楔横轧反楔堆轧改善空心零件过渡轴肩的壁厚减薄

工程科学学报，第38卷，第8期：1168-1174,2016年8月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,No.8:1168-1174,August 2016 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2016.08.017:http://journals..ustb.edu.cn 楔横轧反楔堆轧改善空心零件过渡轴肩的壁厚减薄 杨翠苹四，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:yangep(@me.ustb.cdu.cm 摘要楔横轧随形轧制空心零件在过渡轴肩位置会产生壁厚减薄，降低零件的力学强度，改善轴肩的壁厚状况是必须解决 的问题.本文基于有限元模拟方法，揭示空心零件成形时壁厚减薄的产生原因，提出采用楔横轧反楔堆轧改善轴肩壁厚的成 形方法，分析反楔堆轧增加轴肩壁厚的主要影响因素，从而获得轴肩壁厚增厚的成形方法和最佳条件，实现了楔横轧随形轧 制空心零件轴肩位置的显著增厚.通过轧制试验，验证了有限元模拟分析模型的可靠性， 关键词楔横轧：空心零件；壁厚；反楔：有限元法 分类号TG335.19 Improving the wall thinning of the transition shoulder with anti-wedge upset rolling in cross wedge rolling hollow parts YANG Cui-ping,ZHANG Kang-sheng,HU Zheng-huan School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:yangcp@me.ustb.edu.cn ABSTRACT Wall thinning occurs at transition shoulders in cross wedge rolling (CWR)hollow parts without a mandrel,which will reduce the mechanical strength of the parts,so improving the wall thickness of the shoulder must be resolved.Based on finite element simulations,the cause of wall thinning during the forming process is revealed.A forming method of the anti-wedge upset rolling is proposed to improve the wall thickness of the shoulder,main factors that affect the increase of wall thickness are analyzed,the method of increasing wall thickness and the optimum conditions are obtained,so that a significant increase in wall thickness of the shoulder is achieved for cross wedge rolling hollow parts.The finite element model is validated by a rolling experiment. KEY WORDS cross wedge rolling:hollow parts:wall thickness;anti-wedge:finite element method 楔横轧工艺是一种高效的轴类零件成形工艺，因 张康生、梁继才等P-习对楔横轧空心零件的稳定轧制 生产效率高、节约材料、零件成形精度高等诸多优点， 条件进行了较早的研究.Neugebauer等介绍了楔 在生产实心轴类零件毛坯上具有明显的优势，因此在 横轧空心轴的成形工艺，展示了工艺参数对轧制极限 轴类零件毛坯的生产中得到了大量的推广和应用四. 和轧制力的影响.Bartnicki和Pater-分析了模具工 楔横轧空心轴的研究和应用比实心轴相对落后，但随 艺参数对成形稳定性的影响，认为三辊轧制空心零件 着汽车轻量化的发展，对空心零件的需求增加，采用楔 有更好的稳定性.Urankar等s-研究了空心零件的成 横轧成形空心轴类零件日益得到关注.楔横轧空心轴 形界限，引入了量纲一的参数预测失效条件，并建立了 避免了实心轴容易出现的心部缺陷问题，但空心件在 临界摩擦模型，研究了临界摩擦和工艺参数的关系 轧制过程中由于径向抵抗变形能力较小，容易压扁，因 燕山大学基于有限元模拟方法研究了三辊楔横轧空心 此其轧制过程的建立要更加困难，加工界限也比较窄. 件的成形机理，并对带芯棒轧制和不带芯棒轧制进行 收稿日期：201603-29 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51075030)：北京市“现代交通金属材料与加工技术北京实验室”资助项目

