（機械制造及其自動化專業(yè)論文）楔橫軋塑性成形數(shù)值模擬.pdf

摘要 摘要 楔橫軋是一種高效、低耗、產(chǎn)品質(zhì)量好的軸類零件成形新工藝、新技術(shù)，是 當今先進制造技術(shù)的組成部分。楔橫軋經(jīng)過幾十年的發(fā)展，其實踐經(jīng)驗技術(shù)已達 到很高水平。但由于楔橫軋成形機理十分復(fù)雜，加之影響因素眾多，理論上某些 方面還有待于進一步的探討和研究。而有限元模擬技術(shù)有助于解決這些問題，但 由于有限元模擬技術(shù)在楔橫軋成形模擬中的應(yīng)用正處于起步階段n 1 ，其研究面較 窄，人們對于階梯軸的楔橫軋成形仍采用傳統(tǒng)的實踐實驗法進行研究。因此，進 行楔橫軋階梯軸成形過程的有限元仿真與分析，對于楔橫軋的理論發(fā)展和技術(shù)推 廣有著重大的意義。 首先，分析了楔橫軋的軋制原理及軋齊理論，并進行了深入研究，得出了一 些關(guān)鍵結(jié)論：軋制時金屬的流動規(guī)律，軋件的主要缺陷中心疏松與軋件端面 凹心等發(fā)生機理，為零件質(zhì)量打下基礎(chǔ)。 然后根據(jù)楔橫軋原理進行模具設(shè)計。得出了確定各個工藝參數(shù)的一般原則及 方法。這一方法為今后進行楔橫軋的設(shè)備設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。 最后，在上述工作的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了軋制成形過程、軋制應(yīng)力場與應(yīng)變場，模具 設(shè)計與制造的數(shù)據(jù)模擬及仿真。證明了所提出的楔橫軋有限元建模的可行性及實 用性。 軸類零件楔橫軋塑性成形數(shù)值模擬要首先建模，導(dǎo)入a n s y s 幾s d y n a 后定義 單元類型瞳1 、實常數(shù)、材料模型，通過復(fù)制移動等生成軋輥和工件，劃分網(wǎng)格后 生成有限元模型，然后定義接觸、定義約束、定義載荷，設(shè)定求解參數(shù)，求解。 摘要 求解完成后，用1 s p r e p o s t 程序查看并分析求解的結(jié)果口1 ，觀察軋制變形過程， 查看應(yīng)力、應(yīng)變場的動態(tài)變化、端部凹心缺陷等。通過楔橫軋塑性成形的數(shù)值模 擬能夠為零件軋制成形工藝優(yōu)化，模具設(shè)計，產(chǎn)品質(zhì)量檢測提供先進的分析工具。 i i 關(guān)鍵字楔橫軋；有限元分析；塑性成形；模具設(shè)計 a b s t r a c t a bs t r a c t c r o s s w e d g er o l l i n gt e c h n o l o g y i so n ek i n d h i g h l ye f f e c t i v e ，l o w c o n s u m p t i o nn e wp r o c e s s ，a sap a r to fc u r r e n ta d v a n c e dt e c h n i q u eo f m a n u f a c t u r e w i t ht h ed e v e l o p m e n ti np a s ty e a r s ，p r a c t i c ea n de x p e r i m e n t t e c h n o l o g yo fc r o s sw e d g er o l l i n gh a sb e e nt oah i g hl e v e l y e tt h e d e f o r m i n gm e c h a n i s mo fc r o s sw e d g er o l l i n gi sq u i t ec o m p l i c a t e d ，w i t h m u l t i t u d i n o u sf a c t o r sa f f e c t i n g ，t h e r ea r es t i l lq u e s t i o n si nt h e o r yt on e e d d i s c u s s i n g a n dr e s e a r c h i n g 如r t h e lf o r t u n a t e l y , t e c h n o l o g yo ff i n i t e e l e m e n ts i m u l a t i o nc a nh e l pt o r e s o l v i n gt h e s ep r o b l e m s h o w e v e r , a p p l i c a t i o no ft h et e c h n o l o g yu s e di ns i m u l a t i n gd e f o r m m i o no fc r o s s w e d g er o l l i n gi st o os h o r ti nt h i sf i e l d t h ea x i sc o m p o n e n t sf o r m e db y c r o s sw e d g er o l l i n gr e s e a r c h e db yt r a d i t i o n a le x p e r i m e n t a lm e t h o d s s o t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dt