随着交通运输业的飞速发展,火车车轴、汽 车半轴等长轴类零件需求量与日俱增,专业化大 批量生产长轴类零件己成为满足市场需求的主 要手段.楔横轧多楔轧制是主楔和侧楔同时对轧 件进行径向压下和轴向延伸的塑性成形,是一种 先进的长轴类零件净近精密成形技术,具有显著 节省辊面、减小设备体积、生产效率高、节材、降 低成本等优点,是适合专业化、经济化大批量生 产长轴类零件的有效工艺手段. 多楔精确轧制长轴类零件,其轧制各阶段主 楔与侧楔之间的制约关系和成形机理比较复杂, 国内外关于其研究相对较少『l-4>,实际生产中主要 依靠经验.轧制过程中堆料或拉料现象时常发 生,阻碍轧制过程的顺利进行,致使多楔精密成 形长轴类零件工艺技术在国民经济和实际生产 应用中受到一定程度的限制「5>.因此,深入开展楔 横轧多楔精密成形长轴类零件理论研究,弄清工 艺参数对楔横轧多楔轧制成形机理影响规律是 十分必要的. 本文根据楔横轧多楔轧制特点,采用笔者自 主开发的命令流有限元程序’6>,对楔横轧多楔轧 制进行有限元数值模拟,从理论上较详细分析展 宽角、成形角和断面收缩率三个主要工艺参数对 轧件内部应力、应变和轴向位移的影响规律,并 对断面收缩率对轴向位移的影响规律进行了实 验验证.研究结果对于深入理解多楔轧制成形机 理,合理确定多楔模具工艺参数,实现长轴类零 件多楔精确轧制成形具有重要的现实意义和应 用价值. 1楔横轧多楔轧制有限元模型的 建立 楔横轧多楔轧制是主楔和侧楔同时对轧件 进行径向压下和轴向延伸的塑性成形,建立有限 元模型的关键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l所示.图中,a为成 形角渭为展宽角,0为主楔与侧楔的相对转角.因 为如果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.通过 自主开发端面移动量专用计算程序『7」,精确计算 出轧件直径为中40~,材料为45“钢,不同轧制工 艺参数下主楔与侧楔的相对转角如表1所示. 侧楔 苗以 主楔 决丁添盯。 一Pa 75)图1多楔模具展开图及轧件 Fig.1 MCWR tool strueture and haifofafinished 表1实验轧制工艺参数 Table 1 Proc韶5 Pa印me加rs for肛Pe对m叨t 工况a/(o)刀/(o)截面收缩率,州%0/(o) 0石022 4气乙0 内、︺,、,J 改变成形角 1 .5052 改变展宽角28 改变断面收 缩率 24075 6 .5200 6 .5196 7 .5400 0 .6022 1 .5049 2,4075 0︸fo 1勺山4 由于结构对称性,轧件取一半,并在对称面 上给予轴向几何约束.轧辊与轧件的楔横轧多楔 有限元计算模型如图2所示. 委萎翌呀泛霓孰军众军军又续王;从晓彭交各尧艺空若交袋澎拿券 夔鬓犷 墓蒙瑟李樱缓桑寒爹琴兹鑫鬓馨囊鬓叁叁鑫窦 子只、卜:户异奋异宁公玉屯、(亏忿叹之子攀纬份补笼占答弓月省式2井字蛤弓斌冰)与攀夺冬芝 美薰摹藻蓬摹羹鬓鑫薰鬓 鬓巍蒸鑫募薰鬓聋寒纂篡熬藤 以/产丫-洲~、Z卜义,争导声州与及卜广,‘尹,/户尹JJ,产,/产户尸人八尸冲八户、入划次李丁丫 乏子欠义溉签究滋冬乡乓今六半铃瀚戈罕}我会盖竖下 度加剧,轧件芯部由不均匀变形所产生的附加拉 应力值变大,轴向应力的数值就越大,因此等效 应力也增大.在主楔和侧楔都进入展宽段,轧制 进入稳定阶段后,等效应力处于下降阶段,随着 成形角的增大,等效应力反而减小.其中最大等 效应力随成形角的增大而增大. 图4和图5分别为展宽角和断面收缩率对应 力响应.可以看出,在主楔和侧楔进入展宽段前, 等效应力处于上升阶段.随着展宽角和断面收缩 率的增大,等效应力增大.主要原因表现在展宽 角增大,轧件轴向压缩量增大,轴向变形程度增 大,轧件的轴向延伸受到的阻力增加.所以等效 应力随展宽角增加而增大.随着断面收缩率的增 大,变形逐渐渗透到轧件芯部,轧件芯部受压的 趋势增大,所以等效应力增加.在主楔和侧楔都 进入展宽段,轧制进入稳定阶段后,等效应力处 于下降阶段,随着展宽角和断面收缩率的增大, 等效应力反而减小.其中最大等效应力随展宽角 和断面收缩率的增大而增大. 综合图3一5,成形角对等效应力影响最小,展 宽角和断面收缩率对等效应力影响相对较大因 此,为了减小轧件的等效应力,在选择模具工艺 参数时,在工艺条件允许情况下,应尽量选择较 图2楔横轧多楔轧制有限元计算模型 Fig.2 MCWR FEM model (a)A片