工程科学学报，第 38 卷，第 8 期: 1168--1174，2016 年 8 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，No． 8: 1168--1174，August 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． 08． 017; http: / /journals． ustb． edu． cn 楔横轧反楔堆轧改善空心零件过渡轴肩的壁厚减薄 杨翠苹，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: yangcp@ me． ustb． edu． cn 摘 要 楔横轧随形轧制空心零件在过渡轴肩位置会产生壁厚减薄，降低零件的力学强度，改善轴肩的壁厚状况是必须解决 的问题． 本文基于有限元模拟方法，揭示空心零件成形时壁厚减薄的产生原因，提出采用楔横轧反楔堆轧改善轴肩壁厚的成 形方法，分析反楔堆轧增加轴肩壁厚的主要影响因素，从而获得轴肩壁厚增厚的成形方法和最佳条件，实现了楔横轧随形轧 制空心零件轴肩位置的显著增厚． 通过轧制试验，验证了有限元模拟分析模型的可靠性． 关键词 楔横轧; 空心零件; 壁厚; 反楔; 有限元法 分类号 TG335. 19 Improving the wall thinning of the transition shoulder with anti-wedge upset rolling in cross wedge rolling hollow parts YANG Cui-ping ，ZHANG Kang-sheng，HU Zheng-huan School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: yangcp@ me． ustb． edu． cn ABSTＲACT Wall thinning occurs at transition shoulders in cross wedge rolling ( CWＲ) hollow parts without a mandrel，which will reduce the mechanical strength of the parts，so improving the wall thickness of the shoulder must be resolved． Based on finite element simulations，the cause of wall thinning during the forming process is revealed． A forming method of the anti-wedge upset rolling is proposed to improve the wall thickness of the shoulder，main factors that affect the increase of wall thickness are analyzed，the method of increasing wall thickness and the optimum conditions are obtained，so that a significant increase in wall thickness of the shoulder is achieved for cross wedge rolling hollow parts． The finite element model is validated by a rolling experiment． KEY WOＲDS cross wedge rolling; hollow parts; wall thickness; anti-wedge; finite element method 收稿日期: 2016--03--29 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51075030) ; 北京市“现代交通金属材料与加工技术北京实验室”资助项目 楔横轧工艺是一种高效的轴类零件成形工艺，因 生产效率高、节约材料、零件成形精度高等诸多优点， 在生产实心轴类零件毛坯上具有明显的优势，因此在 轴类零件毛坯的生产中得到了大量的推广和应用［1］． 