h ea n a l y s i so ft h ea x i sc o m p o n e n t si nc r o s s w e d g er o l l i n gm e a n sm u c h t oc r o s sw e d g e r o l l i n g f i r s t ，r o l l i n gp r i n c i p l e sa n dt h e o r i e so fc r o s sw e d g er o l l i n ga r ea n a l y z e d ， a n dc o n d u c t e di n d e p t h s t u d y an u m b e ro fk e yc o n c l u s i o n sd r a w n ： r o l l i n gm e t a lf l o wl a w ，t h em a j o rf l a w so fr o l l i n g ，p a t h o g e n e s i so f c e n t e rp o r o s i t ya n dr o l l i n ge n d - c o n c a v eh e a r ta n ds o o n l a yt h e f o u n d a t i o nf o rt h eq u a l i t yo fp a n s a n dt h e nm o l dd e s i g ni sc a r r i e do u t u n d e rt h ep r i n c i p l eo fc r o s sw e d g e r o l l i n g c o m et ot h eg e n e r a lp r i n c i p l e s a b s t r a c t a n dm e t h o d so fv a r i o u sp r o c e s sp a r a m e t e r s t h i sa p p r o a c hc a r r i e do u tf o r t h ec r o s s w e d g er o l l i n g d e v i c e sd e s i g n e d f i n a l l y , b a s e do nt h e a b o v e - m e n t i o n e dw o r k ，a c h i e v e dt h er o l l i n gf o r m i n gp r o c e s s ，r o i l i n g s t r e s sf i e l da n ds t r a i nf i e l d ，d a t as i m u l a t i o na n de m u l a t i o no fm o l dd e s i g n a n dm a n u f a c t u r e f i n i t ee l e m e n tm o d e l i n go fc r o s sw e d g er o l l i n ga r e p r o v e df e a s i b l ea n dp r a c t i c a lw h i c ha r ep r o p o s e db e f o r e i ti san e wt e c h n o l o g yw h i c hi su s e dt of o r ma x i sc o m p o n e n t s t h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fa x i sc l a s sc o m p o n e n t si nc r o s sw e d g er o l l i n g p l a s t i cf o r m i n g n e e dt o m o d e l i n g f i r s t ， a f t e ri n d u c e di n t o a n s y s l s d y n a ，w em a yd e f i n et h eu n i tt y p e ，t h er e a lc o n s t a n t ，t h e m a t e r i a lm o d e l ，a n ds oo np r o d u c et h er o l l e ra n dt h ew o r kp i e c eb yt h e d u p l i c a t i o na n dm i g r a t i o n a f t e rm e s h i n gt h em o d e l ，i tw i l lp r o d u c ea f i n i t ee l e m e n tm o d e l ，t h e nd e f i n i t et h ec o n t a c t ，d e f i n i t et h er e s t r a i n t ， d e f i n i t et h el o a d ，h y p o t h e s i ss o l u t i o np a r a m e t e ra n ds o l v ea tl a s t a f t e r c o m p l e t i n g t h e s o l u t i o n ，w e c a ne x a m i n e st h er e s u l tw i t ht h e l s - p r e p o s t p r o c e d u r ea n do b s