小断面收缩率轴类零件楔横轧成形的可行性分析

D0L:10.13374h.issn1001-053x.2011.06.017 第33卷第6期 北京科技大学学报 Vol.33 No.6 2011年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2011 小断面收缩率轴类零件楔横轧成形的可行性分析 刘文科 张康生回 胡正寰 北京科技大学机械工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:zhang.ks@me.ustb.eu.cn 摘要利用ANSYS/LS-DYNA软件，对楔横轧小断面收缩率轴类零件的成形过程进行了有限元数值模拟，通过与常规断面 收缩率轧件对比，分析了小断面收缩率轧件的表面和心部质量情况.结果表明：相同工艺参数条件下，小断面收缩率轧件横截 面的椭圆度大于常规断面收缩率轧件：由于小断面收缩率轧件中心点处的平均应力和最大主应力均较大，因而更容易发生心 部缺陷。提出了改善轧件表面和心部质量的措施。经轧制实验验证，楔横轧成形小断面收缩率轴类零件是可行的. 关键词轴：楔横轧：金属成形：有限元法：应力分析 分类号TG335.19 Feasibility study on forming light area reduction shafts by cross wedge rolling LIU Wen-ke,ZHANG Kang-sheng,HU Zheng-huan School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:zhang.ks@me.ustb.edu.cn ABSTRACT The forming process of light area reduction shafts by cross wedge rolling was simulated with the analysis software AN- SYS/LS-DYNA.Surface and central qualities of light area reduction rolled pieces were analyzed in comparison with those of conven- tional area reduction rolled pieces.It is found that the ovality of the light area reduction rolled piece exceeds that of the conventional ar- ea reduction rolled piece under the same process parameter condition.Compared with the conventional area reduction rolled piece,the light area reduction rolled piece is more prone to central defects due to its both larger mean stress and maximum principal stress at the central point.Some measures to improve surface and central qualities of the rolled piece were proposed.Rolling experiments were car- ried out and the results demonstrate that forming light area reduction shafts by cross wedge rolling is feasible. KEY WORDS shafts;cross wedge rolling:metal forming:finite element method:stress analysis 楔横轧是一种轴类零件成形新工艺，与传统的 提高生产效率、节省材料和降低成本具有积极意义. 切削、锻造工艺相比，具有生产效率高、节约材料和 与常规断面收缩率零件相比，小断面收缩率轴 劳动条件好等优点，被公认是当今先进制造技术的 类零件的金属变形主要集中在表面及其附近区域 组成部分四.其工作原理为：两个带楔形模具的轧辊 由于径向压缩量相对较小，在轧制过程中金属不容 以相同方向旋转，带动轧件反向旋转，轧制成轴类零 易从外部擀出，轴向流动困难，容易出现椭圆化或锥 件.楔横轧的主要变形是径向压缩和轴向延伸回 度问题，同时心部也容易出现疏松或孔腔等缺陷. 小断面收缩率轴类零件是指在楔横轧加工过程 以往对于楔横轧的研究多集中在常规断面收缩率和 中横截面积缩减率小于35%的轴类零件.适合楔横 大断面收缩率零件上，对于小断面收缩率轴类零件 轧成形的阶梯轴中绝大多数都含有小断面收缩率截 尚未进行过专门研究.本文建立了小断面收缩 面，某些零件甚至大部分截面都属于小断面收缩率. 率轴类零件的楔横轧有限元模型，通过模拟和实验 随着我国工业经济的飞速发展，这类零件的市场需 结果分析对楔横轧成形小断面收缩率轴类零件的可 求越来越大，开发这类产品的楔横轧成形技术，对于 行性进行探讨. 收稿日期：2010-08-02 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No.51075030)