楔橫轧空心轴的研究和应用比实心轴相对落后，但随 着汽车轻量化的发展，对空心零件的需求增加，采用楔 横轧成形空心轴类零件日益得到关注． 楔横轧空心轴 避免了实心轴容易出现的心部缺陷问题，但空心件在 轧制过程中由于径向抵抗变形能力较小，容易压扁，因 此其轧制过程的建立要更加困难，加工界限也比较窄． 张康生、梁继才等［2--3］对楔横轧空心零件的稳定轧制 条件进行了较早的研究． Neugebauer 等［4--5］介绍了楔 横轧空心轴的成形工艺，展示了工艺参数对轧制极限 和轧制力的影响． Bartnicki 和 Pater［6--7］分析了模具工 艺参数对成形稳定性的影响，认为三辊轧制空心零件 有更好的稳定性． Urankar 等［8--9］研究了空心零件的成 形界限，引入了量纲一的参数预测失效条件，并建立了 临界摩擦模型，研究了临界摩擦和工艺参数的关系． 燕山大学基于有限元模拟方法研究了三辊楔横轧空心 件的成形机理，并对带芯棒轧制和不带芯棒轧制进行

杨翠苹等：楔横轧反楔堆轧改善空心零件过渡轴肩的壁厚减薄 ·1169· 了比较分析0".近年来北京科技大学通过对楔横轧 空心零件进行研究，将楔横轧带芯棒轧制空心零件工 艺成功地应用于载重汽车空心轴头的生产2-.对于 无芯棒空心轴轧制，空心轴的壁厚变化不稳定，金属流 动和壁厚变化规律也比较复杂，控制壁厚变化是空心 轴轧制的一个难题.尤其在轧制轧件由大直径向小直 径过渡的轴肩位置壁厚出现明显减薄，直接降低空心 轴的承载能力，甚至使空心轴不能达到使用要求，制约 了楔横轧空心轴的生产应用，因此解决楔横轧空心轴 轴肩壁厚减薄问题尤为必要.本文采用DEFORM-3D 模拟软件，研究楔横轧空心轴轴肩壁厚减薄的原因，并 提出解决方案. 1楔横轧空心零件有限元模型 图2正轧成形的示意图 Fig.2 Sketch of rolling with the normal wedge 1.1轧件和模具的几何模型 虑轧件的塑性变形而忽略其弹性变形，视为刚塑性体 图1显示的空心零件，轧件的最大外径为 忽略轧件与环境的热交换以及轧件与模具的热传导作 45mm,壁厚为6mm.轧件的内壁随外壁的形状变 用，认为在整个轧制过程中模具和轧件的温度是恒定 化，呈现“随形”的效果。通常采用的楔横轧成形方法 是正楔轧制，简称正轧，其成形的示意图如图2所示： 的.定义摩擦为剪切摩擦，根据轧辊的转速10r·min 和单元的大小，设定模拟的时间步长.成形件是对称 模具展宽方向与轧件金属的轴向流动方向相同，模具 的，模拟仿真采用对称面施加约束的方法对轧件的一 楔由中间向两侧逐渐展开，将空心棒料轧制成空心轴 半进行研究，这样既不影响成形效果，又可以节省大量 类零件.在没有特别说明的情况下，通常的楔横轧成 形都是正楔轧制.正轧模具展开图如图3所示，成形 时间.网格重划分启动条件是当网格畸变量达到最小 边长的0.7倍时，软件将自动启动重划分功能.建立 角为a=25°，展宽角为B=5°.随着模具楔向两侧逐 渐展宽，轧件外壁在模具孔型的作用下被径向压缩，内 的有限元模型如图4所示 壁随着外壁的形状向收缩，同时轴向两侧延伸，将轧件 轧制成壁厚近似相等的空心阶梯轴 图3楔横轧模具图 Fig.3 Drawing of the normal cross wedge rolling tool 2空心轧件过渡轴肩的壁厚减薄 32 64 51 2.1有限元模拟结果 69.1 图5显示了楔横轧正轧空心零件的模拟仿真结 210.4 果，矩形框内的部分是轧件的料头，与轧件形状和尺寸 单位：mm 无关.本文因为采用了对称轧制，轧件只显示了右边 图1轧件的几何模型 的一半，左端是轧件的对称中心，楔左侧是轧件内侧， Fig.1 Geometric model of workpieces 楔右侧是轧件外侧.如图5所示，轧制过程中内壁随 1.2有限元模型 外壁向内收缩，呈现“随形”的特征.壁厚随压下量增 模拟实验均为热轧条件，楔横轧模具产生的弹性 加稍有增加，使得轧件小直径位置的壁厚增加，这种壁 变形很小，将模具和导板视为刚性体，也就是认为其在 厚变化趋势对于减轻空心零件的重量，提高其承载能 实验中不产生变形.轧件视为理想刚塑性体，轧件材 力是有利的.但是，在最大直径向小直径过渡的轴肩 料是45号钢，轧制温度为1000℃，轧制过程中轧件在 位置出现了显著的壁厚减薄.轧件原始壁厚为6mm, 高温状态所发生的变形几乎全部为塑性变形，故只考 轧后轴肩最薄位置壁厚为4.7mm左右，减薄率为