e r v er o l l i n gd i s t o r t i o np r o c e s s ，t h es t r e s s ， t h ed y n a m i cc h a n g eo fs t r a i nf i e l da n dt h ec o n c a v eh e a r tf l a wa n ds oo n i t c a np r o v i d eau s e f u lt o o lf o rm o d e l d e s i g n ，q u a l i t yc h e c k i n ga n d s oo n k e y w o r d s ：t h ef i n i t ea n a l y s i s ；p l a s t i cm a k i n g ；m o d e ld e s i g n ，n u m e r i c a l i v s i m u l a t i o n 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨 立進行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不 包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果。對本文的研 究作出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本聲明 的法律責任由本人承擔。 論文作者簽名：趁逝堡芻 e l 期：型! 皇：! ! ：蘭! 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的聲明 本人完全了解山東大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué) 校保留或向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論 文被查閱和借閱；本人授權(quán)山東大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分 內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段 保存論文和匯編本學(xué)位論文。 ( 保密論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 論文作者簽名：粼煎叁 導(dǎo)師簽名：墨圭墨日期：圭! 13 ：! ! ：茸 第一章緒論 第一章緒論 1 1 楔橫軋技術(shù)及其發(fā)展概況 1 1 1零件軋制特點與分類 零件軋制是指用軋制工藝成形機器零件的方法【4 】。傳統(tǒng)的軋制方法只能成形 等截面的型材，如管材、板材、圓材、方材等。零件軋制與傳統(tǒng)的間歇整體鍛造 成形不同，工件為連續(xù)局部成形，所以又稱為特殊鍛造【5 1 。 零件軋制工藝與傳統(tǒng)鍛造工藝比較，具有如下特劇6 】： 工作載荷小。由于是連續(xù)局部成形，工作載荷很小。只有一般鍛模的幾 分之一到幾十分之一。 設(shè)備重量輕。由于工作載荷小，所以設(shè)備重量輕、體積小及投資省忉。 冷生產(chǎn)率高。一般高幾倍到幾十倍。 冷產(chǎn)品精度高。產(chǎn)品尺寸精度高、表面粗糙度低，具有顯著的節(jié)材效果。 工作環(huán)境好，沖擊與噪聲都很小，工作環(huán)境顯著改善。 易于實現(xiàn)機械化自動化生產(chǎn)。 零件軋制工藝的缺點g 通用性差，需要專門的設(shè)備和模具，而且多數(shù)模具的 設(shè)計、制造及生產(chǎn)工藝調(diào)整比較復(fù)雜。所以，零件軋制工藝多用于種類少批量大 零件的生產(chǎn)。 1 1 2 楔橫軋技術(shù)簡介 楔橫車l ( c r o s sw e d g er o l l i n g ) 是一種高效的軸類零件塑性成形新工藝和新技 術(shù)【引。它既是冶金軋制技術(shù)的發(fā)展，因為它將軋制等截面型材，發(fā)展到軋制變截 面的軸類零件；它又是機械鍛壓技術(shù)的發(fā)展，因為它將斷續(xù)整體塑性成形，發(fā)展 到連續(xù)局部塑性成形。所以，楔橫軋技術(shù)在學(xué)科上屬冶金和機械的交叉，在產(chǎn)品 生產(chǎn)上屬新興科技產(chǎn)業(yè)【9 1 。楔橫軋和傳統(tǒng)鍛造、切削工藝比較，生產(chǎn)某些大批量 山不大學(xué)壩卜學(xué)位論文 的軸類毛坯，具有生產(chǎn)效率高、勞動條件好、模具壽命長、產(chǎn)品能耗低等優(yōu)點， 現(xiàn)在已經(jīng)得到了飛速的發(fā)展。楔橫軋可以生產(chǎn)各種形式的圓截面階梯軸類零件， 各階梯之間可以任意角度過渡。根據(jù)工件特點可以為模鍛供坯，也可以做機械加 工的供坯工序。一般來說，凡是軸類零件一般都可以用楔橫軋進行生產(chǎn)i l o j 。 1 1 3 軸類零件制造方法比較 楔橫軋與機械加工方法比較 ( 一) 楔橫軋與切削方法比較 楔橫軋與切削生產(chǎn)軸類零件方法的特點是：相同之處，都是局部連續(xù)成形：不 同之處：楔橫軋為塑性成形，即金屬流動成形，切削為金屬去除成形。與切削比 較，楔橫軋的優(yōu)缺點如下【l l 】： 楔橫軋加工方法的優(yōu)點： 1 ) 生產(chǎn)效率高。楔橫軋每l m i n 生產(chǎn)8 1 0 件，是切削方法的3 1 0 倍【1 2 】。 