第 33 卷 第 6 期 2011 年 6 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 6 Jun． 2011 小断面收缩率轴类零件楔横轧成形的可行性分析 刘文科 张康生 胡正寰 北京科技大学机械工程学院，北京 100083 通信作者，E-mail: zhang． ks@ me． ustb． edu． cn 摘 要 利用 ANSYS /LS-DYNA 软件，对楔横轧小断面收缩率轴类零件的成形过程进行了有限元数值模拟，通过与常规断面 收缩率轧件对比，分析了小断面收缩率轧件的表面和心部质量情况． 结果表明: 相同工艺参数条件下，小断面收缩率轧件横截 面的椭圆度大于常规断面收缩率轧件; 由于小断面收缩率轧件中心点处的平均应力和最大主应力均较大，因而更容易发生心 部缺陷． 提出了改善轧件表面和心部质量的措施． 经轧制实验验证，楔横轧成形小断面收缩率轴类零件是可行的． 关键词 轴; 楔横轧; 金属成形; 有限元法; 应力分析 分类号 TG335. 19 Feasibility study on forming light area reduction shafts by cross wedge rolling LIU Wen-ke，ZHANG Kang-sheng ，HU Zheng-huan School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: zhang． ks@ me． ustb． edu． cn ABSTRACT The forming process of light area reduction shafts by cross wedge rolling was simulated with the analysis software AN￾SYS /LS-DYNA． Surface and central qualities of light area reduction rolled pieces were analyzed in comparison with those of conven￾tional area reduction rolled pieces． It is found that the ovality of the light area reduction rolled piece exceeds that of the conventional ar￾ea reduction rolled piece under the same process parameter condition． Compared with the conventional area reduction rolled piece，the light area reduction rolled piece is more prone to central defects due to its both larger mean stress and maximum principal stress at the central point． Some measures to improve surface and central qualities of the rolled piece were proposed． Rolling experiments were car￾ried out and the results demonstrate that forming light area reduction shafts by cross wedge rolling is feasible． KEY WORDS shafts; cross wedge rolling; metal forming; finite element method; stress analysis 收稿日期: 2010--08--02 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( No． 51075030) 楔横轧是一种轴类零件成形新工艺，与传统的 切削、锻造工艺相比，具有生产效率高、节约材料和 劳动条件好等优点，被公认是当今先进制造技术的 组成部分［1］． 其工作原理为: 两个带楔形模具的轧辊 以相同方向旋转，带动轧件反向旋转，轧制成轴类零 件． 楔横轧的主要变形是径向压缩和轴向延伸［2］． 小断面收缩率轴类零件是指在楔横轧加工过程 中横截面积缩减率小于 35% 的轴类零件． 适合楔横 轧成形的阶梯轴中绝大多数都含有小断面收缩率截 面，某些零件甚至大部分截面都属于小断面收缩率． 随着我国工业经济的飞速发展，这类零件的市场需 求越来越大，开发这类产品的楔横轧成形技术，对于 提高生产效率、节省材料和降低成本具有积极意义． 与常规断面收缩率零件相比，小断面收缩率轴 类零件的金属变形主要集中在表面及其附近区域． 由于径向压缩量相对较小，在轧制过程中金属不容 易从外部擀出，轴向流动困难，容易出现椭圆化或锥 度问题，同时心部也容易出现疏松或孔腔等缺陷． 以往对于楔横轧的研究多集中在常规断面收缩率和 大断面收缩率零件上，对于小断面收缩率轴类零件 尚未进行过专门研究［3--8］． 本文建立了小断面收缩 率轴类零件的楔横轧有限元模型，通过模拟和实验 结果分析对楔横轧成形小断面收缩率轴类零件的可 行性进行探讨． DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.06.017