杨翠苹等: 楔横轧反楔堆轧改善空心零件过渡轴肩的壁厚减薄 了比较分析［10--11］． 近年来北京科技大学通过对楔横轧 空心零件进行研究，将楔横轧带芯棒轧制空心零件工 艺成功地应用于载重汽车空心轴头的生产［12--13］． 对于 无芯棒空心轴轧制，空心轴的壁厚变化不稳定，金属流 动和壁厚变化规律也比较复杂，控制壁厚变化是空心 轴轧制的一个难题． 尤其在轧制轧件由大直径向小直 径过渡的轴肩位置壁厚出现明显减薄，直接降低空心 轴的承载能力，甚至使空心轴不能达到使用要求，制约 了楔横轧空心轴的生产应用，因此解决楔横轧空心轴 轴肩壁厚减薄问题尤为必要． 本文采用 DEFOＲM-3D 模拟软件，研究楔横轧空心轴轴肩壁厚减薄的原因，并 提出解决方案． 1 楔横轧空心零件有限元模型 1. 1 轧件和模具的几何模型 图 1 显 示 的 空 心 零 件，轧 件 的 最 大 外 径 为 45 mm，壁厚为 6 mm． 轧件的内壁随外壁的形状变 化，呈现“随形”的效果． 通常采用的楔横轧成形方法 是正楔轧制，简称正轧，其成形的示意图如图 2 所示: 模具展宽方向与轧件金属的轴向流动方向相同，模具 楔由中间向两侧逐渐展开，将空心棒料轧制成空心轴 类零件． 在没有特别说明的情况下，通常的楔横轧成 形都是正楔轧制． 正轧模具展开图如图 3 所示，成形 角为 α = 25°，展宽角为 β = 5°． 随着模具楔向两侧逐 渐展宽，轧件外壁在模具孔型的作用下被径向压缩，内 壁随着外壁的形状向收缩，同时轴向两侧延伸，将轧件 轧制成壁厚近似相等的空心阶梯轴． 图 1 轧件的几何模型 Fig． 1 Geometric model of workpieces 1. 2 有限元模型 模拟实验均为热轧条件，楔横轧模具产生的弹性 变形很小，将模具和导板视为刚性体，也就是认为其在 实验中不产生变形． 轧件视为理想刚塑性体，轧件材 料是 45 号钢，轧制温度为 1000 ℃，轧制过程中轧件在 高温状态所发生的变形几乎全部为塑性变形，故只考 图 2 正轧成形的示意图 Fig． 2 Sketch of rolling with the normal wedge 虑轧件的塑性变形而忽略其弹性变形，视为刚塑性体． 忽略轧件与环境的热交换以及轧件与模具的热传导作 用，认为在整个轧制过程中模具和轧件的温度是恒定 的． 定义摩擦为剪切摩擦，根据轧辊的转速 10 r·min － 1 和单元的大小，设定模拟的时间步长． 成形件是对称 的，模拟仿真采用对称面施加约束的方法对轧件的一 半进行研究，这样既不影响成形效果，又可以节省大量 时间． 网格重划分启动条件是当网格畸变量达到最小 边长的 0. 7 倍时，软件将自动启动重划分功能． 建立 的有限元模型如图 4 所示． 图 3 楔横轧模具图 Fig． 3 Drawing of the normal cross wedge rolling tool 2 空心轧件过渡轴肩的壁厚减薄 2. 1 有限元模拟结果 图 5 显示了楔横轧正轧空心零件的模拟仿真结 果，矩形框内的部分是轧件的料头，与轧件形状和尺寸 无关． 本文因为采用了对称轧制，轧件只显示了右边 的一半，左端是轧件的对称中心，楔左侧是轧件内侧， 楔右侧是轧件外侧． 如图 5 所示，轧制过程中内壁随 外壁向内收缩，呈现“随形”的特征． 壁厚随压下量增 加稍有增加，使得轧件小直径位置的壁厚增加，这种壁 厚变化趋势对于减轻空心零件的重量，提高其承载能 力是有利的． 但是，在最大直径向小直径过渡的轴肩 位置出现了显著的壁厚减薄． 轧件原始壁厚为 6 mm， 轧后轴肩最薄位置壁厚为 4. 7 mm 左 右，减 薄 率 为 · 9611 ·

·1170· 工程科学学报，第38卷，第8期 料头 471256 导板 模具 轧件 图5楔横轧空心零件模拟结果 Fig.5 Simulation result of CWR hollow workpieces 2.2试验验证 在实验室的H630楔横轧机上，进行了正轧空心 零件的轧制试验，试验采用与有限元模拟一致的轧制 条件，得到的轧件如图6所示.轧件剖面图显示的壁 图4楔横轧空心零件有限元模型 厚变化与有限元模拟是一致的，随着压下量的增加，壁 Fig.4 Finite element model of CWR hollow workpieces 厚有所增加，但是在轧件的轴肩位置P处出现了显著 21.67%.空心轴通常工作在复杂重载的工作条件下， 的壁厚减薄，最薄的壁厚为4.62mm,与有限元模拟结 这种局部的壁厚减薄显著降低了轧件的抗弯和抗扭 果接近.轧制试验证实本文建立的有限元模型是可 能力. 靠的 图6正轧试验轧件 Fig.6 Experiment workpiece of normal rolling 2.3空心轧件轴肩壁厚减薄原因 拉伸.轧件周向被压缩、直径减小，使得周向斜楔作用 追踪空心零件的成形过程，发现这种壁厚减薄现 区域都是压缩应变.而轴向则由于径向和周向压缩变 象的出现，始于成形过程的楔入阶段 形产生拉伸变形，轴肩顶部位置因金属的轴向流动受 图7显示轧件正轧楔入时刻的应力场情况.此 阻而被压缩.综上所述，根据体积不变原理，轧件在楔 时，在模具楔尖的作用下，轧件上下变形区一“V”形 尖位置由于径向和周向被压缩，轴向被拉伸而发生壁 区域附近发生变形.“V”形区中部径向应力主要是压 厚减薄. 