2 ) 節(jié)約材料。楔橫軋的材料利用率一般為8 0 - - , 9 5 ，切削為去除加工，零 件形狀不同材料利用率也不同，一般為5 0 - - , 7 0 ，材料利用率平均提高3 0 左右【1 3 】。 3 ) 零件性能提耐1 4 1 。軋制后的零件晶?？梢约毣?。金屬流線保持連續(xù)并沿 零件外分布，零件的靜強度與疲勞強度都有增加【1 5 】。 4 ) 模具壽命長【1 6 1 。- n 模具一般能生產(chǎn)8 2 0 萬件產(chǎn)品等。 楔橫軋方法的缺點是： 1 ) 坯料需要加熱。軋制直徑6 m m 的軸類零件都要加熱，不僅要增加能源 消耗，而且要一套加熱設(shè)備。 2 ) 模具大、費用高。 ( 二) 楔橫軋與鍛造方法比較 楔橫軋與鍛造生產(chǎn)軸類零件方法的特點為：相同之處：都是圓形坯料經(jīng)加熱 后塑性成形。不同之處：楔橫軋為局部、連續(xù)成型；模鍛為整體、斷續(xù)成形。 與模鍛比較，楔橫軋優(yōu)缺點如下： 楔橫軋方法的優(yōu)點： 2 第一犖緒論 1 ) 生產(chǎn)效率高。楔橫軋每l m i n 生產(chǎn)8 1 0 件，模鍛生產(chǎn)軸類零件，需多道 工序，每l m i n 生產(chǎn)2 4 件【17 1 。 2 ) 工作載荷小【1 8 】。楔橫軋的工作載荷只是模鍛的幾分之一到幾十分之一， 所以設(shè)備重量小，模具壽命長。 3 ) 設(shè)備利用率高。楔橫軋成形的零件精度高，可以成形接近直角的臺階，沒 有飛邊損失，僅有料頭損失，材料利用率提高1 5 - 2 5 。 4 ) 噪聲小。楔橫軋的噪聲小于6 0 d b t l 9 1 ，模鍛的噪聲大于l o o d b 2 0 1 等。 楔橫軋方法的缺點： 1 ) 模具大并且復(fù)雜口1 1 。楔橫軋的模具都比較大，并且復(fù)雜，所以工藝調(diào)整 也相對復(fù)雜。 2 ) 設(shè)備不通用2 2 1 。楔橫軋機只能成形軸類零件，或者為非軸類零件制作坯 料，不如模鍛設(shè)備鍛造的零件范圍等。 1 1 4 楔橫軋技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展 ( 一)楔橫軋技術(shù)在國外的應(yīng)用 楔橫軋原理最早出現(xiàn)于1 8 8 5 年的德國，這種新思想由于當時落后的機制工藝 及技術(shù)水平而未能實現(xiàn)。1 8 7 9 l e b e k y 因提出板式楔橫軋機而獲得專利。6 年之 后，s i m o n d s 因試圖用二輥楔橫軋機軋出汽車用軸而獲得專利晗鍆。又過了8 年， e r k e n z w e i g 在板式楔橫軋機上進行了軋制實驗口鍆。到了1 9 6 1 年原捷克斯洛伐克 l e t n a r y 汽車制造廠工程師j i r ih o l u b 將這項工藝與設(shè)備用于汽車軸類零件以及 五金工具坯等工業(yè)生產(chǎn)，并在萊比錫國際博覽會上展出，得到了世人的廣泛重視， 從而成為眾所周知的軸類零件成形新工藝和新技術(shù)哺1 。2 0 世紀6 0 年代后期，原 東德e r f u r t 公司楔橫軋設(shè)備研制工程小組完成了平板式楔橫軋軋機的設(shè)計與制 造瞳7 】，即u w q 4 0 4 0 0 型板式楔橫軋機。它采用焊接結(jié)構(gòu)，全自動控制，并以此為 基礎(chǔ)形成u w q 系列軋機。這項技術(shù)在原蘇聯(lián)也得到廣泛的應(yīng)用，除有輥式、板式 楔橫軋機外，還有單輥弧形式楔橫軋。生產(chǎn)的產(chǎn)品有汽車、拖拉機、電機的軸類 零件。日本三菱重工于2 0 世紀6 0 年代也開始研制楔橫軋工藝嘲3 ，并從1 9 6 8 年開 3 m 東大學(xué)順學(xué)位論文 始正式生產(chǎn)m c r 型二輥式楔橫軋機，并將楔橫軋技術(shù)用于生產(chǎn)汽車軸類零件。 ( 二)楔橫軋技術(shù)在我國的應(yīng)用 我國早在2 0 世紀5 0 年代就開始楔橫軋工藝的探討和試驗工作”。1 9 6 3 年， 重慶大學(xué)等科研單位開始楔橫軋汽車球銷的實驗研究工作，到1 9 7 0 年獲得初步成 功舊1 。這是我國楔橫軋工藝走向寅用的最早嘗試，但由于某些原因未能應(yīng)用于丁 業(yè)生產(chǎn)。上海鍛壓機床三廠研制成功單輥弧形式楔橫軋鯉魚鉗毛坯新工藝”“，是 我國最早將楔橫軋應(yīng)用于生產(chǎn)的單位，并收到了較好的經(jīng)濟效果。但由于單輥弧 形式楔橫軋在模具制造、t 藝調(diào)整等方面都十分困難，故一直沒有得到推廣。北 京鋼鐵學(xué)院( 現(xiàn)北京科技大學(xué)) 從7 0 年代初開始，在孔型斜軋基礎(chǔ)上開展楔橫軋技 術(shù)的研究開發(fā)與推廣工作，先后幫助建成楔橫軋生產(chǎn)線4 0 多條，開發(fā)并應(yīng)用于生 產(chǎn)的零件達到了1 3 0 余種”“。8 0 年代以來，機械部濟南鑄鍛研究所、鄭州機械所、 北京機電研究所、吉林工業(yè)大學(xué)，先后開展楔橫軋的研究和開發(fā)工作，也都取得 了不同的進展。圖卜1 所示為部分楔橫軋產(chǎn)品o ”。 圈l l 部分楔橫軋產(chǎn)品 第章緒論 1 2 課題來源、背景、目的 1 2 1課題的來源及背景 金屬塑性成型技術(shù)是現(xiàn)代化制造業(yè)中金屬加工的重要方法之一。它是金屬材 料在模具和鍛壓設(shè)備作用下發(fā)生變形，獲得所需的形狀、尺寸和性能的制作加工 過程。