第6期 刘文科等：小断面收缩率轴类零件楔横轧成形的可行性分析 ·763 1 模型与边界条件 ,e=a,(el+(管)] (1) 1.1有限元模型 式中，σ，(e)为没有考虑应变率时的屈服应力， 本文基于ANSYS/LS-DYNA有限元软件分析平 MPa;e为有效应变；e为有效应变速率；C、P为应 台，建立楔横轧小断面收缩率轴类零件的有限元模 变率参数 型，该模型由上下配有模具的轧辊及轧件构成，如图 模拟中轧件材料选择为45钢，采用八节点三维 1所示.为了方便视图，图中省略了挡板.考虑到轧 实体单元(Solid164)进行离散，材料弹性模量E= 辊和轧件的左右对称性，模拟中可对其进行1/2对 90GPa.轧辊与轧件之间的接触采用面一面接触模 称简化，并在对称面上施加轴向几何约束. 型(STS),轧辊表面为目标面，轧件表面为接触面. 摩擦类型简化为库仑摩擦，摩擦因数取u=0.5.轧 制过程中轧件温度设定为1100℃.模拟的其他主 要参数如表1所示. 轧件 表1主要模拟参数 Table 1 Main process parameters for simulation 轧辊直径，成形角，展宽角，展宽长度，轧辊转速，坯料直径， D/mm al()Bl()L/mm n/(r'min-1)D/mm 下辊 50028,39,513,5 120 12 40 图1楔横轧有限元模型 Fig.1 Finite element model of cross wedge rolling 2模拟结果与分析 1.2模拟边界条件 2.1轧件的成形过程 轧辊与模具视为刚性体，采用刚性壳单元 图2为轧件在轧制过程楔入、展宽和精整三个 (Shell163)对模具进行离散，材料弹性模量E= 阶段时的成形状态.可以看出，变形从轧辊楔入轧 210GPa.轧件采用多段线性弹塑性体，非线性特性 件开始，随着轧制过程的不断进行，轧件径向不断 采用Cowper-Symbols模型，考虑应变率的影响，其本 被压缩，轴向不断被延伸，最终被轧制成需要的小 构方程如下回： 断面收缩率轴类零件. a (b) 图2轧件成形过程.(a)楔入段：(b)展宽段：(c)精整段 Fig.2 Forming process of the rolled piece:(a)knifing zone:(b)sketching zone:(c)sizing zone 2.2轧件表面质量分析 为了考察小断面收缩率轧件的表面成形质量状 况，采用横截面的椭圆度进行衡量，其计算公式 如下： A=D二D×100% (2) D a b 式中，入为椭圆度，D为轧件横截面最大直径，Dm 图3椭圆度测量示意图.()横截面位置选取：(b)椭圆度测量 为轧件横截面最小直径，D为轧件标称直径. Fig.3 Diagram of ovality measurements:(a)locations of 4 cross sec- 沿轧件的轴向位置选取A、B、C和D四个横截 tions:(b)ovality measurements 面，距离对称面位置分别为0、20、40和60mm,并测 角B为5°、断面收缩率山分别为27.75%和51%条 量各个横截面处的最大直径Dr和最小直径Dm 件下的轧件的横截面椭圆度比较.从表中可以看 (图3)，通过计算即可得到横截面的椭圆度入.显 出：小断面收缩率轧件各横截面处的椭圆度较大，其 然，椭圆度入值越小，轧件表面成形质量越好. 平均值达到3.13%；而常规断面收缩率轧件横截面 表2中第1、2组所示为成形角α为28°、展宽 的椭圆度相对较小，平均值为1.09%.这说明小断

第 6 期 刘文科等: 小断面收缩率轴类零件楔横轧成形的可行性分析 1 模型与边界条件 1. 1 有限元模型 本文基于 ANSYS /LS-DYNA 有限元软件分析平 台，建立楔横轧小断面收缩率轴类零件的有限元模 型，该模型由上下配有模具的轧辊及轧件构成，如图 1 所示． 为了方便视图，图中省略了挡板． 考虑到轧 辊和轧件的左右对称性，模拟中可对其进行 1 /2 对 称简化，并在对称面上施加轴向几何约束． 图 1 楔横轧有限元模型 Fig． 1 Finite element model of cross wedge rolling 1. 2 模拟边界条件 轧辊与 模 具 视 为 刚 性 体，采用刚性壳单元 ( Shell 163) 对模具进行离散，材料弹性模量 E = 210 GPa． 轧件采用多段线性弹塑性体，非线性特性 采用 Cowper-Symbols 模型，考虑应变率的影响，其本 构方程如下［9］: σy ( εP eff，ε ·P eff ) = σy ( εP eff [ ) 1 + ( ε ·P eff ) C 1 ] P ( 1) 式中，σy ( εP eff ) 为没有考虑应变率时的屈服应力， MPa; εP eff为有效应变; ε ·P eff为有效应变速率; C、P 为应 变率参数． 