侧与金属的切向堆积区域重合 在重合区 即图 b 等值线 F 所标区域 内 径向应力表现为较大的拉应力值 在轴向 应力 z图 c 中 在轧件中心压应力 拉 应力交替出现 这是由于轧辊附近的直接 受力区对中心的间接受力区产生的径向压 应力与轧件内部由于不均匀变形而产生的 拉应力大致相当 这样中心部位金属一直 处在拉应力与压应力变换状态中 图 4 为轧件横截面上的应变分布图 由图看出 轧件变形为三维的 即横向变 形 径向变形与轴向变形 正好符合轧件 宏观上横向扩展 径向压缩与轴向延伸变 形 其中横向应变 x 图 a 与径向应变 y 图 b 绝大部分为拉应变 这是由于 A A 面金属在受到侧楔对其拉应力与轧件心部 金属不均匀变形引起的拉应力之和大于主 楔对其压应力的结果 图 a 与图 b 最大拉 应变都出现在轧件的出口侧等值线 F 所围 周围区域 主要原因在于金属切向堆积区 域产生较大径向拉应力所致 图 b 与图 a 不同之处在于压应变分布区域不同 图 b 压应变主要分布在心部 如图示等值线 A 所围区域 轧件中心部位所受的是压应力 该压应力主要来自于侧楔阻止 A A 侧面的 轴向延伸与主楔对其径向压缩共同作用所 致 在图 c 轧件中心部位 表现为轴向拉 应变 主要由于轧件心部不均匀变形引起 最大拉应力 图 5 是四剖面 a a b b c c x x 见图 1 中心点的主应力时间历程曲线 00 511 522 53 s 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 MPa SEQV S1 S2 S3 00 511 522 53 S 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 60 MPa SEQV S1 S2 S3 a aa 剖面中心点主应力 b bb 剖面中心点主应力 00 511 522 53 S 60 40 20 0 20 40 60 80 100 MPa S2 S3 S1 SEQV 00 511 522 53 S 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 MPa SEQV S1 S2 S3 c cc 剖面中心点主应力 d XX 剖面中心点主应 力 图 5 主应力时间历程曲线 Fig 5 Time history curve of main stress on the central point of different section 可见在 aa 剖面 中心点上的应力表现为一 向拉力 一向压力 第二主应力在可以近 似为零 在 b b 剖面 第一主应力在整个 轧制过程表现为拉应力 第二主应力 第 三主应力交替变换 最后变化为压应力 C C 剖面与 x x 剖面类似 第一 第二主应 力表现为拉应力 第三应力表现为压应力 最后三者均变为零 3 实验验证 为了验证上述有限元模拟结果的正确 性 对端面收缩率 25 成形角 32 展宽角 6 移动量转角 1 5052 出炉温度 1157 工况下的 轧制力进行实验验证 利用圆柱式应力传 感器 径向轧制力测试结果如图 6 同样 工况下有限元计算结果也在该图列出 4 图 6 轧制力测试结果与模拟结果 Fig 6 the testing and FEM result of double wedge CWR 将测试结果与有限元计算结果对比 两者 误差在 9 以下 说明有限元方法模拟多楔 楔横轧轧制过程可行 同样 对于轧制力 随轧制时间的变化规律 有限元数值模拟 结果与实验测试结果一致 由此进一步验 证了上述有限元模拟分析应力 应变变化 规律的正确性 4 结论 本文对多楔楔横轧轧制过程进行了有 限元模拟 得到了轧件成形过程中轧件内 部应力场和应变场信息 揭示了多楔楔横 轧成形机理 得到如下主要结论 1 轴类零件双楔楔横轧轧制过程中轧 件应力 应变分布从总体上看与单楔楔横 轧应力分布一致 即应力表现为两拉一压 状态 且轧件心部应力较大 应变表现为 轧件轧细部分应变较大 应变由外层到内 层逐渐减小 轧件心部应变最小 2 从各个剖面来看 双楔楔横轧剖面 的应力与应变分布比单楔复杂得多 参考文献参考文献 1胡正寰 张康生 王宝雨等著 楔横轧理论与应 用 北京 冶金工业出版社 1996 2邢希东 束学道 胡正寰 轴向移动量程序化计 算及工艺参数对其影响分析 重型机械 2003 第六期 3 马镇海 胡正寰 杨翠苹 束学道 楔横轧展宽段 的 变形特征与应力应变分析 北京科技大学学报 Vol 24 No 3 309 312 4 Yaomin Dong Tagavi KA Lovell MR Zhi Deng Analysis of stress in cross wedge rolling with application to failure International journal of mechanical science 42 2000 1233 1253 Finite Element Analysis of Stress and Strain during Stretching Stage for Multi wedge Cross Wedge Rolling Xing Xidong1 2 Hu Zhenghuan 1 Shu Xuedao1 Yang Cuiping1 1 Department of Mechanical Engineering University of Science and Technology Beijing 100083 2 Department of Mechanical Engineering Shandong University of Technology Zibo 255049 ABSTRACT Multi wedge Cross Wedge Rolling MCWR is one kind of plastic deformation including radial compressiing axial stretching and horizontal enlarging by both wedges at the same time Compared with the Single wedge Cross Wedge Rolling MCWR needs less diameter roller than the single wedge CWR to manufacture the same workpieces saves roller area in evidence etc However the field of stress and strain distributions in MCWR need further investigation In this