成形角 一创卜-300 一J-320 -润卜-340 0n 42 ﹄乙\﹄ 2工艺参数对多楔轧制轧件内部 应力影响分析 通过有限元数值模拟,得到轧制过程中不同 工艺参数下轧件内部A点(主楔中心点)、B点(侧 楔中心点)的等效应力响应如图3一5所示.由 图3一5可以看出,侧楔作用下B点的应力变化趋 势和主楔作用下A点相似,无论对于变化成形 角、展宽角还是断面收缩率,轧制过程中应力随 轧制时间变化都分为两个阶段,即应力上升阶段 和下降阶段.最大等效应力出现在主楔和侧楔压 下量达到最大时刻. 图3为成形角对应力影响,可以看出,上升阶 段,等效应力随着成形角的增大而增大,因为由 于成形角越大,轧件每半圈压下量增大,轧件芯 部受压的趋势增大,径向应力增大;同时由于成 形角越大,轧件变形区内金属的轴向变形就越容 易,这导致轧件表层与芯部轴向变形的不均匀程 2 .03刃35 80卜(b)B点 成形角 -山尸.300 一320 -甲-340 00 42 ﹄2\﹄ 图3成形角对应力影响 Fig.3 Forming angle effeet on stress 小的展宽角和断面收缩率. (a)A点
展宽角 一,~.100 --。-80 一去-60 n八曰 6j峥 已d层\勺 90 8U 2 t/s (b)B点 汉‘一早-10。 、\-‘~.80 义赢。 0八U nU 4C二 ﹄启、b 图4展宽角对应力影响 Fig.4 SPread angle effccton stress 3工艺参数对多楔轧制轧件内部 应变影响分析 通过有限元数值模拟,得到轧制过程中不同 工艺参数下轧件内部A点和B点的等效应变响 应曲线如图6一8所示.由图6一8可以看出,侧楔作 用下B点的应变变化趋势和主楔作用下A点相 似,无论变化成形角、展宽角还是断面收缩率,轧 制过程中等效应变随着轧制时间的进行,在主楔 和侧楔轧辊成形面作用下,A,B点的应变值逐渐 增大,随着轧辊成形面不断向轧件端部移动,包 含A点和B点部分轧件轧细完成,应变达到最大 值,但A点最大等效应变值比B点大,主要原因 是A点应变是主楔和侧楔叠加作用结果,而B点 仅为侧楔作用产生的效果. 图6为不同成形角下应变响应图.可以看出, 轧制过程中,随着轧辊成形面不断向轧件端部移 动,等效应变从零开始随着压下量增大而逐渐增 大,楔入段增大的幅值较大,展宽段增大幅值较 小,精整段应变基本保持不变.无论是A点还是 100丽下蔫
断面收缩率 ~去-10% ..习-25% 一平~40% 住91面,灭蔫 U.吕卜 42 : nU八曰 00 4,妇 ﹄︺乙\b 2刀3 .0 3.5 (b)B点 断面收缩率 -去-10% 一卜~25% -甲-40% (b)B点 成形角 一幽一300 一.~~320 一平-340 3 脸月润七平润 坚履。。 -叫卜-320 .‘早-340 0. 0. n︺nfl︶ 4伪石 川自圣/b 1 .02刀3刃3.5 t/s 图5断面收缩率对应力影响 Fig.5 Effect of reduetion in arca on stress 1 .02刃3.0 3.5 t/S 图6成形角对应变影响 Fig.6 Forming anglec幻允ct on strain (a)A点 展宽角 -早~100 .~。一,80 -奋-60 B点,随着成形角的增大,等效应变增大. 图7为不同展宽角下应变响应图.可以看出, 轧制过程中,无论是A点还是B点,随着展宽角 的增大,等效应变减小.图8为断面收缩率对等 效应变的影响.随着断面收缩率的增大,等效应 变值增大. 综合图6一图8可以看出,断面收缩率对等效 应变影响最大,成形角对等效应变影响最小. ,︸,.9曰 : 11n︺ ‘U4 ,. nUC曰 :/: (b)B点 0 1.02刃3刃3,5 t/s 图7展宽角对应变影响 Fig.7 SPreading angle effeet on strain 4轴向位移影响规律的有限元模 拟与实验结果比较 由于断面收缩率对轴向位移影响较显著,本 文通过变化断面收缩率,用有限元数值模拟和轧 制实验测试两方面,对断面收缩率对轴向位移影 响规律进行分析.图9(a)为数值模拟结果,轧件 内部点B点的轴向位移是主楔和侧楔同时作用 下引起轴向位移的叠加.随着主楔和侧楔对轧件 压下量的增加,B点的轴向位移增大,展宽段结 束轴向位移达到最大,精整段轴向移动量基本不 09 0 .8 (a)A点 断面收缩率 nUn曰自n︺0 4内、2,J 留口口、万.泌划厄撰 0 .6 铂 0 .4 断面收缩率 -奋-10% ~~。一25% -早-40% 3刀3 .5 3,03‘5 50丽 (b)B点 ~去一 10% 25% ~奋一10% 一。--25% -早-40% 断面收缩率 一。 4D 30 20 100--5 日日、万、泌坦但纂 -甲一40% 断面收缩率 On‘曰 ; nU CU Q 0.4
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