模拟中轧件材料选择为 45 钢，采用八节点三维 实体单元( Solid 164) 进行离散，材料弹性模量 E = 90 GPa． 轧辊与轧件之间的接触采用面--面接触模 型( STS) ，轧辊表面为目标面，轧件表面为接触面． 摩擦类型简化为库仑摩擦，摩擦因数取 μ = 0. 5． 轧 制过程中轧件温度设定为 1 100 ℃ ． 模拟的其他主 要参数如表 1 所示． 表 1 主要模拟参数 Table 1 Main process parameters for simulation 轧辊直径， D/mm 成形角， α/( °) 展宽角， β/( °) 展宽长度， L/mm 轧辊转速， n/( r·min －1 ) 坯料直径， D/mm 500 28，39，51 3，5 120 12 40 2 模拟结果与分析 2. 1 轧件的成形过程 图 2 为轧件在轧制过程楔入、展宽和精整三个 阶段时的成形状态． 可以看出，变形从轧辊楔入轧 件开始，随着轧制过程的不断进行，轧件径向不断 被压缩，轴向不断被延伸，最终被轧制成需要的小 断面收缩率轴类零件． 图 2 轧件成形过程 . ( a) 楔入段; ( b) 展宽段; ( c) 精整段 Fig． 2 Forming process of the rolled piece: ( a) knifing zone; ( b) sketching zone; ( c) sizing zone 2. 2 轧件表面质量分析 为了考察小断面收缩率轧件的表面成形质量状 况，采用横截面的椭圆度进行衡量，其 计 算 公 式 如下: λ = Dmax － Dmin D × 100% ( 2) 式中，λ 为椭圆度，Dmax为轧件横截面最大直径，Dmin 为轧件横截面最小直径，D 为轧件标称直径． 沿轧件的轴向位置选取 A、B、C 和 D 四个横截 面，距离对称面位置分别为 0、20、40 和 60 mm，并测 量各个横截面处的最大直径 Dmax 和最小直径 Dmin ( 图 3) ，通过计算即可得到横截面的椭圆度 λ． 显 然，椭圆度 λ 值越小，轧件表面成形质量越好． 表 2 中第 1、2 组所示为成形角 α 为 28°、展宽 图 3 椭圆度测量示意图 . ( a) 横截面位置选取; ( b) 椭圆度测量 Fig． 3 Diagram of ovality measurements: ( a) locations of 4 cross sec￾tions; ( b) ovality measurements 角 β 为 5°、断面收缩率 ψ 分别为 27. 75% 和 51% 条 件下的轧件的横截面椭圆度比较． 从表中可以看 出: 小断面收缩率轧件各横截面处的椭圆度较大，其 平均值达到 3. 13% ; 而常规断面收缩率轧件横截面 的椭圆度相对较小，平均值为 1. 09% ． 这说明小断 ·763·

·764… 北京科技大学学报 第33卷 面收缩率轧件的表面成形质量要差于常规断面收缩 率轧件. 表2轧件的横截面尺寸数据 Table 2 Cross section dimensions of rolled pieces a=28°，B=5°，h=27.75% a=28°，B=5°，业=51% a=39°，B=3°，山=27.75% 截面号 D/mm Din/mm A/% D/mm D/mm A/% D/mm Din/mm A/% 33.790 32.729 3.12 27.275 26.870 1.44 33.500 33.135 1.07 B 33.935 33.052 2.60 27.056 27.038 0.06 33.588 33.067 1.53 C 33.773 33.071 2.06 27.207 27.075 0.47 33.212 33.056 0.45 D 34.798 33.186 4.74 27.700 27.034 2.38 34.464 33.747 2.10 平均值 34.074 33.010 3.13 27.310 27.004 1.09 33.691 33.251 1.29 经过研究发现，通过增大模具成形角、减小展宽 负的静水压力（正的平均应力）则会降低材料塑性， 角可使轧件横截面椭圆度减小.这是因为，成形角 使其成为易产生裂纹的薄弱区域：最大横向拉应力 变大使得轧件轴向变形增大，横向变形减小，而展宽 (第一主应力)对裂纹的扩展和延伸起到促进作 角变小又使轧件表面金属擀出变得相对容易，从而 用回.轧件内部中心位置是较容易产生缺陷的地 改善了轧件表面质量.表2中第3组是成形角α为 方.为了研究小断面收缩率轧件的心部质量，以轧 39°、展宽角B为3°、断面收缩率业为27.75%时的 件对称面中心点作为研究对象，在其他参数相同的 轧件横截面尺寸数据.与第1组数据比较可以看 情况下与常规断面收缩率轧件作对比分析. 出，模具成形角增大、展宽角减小后，得到的轧件横 图5(a)和(b)所示为在成形角a为28°、展宽角B 截面的椭圆度明显降低，其平均值由3.13%变为 为5°、断面收缩率山分别为27.75%和51%条件 1.29%.