金屬塑性成型過程是一個復(fù)雜的彈塑性大變形過程，該過程涉及幾何非線 性、材料非線性、邊界條件非線性等一系列難題。影響成形的因素很多，如模具 和毛坯形狀、材料特性、摩擦和潤滑、加工溫度以及工藝參數(shù)等等，因此若工藝 分析不完善、模具設(shè)計不合理或者材料選擇不當，則會造成產(chǎn)品達不到質(zhì)量要求， 造成大量的次品和廢品，增加模具的設(shè)計制造時間和費用。 應(yīng)用塑性成形的數(shù)值模擬方法主要有上限元法、邊界元法、和有限元法。上 限元法常用于分析較為簡單的準穩(wěn)態(tài)變形問題【3 4 j ；而邊界元法主要用于模具設(shè)計 分析和溫度計算【3 5 】；對于大變形的體積成形和板料成形，變形過程常呈非穩(wěn)態(tài)， 形狀、邊界、材料性質(zhì)等都會發(fā)生很大的變化，有限元法可由試驗和理論方法給 出的本構(gòu)關(guān)系、邊界條件、摩擦關(guān)系式，按變分原理推導(dǎo)出場方程【3 6 1 ，根據(jù)離散 技術(shù)建立計算模型【3 7 】，從而實現(xiàn)對復(fù)雜成形問題進行數(shù)值模擬，分析成形過程中 的應(yīng)力應(yīng)變分布及其變化規(guī)律，由此提供較為可靠的主要成形工藝參數(shù)。 1 2 。2 課題的研究目的 當前，有限元法已成為分析和研究金屬塑性成形問題的最重要的數(shù)值分析方 法之一，它具有以下優(yōu)點： 奪由于單元形狀具有多樣性，有限元法適用于任何材料模型、任意邊界條件、 任意的結(jié)構(gòu)形狀，在原則上一般不會發(fā)生處理上的困難。 奪能夠提供金屬塑性成形過程中變形力學(xué)的詳細信息( 應(yīng)力應(yīng)變場、速度場、 溫度場、網(wǎng)格畸變等) ，為優(yōu)化成形工藝參數(shù)及模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供詳細 而可靠的依據(jù)。 雖然有限元法的計算精度與所選擇的單元類型、單元的大小等有關(guān)，但隨 山東大學(xué)碩卜學(xué)位論文 i 著計算機技術(shù)的發(fā)展，有限元法將提供高精度的技術(shù)結(jié)果。 用有限元法編制的計算機程序通用性差強，可以用于求解大量復(fù)雜的問 題，只需修改少量的輸入數(shù)據(jù)即可。 由于計算過程完全計算機化，既可以減少一定的實驗工作，又可直接與 c a d c a m 實現(xiàn)集成，使模具設(shè)計過程自動化。 1 2 3 楔橫軋軋制成形模擬的研究意義 準確掌握楔橫軋在軋制變形過程中的金屬流動規(guī)律、應(yīng)力應(yīng)變場分布、溫度 分布等是認識和解決楔橫軋中零件的成形規(guī)律、缺陷發(fā)生原因、軋制力能參數(shù)大 小等的基礎(chǔ)【3 8 】3 8 。為此人們使用密柵云紋方法、滑移線方法【3 9 】等來研究分析楔橫軋 的應(yīng)力應(yīng)變與金屬流動等規(guī)律，其研究結(jié)果對認識并解決楔橫軋中的某些理論與 實際問題起到了積極作用。但由于上述方法的一些前提假設(shè)與實際相差很大等原 因許多情況下做出的結(jié)果不是很精確甚至不能得出結(jié)梨4 0 1 。隨著數(shù)值模擬和計算 機技術(shù)的飛速發(fā)展，人們開始用塑性有限元數(shù)值模擬研究、分析和解決軋制過程 中的問題。 1 3 小結(jié) 楔橫軋是一種高效、低耗、產(chǎn)品質(zhì)量好、綠色的軸類零件成形新工藝、新技 術(shù)，是當今先進制造技術(shù)的組成部分，是世界公認的軸類零件成形新技術(shù)。研究 楔橫軋對于創(chuàng)新工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量有重要意義。 6 第二章理論原理 第二章理論原理 2 1軋制原理 2 1 1 軋輥與軋件的相對運動 ( 一)軋輥與軋件的圓周速度 圖2 - 1 為典型楔橫軋軋制的兩個視圖。軋輥以逆時針主動旋轉(zhuǎn)，帶動軋件順 時針旋轉(zhuǎn)。 軋輥上任意一點的圓周速度v 為 v ：以r ：絲墮( 2 1 ) 6 0 式中 q 、偉分別為軋輥的角速度與轉(zhuǎn)速； r 、卜分別為軋輥上任意一點的半徑與直徑； 軋輥的圓周速度，如圖2 1 所示，呈三角行o , e b 分布。 軋輥表面圓周速度最大值在b 處( 楔頂處) ，其速度為 v b = ( 0 1 r 8 = 至盟6 0 式中、d 口分別為軋輥楔頂面( b 處) 的半徑與直徑。 們萍 k 眨肜麝 k 約k 旺￥鱉酸 i h 一 、纊螽 1 ，廠 舌 | o i jf 0 1 上 y ，kil i ，? 一心 k u 、 圖2 - i 典型楔橫軋軋制主側(cè)視圖 7 山東大學(xué)碩卜學(xué)位論文 軋輥表面圓周速度最小值在a 處( 指與軋件接觸表面中) ，其速度為 屹恥警 式中心、珥分別為軋輥與軋件接觸表面中最小半徑與直徑。 將軋件視為絕對剛體，當正常穩(wěn)定* l n 時，軋件上任一點的圓周速度緲為 國：w ，：x a n ,( 2 2 ) 6 0 式中w 2 、傷分別為軋件的角速度與轉(zhuǎn)速； r 、d 分別為軋件上任意一點的半徑與直徑。 軋件的表面圓周速度最大值在a 處，其速度為 = _ = 型6 叢0 式中么、以分別為軋件表面最大半徑與直徑( 即軋件的外徑) 。 軋件表面圓周速度最小處在b 處( 指與軋輥接觸表面中) ，其速度為 = = 蘭縫6 0 式中白、如分別為軋件與軋輥楔頂面接觸表面的半徑與直徑。 ( 二)軋輥與軋件間的相對滑動 當正常穩(wěn)定軋制時，并將軋件視為絕對剛體時，軋輥與軋件的相對運動如下t 1 ) 在k 處，軋輥與軋件的圓周速度是相等的。在k 處軋輥與軋件做無相對滑 動的滾動。k 點位置應(yīng)根據(jù)軋件自身力矩平衡條件來確定，即作用于軋件上的力 矩之和為零。但由于孔型形狀、壓力分布、摩擦系數(shù)等十分復(fù)雜，很難用分析式 求解，但可以用實n * l 輥轉(zhuǎn)速，z i 與軋件轉(zhuǎn)速傷的方法求得。 2 ) 在k b 段，軋輥的圓周速度v 大于軋件的圓周速度，之間產(chǎn)生相對滑動。 由于b 處壓力大，相對滑動也很大，所以在軋輥b 處附近是最容易磨損的。 在k a 段，軋輥的圓周速度v 均小于軋件的圓周速度緲，之間產(chǎn)生相對滑動。盡管 a 處的相對滑動較大，但此處的壓力并不大，所以在a 處附近的磨損不如b 處附 近嚴重。 8 第二章理論原理 ( 三)軋件上的扭矩 以楔橫軋軋件作為平衡對象，由于相對滑動發(fā)生的摩擦力對軋件形成力偶矩， 沿軋件長度上是變化的。此力矩 l 在軋件內(nèi)產(chǎn)生的剪應(yīng)力f 應(yīng)小于軋件熱狀態(tài)下 的屈服剪應(yīng)力r 。否則發(fā)生扭轉(zhuǎn)塑性成形，即 f = 魯w t ( 2 - 3 ) 式中礦軋件的剪切模量。 2 1 2 軋件的旋轉(zhuǎn)條件 ( 一) 橫扎的旋轉(zhuǎn)條件 楔橫軋與斜軋的旋轉(zhuǎn)條件都是建立在簡單橫扎旋轉(zhuǎn)條件基礎(chǔ)上的，與簡單橫 扎的旋轉(zhuǎn)條件原理相同。所謂簡單橫扎是指忽略導(dǎo)板、導(dǎo)管等作用在軋件上的外 力，忽略軋件的自重與慣性力，且軋制線與軋機中心一致。 當垂直于軋制軸線剖開時，軋制情況如圖2 2 所示，軋輥給軋件作用四個力： 兩個p 力與兩個t 力。他們對稱作用于軋件，p 為正壓力，它的方向一邊通過軋 輥中心q ，另一邊通過接觸弧么b 的中間位置( 近似值) ，即p 力的方向與q q 夾 角為旋轉(zhuǎn)角的一半；t 為軋輥給軋件的摩擦力，它與p 力垂直，其大小與正壓 力p 成正比，即 t = p ( 2 4 ) 式中軋輥與軋件間的摩擦系數(shù)。 9 山東大學(xué)碩十學(xué)位論文 圖2 2 簡單橫扎的受力圖 軋件能夠旋轉(zhuǎn)起來的條件應(yīng)該是t 力組成的力偶矩坼大于或者等于p 力組 成的力偶矩m 。，即 m t 2 mp ta pb 式中a 兩個t 力之間的垂直距離；卜兩個p 力之間的垂直距離。 橫扎由于沙角很小，c 值可以省略，旋轉(zhuǎn)條件的公式簡化成 堡堅t a i l 竺：( 1 + 二) t a i l 坐 ( 2 5 ) ， 2 、 r 7 2 代入公式，計算簡化得 腳+ 船睜 z d 稱為相對壓縮量。z d 值較小，倒d ) 2 值更小可以忽略不計，這樣可以得 到更為簡單的旋轉(zhuǎn)條件關(guān)系式，即 序( 1 + 寺吾 ( 2 - 6 ) ( - - - ) 楔橫軋的旋轉(zhuǎn)條件 楔橫軋的旋轉(zhuǎn)條件是建立在簡單橫扎基礎(chǔ)上的，即可以運用先前公式計算或 校核出楔橫軋能否旋轉(zhuǎn)的問題。 1 0 第二章理論原理 曼量曼曼曼曼皇曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼舅! 曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼量曼量曼曼鼉 = m = m = m 昌m m m 皇量鼉曼曼皇曼鼉皇曼曼曼曼量曼量曼量曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼皇置皇 圖2 3 為典型楔橫軋展開圖。圖中為軋輥的展開角，口為軋輥的成形角，磊 為軋件未軋錢的原始直徑，d 。為軋件軋后直徑。滿足楔橫軋旋轉(zhuǎn)條件是指從i - i 位置軋制到i i - i i 位置中軋件無整體打滑，即軋件以軋制直徑吃作無滑動的滾動 ( 故或又稱作軋件的滾動直徑) 。 口 kk & 癸島拜g 妻扯 。 弋) s 一 黽 、 目 i 毛長 力門 筍 n 、 培善 ；、 宣，u 一 i r 勱步懶杉么豹鐋易矗 k 。 楔橫軋旋轉(zhuǎn)條件普遍式為： 2 1 3 模具的展寬角 圖2 - 3 典型楔橫軋展寬圖 唧毒 億7 ) 展寬角( 又稱楔展角) 是楔橫軋中最主要的工藝參數(shù)之一。也是軋輥孔型 設(shè)計中最主要的參數(shù)之一。角設(shè)計的越大，軋輥的直徑d 越小，這對軋輥的加 工制造、節(jié)省模具的材料、減少整個設(shè)備的外形尺寸及重量等有利，但它受旋轉(zhuǎn) 條件的限制。 山東大學(xué)碩仁學(xué)位論文 按旋轉(zhuǎn)條件公式，改造成 1 再m d k l 2 】 ( 2 - 8 ) 萬礬尼( 1 + 景) t a n 口 那么根據(jù)旋轉(zhuǎn)條件，允許最大的展寬角( 或稱極限展寬角) 為 。刪再m d , u 2 】 ( 2 _ 9 ) 式中r 滾動系數(shù)。 一般g = o 4 0 7 ( 當軋過的頂面修低時g 更大) ，若去g = o 5 ，則得到 。刪磊聒m t 1 2 】 ( 2 - 1 0 ) 2 1 4 軋件端面移動量 當楔形模具從軋件中部楔入時，將引起軋件上未參見變形的端部向外移動， 其移動距離稱為軋件端面移動量。