这说明在大成形角、小展宽角条件下能够 下，轧件中心点的平均应力和最大主应力变化情况. 获得较好的轧件表面质量. 从图5可以看出：在整个轧制过程中，小断面收 2.3轧件心部质量分析 缩率轧件中心点处的平均应力最大值为104.2MPa, 心部疏松和孔腔是楔横轧产品中容易出现的主 最大主应力达到168.4MPa;与此相比，常规断面收 要缺陷之一（图4），它会使工件的强度大大削弱，最 缩率轧件中心点的平均应力最大值为55.8MPa,最 终导致零件失效0-0 大主应力为109.4MPa.从二者数值上可以初步判 断，在该工艺参数条件下，小断面收缩率轧件比常规 断面收缩率轧件心部产生缺陷的可能性更大 研究中发现，可采用增大模具成形角的办法来改 善或消除轧件的心部缺陷.其原因是成形角增大后， 轧件轴向变形增大，横向变形相对减小，故而轧件的 图4心部产生缺陷的轧件 心部拉应力减小，心部质量得到改善.图5(c)所示为 Fig.4 Rolled piece with a central cavity 在成形角a为50°、展宽角B为5°、断面收缩率业为 以往的研究认为，静水压力在轧件心部破坏中 27.75%条件下，轧件中心点的平均应力和最大主应 起着重要作用.正的静水压力可以改善材料塑性， 力变化情况.与图5(a)进行比较可以看出，成形角增 180r 160a 80间 16 180 +最大主应力 160H 最大主应力 140 140 ·平均应力 ·平均应力 140- 80 0 60 ·最大主应力 60 60 40 ·一平均应力 40 20 20 0.5 1.0152.025 051.0132025 1.0152025 时间s 时间s 时间s 图5轧件中心点的平均应力和最大主应力.(a)a=28°，B=5°，中=27.75%：(b)=28,B=5°，中=51%：(c)a=50°，B=5°， 业=27.75% Fig.5 Curves of mean stress and max principal stress at the central point of the rolled piece:(a)a=28,B=5,=27.75%:(b)a= 28°，B=5,=51%:(c)a=50°，B=5°，山=27.75%

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 面收缩率轧件的表面成形质量要差于常规断面收缩 率轧件． 表 2 轧件的横截面尺寸数据 Table 2 Cross section dimensions of rolled pieces 截面号 α = 28°，β = 5°，ψ = 27. 75% α = 28°，β = 5°，ψ = 51% α = 39°，β = 3°，ψ = 27. 75% Dmax /mm Dmin /mm λ /% Dmax /mm Dmin /mm λ/% Dmax /mm Dmin /mm λ /% A 33. 790 32. 729 3. 12 27. 275 26. 870 1. 44 33. 500 33. 135 1. 07 B 33. 935 33. 052 2. 60 27. 056 27. 038 0. 06 33. 588 33. 067 1. 53 C 33. 773 33. 071 2. 06 27. 207 27. 075 0. 47 33. 212 33. 056 0. 45 D 34. 798 33. 186 4. 74 27. 700 27. 034 2. 38 34. 464 33. 747 2. 10 平均值 34. 074 33. 010 3. 13 27. 310 27. 004 1. 09 33. 691 33. 251 1. 29 经过研究发现，通过增大模具成形角、减小展宽 角可使轧件横截面椭圆度减小． 这是因为，成形角 变大使得轧件轴向变形增大，横向变形减小，而展宽 角变小又使轧件表面金属擀出变得相对容易，从而 改善了轧件表面质量． 表 2 中第 3 组是成形角 α 为 39°、展宽角 β 为 3°、断面收缩率 ψ 为 27. 75% 时的 轧件横截面尺寸数据． 与第 1 组数据比较可以看 出，模具成形角增大、展宽角减小后，得到的轧件横 截面的椭圆度明显降低，其平均值由 3. 13% 变为 1. 29% ． 这说明在大成形角、小展宽角条件下能够 获得较好的轧件表面质量． 2. 3 轧件心部质量分析 心部疏松和孔腔是楔横轧产品中容易出现的主 要缺陷之一( 图 4) ，它会使工件的强度大大削弱，最 终导致零件失效［10--11］． 图 5 轧件中心点的平均应力和最大主应力 . ( a) α = 28°，β = 5°，ψ = 27. 75% ; ( b) α = 28°，β = 5°，ψ = 51% ; ( c) α = 50°，β = 5°， ψ = 27. 75% Fig． 5 Curves of mean stress and max principal stress at the central point of the rolled piece: ( a) α = 28°，β = 5°，ψ = 27. 75% ; ( b) α = 28°，β = 5°，ψ = 51% ; ( c) α = 50°，β = 5°，ψ = 27. 75% 图 4 心部产生缺陷的轧件 Fig． 4 Rolled piece with a central cavity 以往的研究认为，静水压力在轧件心部破坏中 起着重要作用． 正的静水压力可以改善材料塑性， 负的静水压力( 正的平均应力) 则会降低材料塑性， 使其成为易产生裂纹的薄弱区域; 最大横向拉应力 ( 第一主应 力) 对裂纹的扩展和延伸起到促进作 用［2］． 轧件内部中心位置是较容易产生缺陷的地 方． 为了研究小断面收缩率轧件的心部质量，以轧 件对称面中心点作为研究对象，在其他参数相同的 情况 下 与 常 规 断 面 收 缩 率 轧 件 作 对 比 分 析． 图 5( a) 和( b) 所示为在成形角 α 为 28°、展宽角 β 为 5°、断面收缩率 ψ 分别为 27. 75% 和 51% 条件 下，轧件中心点的平均应力和最大主应力变化情况． 从图 5 可以看出: 在整个轧制过程中，小断面收 缩率轧件中心点处的平均应力最大值为104. 2 MPa， 最大主应力达到 168. 4 MPa; 与此相比，常规断面收 缩率轧件中心点的平均应力最大值为55. 8 MPa，最 大主应力为 109. 4 MPa． 从二者数值上可以初步判 断，在该工艺参数条件下，小断面收缩率轧件比常规 断面收缩率轧件心部产生缺陷的可能性更大． 研究中发现，可采用增大模具成形角的办法来改 善或消除轧件的心部缺陷． 其原因是成形角增大后， 轧件轴向变形增大，横向变形相对减小，故而轧件的 心部拉应力减小，心部质量得到改善． 图5( c) 所示为 在成形角 α 为 50°、展宽角 β 为 5°、断面收缩率 ψ 为 27. 75%条件下，轧件中心点的平均应力和最大主应 力变化情况． 与图5( a) 进行比较可以看出，成形角增 ·764·

第6期 刘文科等：小断面收缩率轴类零件楔横轧成形的可行性分析 ·765· 大后，轧件中心点的平均应力和最大主应力均有所减 轧制实验.实验中轧件材料为45钢.图6为成形角 小，平均应力最大值减小为88.2MPa,最大主应力减 α为30°、展宽角B为6°以及断面收缩率山为 小为135.9MPa.这说明采用增大模具成形角的方法 27.75%条件下，模拟轧件与实验轧件的成形结果比 改善小断面收缩率轧件的心部质量可行. 较.从图中可以看出，轧件表面无明显凹痕等缺陷， 3实验结果验证 成形结果良好.证明了在一定参数条件下，楔横轧 成形小断面收缩率轴类零件是可行的. 参照模拟工况在H500楔横轧机上进行了部分 (a) (b) 图6模拟轧件(a)与实验轧件(b)结果比较 Fig.6 Comparison of the rolled piece between simulation (a)and experiment (b) 432 4 结论 (娄依志，张康生，杨翠苹，等.工艺参数对楔横轧二次楔轧制 (1)在相同的工艺参数条件下，小断面收缩率 超大断面收缩率轴类件的影响.北京科技大学学报，2008,30 (4):432) 轧件横截面的椭圆度大于常规断面收缩率轧件.增 [5]Jia Z,Zhang K S.He WW,et al.The study on the center quali- 大模具成形角、减小展宽角可降低轧件的椭圆度，从 ty of workpiece during heavy section shrinkage cross wedge rolling 而获得较好的轧件表面成形质量. by single wedge.J Plast Eng,2010,17(2):73 (2)与常规断面收缩率轧件相比，小断面收缩 (贾震，张康生，何巍巍，等.楔横轧大断面收缩率一次楔成形 率轧件中心点处的平均应力和最大主应力均较大， 轧件心部质量规律及原因.塑性工程学报，2010,17(2)：73) 6]Jia Z,Zhang K S,Yang C P,et al.Forming principle of heavy 因而更容易发生心部缺陷.采用增大模具成形角的 section shrinkage cross wedge rolling by single wedge.J Univ Sci 方法有助于改善小断面收缩率轧件的心部质量. Technol Beijing,2009,31(8):1046 (3)模拟和实验结果证明，楔横轧工艺成形小 (贾震，张康生，杨翠苹，等。楔横轧一次楔大断面收缩率成形 断面收缩率轴类零件是可行的. 机理.北京科技大学学报，2009,31(8)：1046) 7]Fang G,Lei L P,Zeng P.Three-dimensional rigid-plastic finite 参考文献 element simulation for the two-roll cross-wedge rolling process.J Mater Process Technol,2002,129 (13):245 [1]Hu Z H,Xu X H,Sha D Y.The Principle,Technology and [8]Li C M,Shu X D.Hu Z H.Feasibility study on multi-wedge cross Equipment of Skew Rolling and Cross Wedge Rolling.Beijing: rolling of railway axles with finite element analysis.China Mech Metallurgical Industry Press,1985 Eng,2006,17(19):2017 (胡正寰，许协和，沙德元.