圖2 - 5 表示了軋制過程進行到任意位置y 時， 軋件端面移出的距離t ，圖中o a 即軋件端面移動量曲線。 1 2 o l l _ | “1 0 r 心 l 一p 一f 。 卜| |。 1 一 r 圖2 - 4 端面移動量曲線示意圖 第二章理論原理 金屬體積在壓力加工中具有不可壓縮性( 鑄造金屬加工壓力加工的最初階段 除外) ，因此在變形前后，其總體積保持不變，這一結(jié)論稱之為體積不變定律。根 據(jù)體積不變定律，軋件端面移出的體積應(yīng)該等于被模具擠開的體積。然而，由于 軋件是在旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生變形的，所以軋件被擠開的體積并不等于模具凸起的體積。 因此需要根據(jù)楔橫軋工藝的特點，建立在模具壓入的任意位置計算軋件上已變形 區(qū)體積的數(shù)學(xué)幾何模型，并推導(dǎo)出相應(yīng)公式。 楔橫軋的工藝特點決定了在正常展寬階段，軋件變形區(qū)表面為阿基米德螺旋 面，其螺距h = 2 萬r kt 強。該螺旋面與垂直與軋件軸線平面的交線為阿基米德旋 線。該螺旋線的極坐標方程可表示為： p = ( 2 1 1 ) 式中p 極徑：極角；a 一參數(shù)。 根據(jù)阿基米德螺旋面的幾何數(shù)學(xué)性質(zhì)及特定螺距h ，可得參數(shù)a 的表達式為 a = r kt a n f l t a n a ( 2 1 2 ) 式中模具展寬角；口模具成形角；軋件旋轉(zhuǎn)半徑。 在楔入過程中，軋件變形區(qū)的幾何形狀是變化的，所以在計算被模具擠開的 體積時，需分階段進行分析。 2 2 軋齊理論 階梯軸類的臺階，按其位置可分為外臺階和內(nèi)臺階。當形成某些特定形狀內(nèi) 臺階時，需要軋齊理論設(shè)計軋輥模具。 2 2 1 軋齊原理 在楔橫軋成形工藝中，布置在軋輥模具上的楔形凸起，主要由楔入段，展寬 段和精整段等部分組成。多數(shù)情況下，在展寬段和精整段還存在過渡段。 展寬段中，在軋輥模具的作用下，軋件上形成兩個相差1 8 0 。對稱的變形區(qū)。 在變形區(qū)中，金屬成螺旋狀徑向壓縮和軸向延伸，在軋件已成形區(qū)和未變形區(qū)之 1 3 山東大學(xué)碩l 學(xué)位論文 間形成具有阿基米德螺旋面特性的螺旋狀斜臺階。這種變形屬于螺旋狀的局部連 續(xù)小變形。 模具精整段的形狀是與軋件表面幾何形狀相對應(yīng)的縱向型槽。軋件表面一般 由圓柱面、圓錐面和圓弧面等臺階組成。他們相對模具中心線的位置分為內(nèi)臺階 和外臺階。 過渡段中，模具展寬段與精整段間的自然過渡交線( 圖2 - 5 中陰線，簡稱自 然交線) 的形狀與走向，有模具成形角、展寬角和軋件表面形狀決定。 ( 一)螺旋臺階產(chǎn)生原因 產(chǎn)生螺旋狀臺階的原因可用體積不變定律解釋。如圖2 5 所示，在產(chǎn)品內(nèi)臺 階傾角0 大于模具成形角口的情況下，模具的自然過渡交線為陰線。其特點為軋 件首先達到模具上的b 點，后達到h 點。當軋件達到自然交線的開始點a a 線時， 軋件上形成傾角為口的內(nèi)斜臺階，它的體積是a b a b 所包圍的圓錐臺體積。該體 積顯然大于傾角為目的h b h b 所包圍的圓錐臺體積。由于變形特點是旋轉(zhuǎn)的局部 連續(xù)小變形，因此這種內(nèi)側(cè)金屬受擠壓時將外側(cè)已變形金屬推出的現(xiàn)象也是在螺 旋中逐漸產(chǎn)生的，故在產(chǎn)品的內(nèi)臺階上留下螺旋狀臺階。 ( 二)過渡設(shè)計準則 為了避免推空現(xiàn)象出現(xiàn)，應(yīng)適當變動自然交線，在模具展寬段和精整段間新 設(shè)計一個過渡段。即在模具展寬段適當位置上逐漸減少或改變模具成型面，使金 屬被擠壓而造成的軋件內(nèi)臺階已成形部分向外的延伸量( 軋件端面移動量) 不大 于模具成形面變化部分的軸向展寬量。這樣就可以保證在變形過程中軋件與模具 表面變化部分的良好接觸。 模具成形面變化部分的軸向展寬量小于軋件端面展寬量，就會形成推空；反 之，將會使壓到已成形的大直徑處，增大軋制時的瞬時變形量，對軋制產(chǎn)生不利 影響，嚴重時軋件頸部會產(chǎn)生較深的螺旋痕甚至縮頸。因此，設(shè)計模具過渡段必 須遵循的準則就是使模具成形面變化部分的軸向展寬量與軋件端面移動量相一 致。 ( 三)體積平衡原理 滿足過渡段設(shè)計準則的軋齊曲線方程可以利用體積不變原理得到。這個原理 1 4 第二章理論原理 可以描述為：在軋齊過程中任意位置，參與變形的體積在變形前后總量不變。它 也可以稱為總體積平衡。其數(shù)學(xué)表達式為 v ( r o ) 。= 礦( ，) ， ( 2 1 3 ) 式中v ( r o ) ，軋齊開始時螺旋斜錐體各部分體積之和： y ( ，) ，軋齊過程中任意位置剩余螺旋斜錐體及軋齊開始后形成 的已成形區(qū)各部體積之和。 該原理也可描述為：在軋齊過程中任意位置，軋件螺旋斜錐體與內(nèi)臺階之間 的體積差恒等于軋件頸縮處還需伸長的體積。它也可稱為差平衡原理。 2 2 2 直角臺階的軋齊曲線 ( 一) 基本關(guān)系 在模具展寬段，軋件形成如圖2 - 6 所示螺旋狀斜臺階。根據(jù)軋齊原理，把這 樣形狀的臺階軋成內(nèi)直角臺階，需要用軋齊曲面將模具展寬段按要求過渡到精整 段。由于精確求解比較困難，所以各種類型的臺階曲線應(yīng)由簡化的臺階模型導(dǎo)出 的軋齊曲線( 稱為簡化軋齊曲線) ，在應(yīng)用時乘以適當系數(shù)進行修正。 