斜轧与楔横轧原理、工艺及设备 (李传民，束学道，胡正寰.楔横轧多楔轧制铁路车轴可行性 北京：治金工业出版社，1985) 有限元分析.中国机械工程，2006,17(19)：2017) 2]Hu Z H,Zhang K S,Wang B Y,et al.The Forming Technology Hallquist JO.LS-DYNA Theoretical Manual.Livermore:Liver- and Simulation of Parts by Cross Wedge Rolling.Beijing:Metal- more Software Technology Corporation,1998 lurgical Industry Press,2004 [10]Cao F.The Infection of Alternating Times on the Internal Flaw of (胡正囊，张康生，王宝雨，等.楔横轧零件成形技术与模拟仿 Cross Wedge Rolling [Dissertation].Beijing:University of Sci- 真.北京：治金工业出版社，2004) ence and Technology Beijing,2005:38 B]Yang C P,Zhang K S,Du H P,et al.Influence of area reduction (曹芳.交变次数对楔横轧心部缺陷的影响[学位论文].北 of part on metal flow in cross wedge rolling.China Mech Eng, 京：北京科技大学，2005：38) 2004,15(20):1868 [1]Chen S Y.Analysis of the Experimental Data and the Influence (杨翠苹，张康生，杜惠萍，等.楔横轧轧件断面收缩率对金属 Rule of the Process Parameter on the Central Rarefaction of Cross 流动的影响.中国机械工程，2004,15(20)：1868) Wedge Rolling DDissertation].Beijing:University of Science and [4]Lou YZ,Zhang K S.Yang C P,et al.Effect of process parame- Technology Beijing,2006:33 ters on axial parts with super large area reduction during twice (陈素莹.楔横轧心部缺陷实验数据分析及工艺参数影响规 cross wedge rolling.J Unir Sci Technol Beijing,2008.30(4): 律研究[学位论文].北京：北京科技大学，2006：33)

第 6 期 刘文科等: 小断面收缩率轴类零件楔横轧成形的可行性分析 大后，轧件中心点的平均应力和最大主应力均有所减 小，平均应力最大值减小为88. 2 MPa，最大主应力减 小为 135. 9 MPa． 这说明采用增大模具成形角的方法 改善小断面收缩率轧件的心部质量可行． 3 实验结果验证 参照模拟工况在 H500 楔横轧机上进行了部分 轧制实验． 实验中轧件材料为 45 钢． 图 6 为成形角 α 为 30°、展 宽 角 β 为 6° 以及断面收缩率 ψ 为 27. 75% 条件下，模拟轧件与实验轧件的成形结果比 较． 从图中可以看出，轧件表面无明显凹痕等缺陷， 成形结果良好． 证明了在一定参数条件下，楔横轧 成形小断面收缩率轴类零件是可行的． 图 6 模拟轧件( a) 与实验轧件( b) 结果比较 Fig． 6 Comparison of the rolled piece between simulation ( a) and experiment ( b) 4 结论 ( 1) 在相同的工艺参数条件下，小断面收缩率 轧件横截面的椭圆度大于常规断面收缩率轧件． 增 大模具成形角、减小展宽角可降低轧件的椭圆度，从 而获得较好的轧件表面成形质量． ( 2) 与常规断面收缩率轧件相比，小断面收缩 率轧件中心点处的平均应力和最大主应力均较大， 因而更容易发生心部缺陷． 采用增大模具成形角的 方法有助于改善小断面收缩率轧件的心部质量． ( 3) 模拟和实验结果证明，楔横轧工艺成形小 断面收缩率轴类零件是可行的． 参 考 文 献 ［1］ Hu Z H，Xu X H，Sha D Y． The Principle，Technology and Equipment of Skew Rolling and Cross Wedge Rolling． Beijing: Metallurgical Industry Press，1985 ( 胡正寰，许协和，沙德元． 斜轧与楔横轧原理、工艺及设备． 北京: 冶金工业出版社，1985) ［2］ Hu Z H，Zhang K S，Wang B Y，et al． The Forming Technology and Simulation of Parts by Cross Wedge Rolling． Beijing: Metal￾lurgical Industry Press，2004 ( 胡正寰，张康生，王宝雨，等． 楔横轧零件成形技术与模拟仿 真． 北京: 冶金工业出版社，2004) ［3］ Yang C P，Zhang K S，Du H P，et al． Influence of area reduction of part on metal flow in cross wedge rolling． China Mech Eng， 2004，15( 20) : 1868 ( 杨翠苹，张康生，杜惠萍，等． 楔横轧轧件断面收缩率对金属 流动的影响． 中国机械工程，2004，15( 20) : 1868) ［4］ Lou Y Z，Zhang K S，Yang C P，et al． Effect of process parame￾ters on axial parts with super large area reduction during twice cross wedge rolling． J Univ Sci Technol Beijing，2008，30 ( 4) : 432 ( 娄依志，张康生，杨翠苹，等． 工艺参数对楔横轧二次楔轧制 超大断面收缩率轴类件的影响． 北京科技大学学报，2008，30 ( 4) : 432) ［5］ Jia Z，Zhang K S，He W W，et al． The study on the center quali￾ty of workpiece during heavy section shrinkage cross wedge rolling by single wedge． J Plast Eng，2010，17( 2) : 73 ( 贾震，张康生，何巍巍，等． 楔横轧大断面收缩率一次楔成形 轧件心部质量规律及原因． 塑性工程学报，2010，17( 2) : 73) ［6］ Jia Z，Zhang K S，Yang C P，et al． Forming principle of heavy section shrinkage cross wedge rolling by single wedge． J Univ Sci Technol Beijing，2009，31( 8) : 1046 ( 贾震，张康生，杨翠苹，等． 楔横轧一次楔大断面收缩率成形 机理． 北京科技大学学报，2009，31( 8) : 1046) ［7］ Fang G，Lei L P，Zeng P． Three-dimensional rigid-plastic finite element simulation for the two-roll cross-wedge rolling process． J Mater Process Technol，2002，129( 1-3) : 245 ［8］ Li C M，Shu X D，Hu Z H． Feasibility study on multi-wedge cross rolling of railway axles with finite element analysis． China Mech Eng，2006，17( 19) : 2017 ( 李传民，束学道，胡正寰． 楔横轧多楔轧制铁路车轴可行性 有限元分析． 中国机械工程，2006，17( 19) : 2017) ［9］ Hallquist J O． LS-DYNA Theoretical Manual． Livermore: Liver￾more Software Technology Corporation，1998 ［10］ Cao F． The Infection of Alternating Times on the Internal Flaw of Cross Wedge Rolling ［Dissertation］． Beijing: University of Sci￾ence and Technology Beijing，2005: 38 ( 曹芳． 交变次数对楔横轧心部缺陷的影响［学位论文］． 北 京: 北京科技大学，2005: 38) ［11］ Chen S Y． Analysis of the Experimental Data and the Influence Rule of the Process Parameter on the Central Rarefaction of Cross Wedge Rolling［Dissertation］． Beijing: University of Science and Technology Beijing，2006: 33 ( 陈素莹． 楔横轧心部缺陷实验数据分析及工艺参数影响规 律研究［学位论文］． 北京: 北京科技大学，2006: 33) ·765·