1 5 l 【j 東大學(xué)碩l 學(xué)位論文 b 。絮 0 ( 1 r c 。 d -、l 1 j 1 廠泣 【o i i 。 jl 1 jj ： i 良 鄉(xiāng)7 ji 1 r 叁 o 1 _ y 、 f j ：一n 、 一 1 yn 圖2 - 6 直角臺階軋齊曲線圖形 設(shè)直角正交坐標系x y z 如圖所示，過渡段由成形面a b a b 0 與垂直于軋輥模 具母線的軋齊曲面b b 0 所組成。在x o y 平面軋齊曲線與軋齊曲面重合。隨著軋齊 曲線上動點b 。由b 到0 ，軋件上已成形內(nèi)直角臺階的高度由零逐漸增大并向外移 動，直至內(nèi)直角臺階完整形成。曰點與y 軸的距離就是軋齊曲線在該點的提前量。 系 1 6 在上圖所示的坐標系中，軋齊曲線上任意點b 的坐標值均應(yīng)滿足下述幾何關(guān) y = 【x + ( ，一，i ) c o t 口】c o t ( 2 一1 4 ) 式中口模具成形角；模具展寬角；r 軋件任意位置半徑； ，i 軋件軋后半徑；y 軋齊曲線上任意點沿模具展開方向上的長 第_ - - 2 章理論原理 度；x 軋齊曲線上任意點的提前量。 ( 二) 軋齊曲線 根據(jù)過渡段模具設(shè)計準則和體積平衡原理，內(nèi)直角臺階過渡段的設(shè)計要求是， 在軋齊過程中任意位置，內(nèi)臺階還未軋齊的空心圓錐體體積恒等于軸頸處需要伸 長的體積。空心圓錐體的體積是圖中三角形面積繞軋件軸線旋轉(zhuǎn)一周所形成的體 積c 。所以有 圪6 。2 圪 ( 2 一1 5 ) 式中 任意位置空心圓錐體體積；k 軸頸處需伸長的體積。 代入公式，積分求解的 h 未吖+ 爭去 y ：! 二芷( 2 - 1 7 ) 3 吒2t a n a t a n p x 、y 即為任意位置半徑r 為參數(shù)在x o y 平面上的直角臺階軋齊曲線方程。 2 3 小結(jié) 楔橫軋的軋制原理、軋齊曲線是研究楔橫軋工藝的理論基礎(chǔ)，這對于研究零 件軋制過程、軋輥磨損的原因以及扭轉(zhuǎn)變形缺陷等都有直接關(guān)系。仿真模擬楔橫 軋需要輸入某些參數(shù)，因此我們要對楔橫軋的軋制原理和軋齊理論有一定了解。 1 7 山東大學(xué)碩卜學(xué)位論文 第三章模具設(shè)計 3 1 模具設(shè)計的一般原則 在設(shè)計楔橫軋模具時，一般應(yīng)遵循下述四個原則或者條件。 ( 一)對稱原則 楔橫軋模具上的左右兩條斜楔，在工藝上希望完全對稱。這樣在軋制過程中 模具兩邊作用于軋件兩邊的力只、只、是對稱的，因而不會由于軸向力e 不等 而產(chǎn)生軸向竄動，也不會由于軋件兩邊轉(zhuǎn)速不一致而扭曲。 對于對稱的軸類零件，只需要在工藝上加以注意，就可以避免產(chǎn)生扭曲現(xiàn)象。 但是，多數(shù)軸類件在長度上是不對稱的，為了使作用于軋件兩邊的力符合對 稱原則，有四種解決辦法： ( 1 ) 成對軋制。將不對稱的兩個軸類件相對在一起軋制。這種辦法不公將 非對稱軸類件變?yōu)橥耆珜ΨQ的軋制，并且使軋機的生產(chǎn)率提高一倍， 介對某些長軸類件，往往受到模具尺寸的限制而無法采用。較適合短 軸類零件。 ( 2 ) 分段對稱軋制。將非對稱軸分段用對稱楔軋制。 ( 3 ) 長棒料預(yù)軋楔軋制。用預(yù)軋楔的方法將非對稱軸類件變?yōu)閷ΨQ軋制。 預(yù)軋楔軋制是一種有效地將非對稱軸的軋制變?yōu)閷ΨQ軋制或接近對稱 軋制的方法，它是以長棒軋制為基礎(chǔ)的。 ( 4 ) 對稱力軋制?？蓪⒆笥覂蓷l斜楔的工藝參數(shù)( 成形角c l 與展寬角b ) 采取不等數(shù)值，使其作用于軋件的力，尤其是軸向力盡可能相等的辦 法。 ( 二) 旋轉(zhuǎn)條件 設(shè)計楔橫軋模具時，軋件在模具孔型的帶動下能正常地旋轉(zhuǎn)，是楔橫軋必須 的先決條件。楔橫軋旋轉(zhuǎn)條件的判別式為： 1 8 第二章模具設(shè)計 式中吐軋件軋后的直徑； 甌軋件的滾動直徑； ( 3 - i ) d 1 軋輥上模具的楔頂直徑。 從旋轉(zhuǎn)條件判別式可以看出： 1 ) 模具與軋件間的摩擦系數(shù)越大，旋轉(zhuǎn)條件越好，而且是平方關(guān)系的 影響。所以增加摩擦系數(shù)是保證旋轉(zhuǎn)條件最重要的最有效的因素。 2 ) 模具的成形角口、展寬角、軋件的軋后直徑與模具楔頂直徑之比 吐d , 越小，旋轉(zhuǎn)條件越好。但這些參數(shù)還受其他重要條件的限制，調(diào)整余地 不大。根據(jù)理論與實踐，成形角q 大多在以下范圍內(nèi)選擇：1 8 。q 3 4 。展 寬角大多在以下范圍內(nèi)選擇：4 b 1 2 。 ( 三)頸縮條件 楔橫軋的變形是徑向壓縮軸向延伸，因此在設(shè)計楔橫軋模具時，應(yīng)滿足軋件 不因軸向力過大將軋件拉細這個條件。軋件不被軸向力只拉細的判別條件為 2 丟萬砰仃 或p 7 0 時，應(yīng)該選擇較小的值，否則容易產(chǎn)生縮頸；當1 l r 3 5 時，也應(yīng)該 選擇較小的值，否則容易產(chǎn)生疏松。 表3 - 2 斷面收縮率與展寬角的關(guān)系 2 1 山東大學(xué)碩卜學(xué)位論文 斷面收縮率g 8 0 7 07 0 6 06 0 5 0 5 0 4 0 p a r a 命令，選中c w f x - t 文件，單擊o k 導(dǎo)入模型。由于 軟件間單位與接口問題，模型被縮小為千分之一，需放大。選擇m a i nm e n u p r e p r o c e s s o r m o