应力，由接触表面向内壁逐渐减小“V”形区两侧的轴 图9是轧件两个不同阶段的轴向位移分布. 肩有较小的拉应力.周向应力随“V”形区形状压应力 图9()是楔入阶段的情况，以楔入位置为界，金属向楔 由外壁表面向内壁逐渐减小.轴向应力内外差别显 两侧流动，尤其在轧件内壁附近趋势更明显.楔入位置 著，由外壁表面显著的压应力过渡到内表面显著的拉 内侧A处，由于没有邻近的金属对其进行补充，壁厚减 应力.因此轧件“V”形变形区域的应力特征是：由于 薄明显.楔入位置外侧B处，轧件展宽方向与金属轴向 被模具压缩，轧件与模具接触的外壁附近是压应力. 流动方向一致，且内壁附近的金属轴向位移显著的大于 被压缩金属的轴向流动，带动内壁变形，从而内壁附近 外壁，使楔入过程减薄的壁厚有金属补充，所以该位置 产生拉应力. 的壁厚减薄不明显.图9(b)是轧件展宽过程轧件的轴 图8显示轧件正轧楔入时刻的应变场情况.在楔 向位移分布，随着轧件的轴向展宽，轧件外侧由于内壁 尖的压缩作用下，径向应变在楔尖位置的“V”形区底 金属的轴向流动显著大于外壁，使内壁附近金属不断地 部由外到内都是压缩变形，带动两侧轴肩位置被向内 对C处进行补充，壁厚出现增加的趋势

工程科学学报，第 38 卷，第 8 期 图 4 楔横轧空心零件有限元模型 Fig． 4 Finite element model of CWＲ hollow workpieces 21. 67% ． 空心轴通常工作在复杂重载的工作条件下， 这种局部的壁厚减薄显著降低了轧件的抗弯和抗扭 能力． 图 5 楔横轧空心零件模拟结果 Fig． 5 Simulation result of CWＲ hollow workpieces 2. 2 试验验证 在实验室的 H630 楔横轧机上，进行了正轧空心 零件的轧制试验，试验采用与有限元模拟一致的轧制 条件，得到的轧件如图 6 所示． 轧件剖面图显示的壁 厚变化与有限元模拟是一致的，随着压下量的增加，壁 厚有所增加，但是在轧件的轴肩位置 P 处出现了显著 的壁厚减薄，最薄的壁厚为 4. 62 mm，与有限元模拟结 果接近． 轧制试验证实本文建立的有限元模型是可 靠的． 图 6 正轧试验轧件 Fig． 6 Experiment workpiece of normal rolling 2. 3 空心轧件轴肩壁厚减薄原因 追踪空心零件的成形过程，发现这种壁厚减薄现 象的出现，始于成形过程的楔入阶段． 图 7 显示轧件正轧楔入时刻的应力场情况． 此 时，在模具楔尖的作用下，轧件上下变形区———“V”形 区域附近发生变形． “V”形区中部径向应力主要是压 应力，由接触表面向内壁逐渐减小，“V”形区两侧的轴 肩有较小的拉应力． 周向应力随“V”形区形状压应力 由外壁表面向内壁逐渐减小． 轴向应力内外差别显 著，由外壁表面显著的压应力过渡到内表面显著的拉 应力． 因此轧件“V”形变形区域的应力特征是: 由于 被模具压缩，轧件与模具接触的外壁附近是压应力． 被压缩金属的轴向流动，带动内壁变形，从而内壁附近 产生拉应力． 图 8 显示轧件正轧楔入时刻的应变场情况． 在楔 尖的压缩作用下，径向应变在楔尖位置的“V”形区底 部由外到内都是压缩变形，带动两侧轴肩位置被向内 拉伸． 轧件周向被压缩、直径减小，使得周向斜楔作用 区域都是压缩应变． 而轴向则由于径向和周向压缩变 形产生拉伸变形，轴肩顶部位置因金属的轴向流动受 阻而被压缩． 综上所述，根据体积不变原理，轧件在楔 尖位置由于径向和周向被压缩，轴向被拉伸而发生壁 厚减薄． 图 9 是轧件两个不同阶段的轴向位移分布． 图 9( a) 是楔入阶段的情况，以楔入位置为界，金属向楔 两侧流动，尤其在轧件内壁附近趋势更明显． 楔入位置 内侧 A 处，由于没有邻近的金属对其进行补充，壁厚减 薄明显． 楔入位置外侧 B 处，轧件展宽方向与金属轴向 流动方向一致，且内壁附近的金属轴向位移显著的大于 外壁，使楔入过程减薄的壁厚有金属补充，所以该位置 的壁厚减薄不明显． 图 9( b) 是轧件展宽过程轧件的轴 向位移分布，随着轧件的轴向展宽，轧件外侧由于内壁 金属的轴向流动显著大于外壁，使内壁附近金属不断地 对 C 处进行补充，壁厚出现增加的趋势． · 0711 ·

杨翠苹等：楔横轧反楔堆轧改善空心零件过渡轴肩的壁厚减薄 *1171· 径向应力MPa 周向应力MPa a 150.0■ b 200.0■ 33.3 33.3 -83.3 -133.0 -200.0 -300.0 轴向应力/MPa (c) 150.0■ 33.3 83.3 -200.0 图7楔入时刻的应力场.(a)径向应力：(b)周向应力：(c)轴向应力 Fig.7 Stress fields in the knifing stage:(a)radial stress:(b)circumferential stress:(c)axial stress 径向应变 周向应变 (a) 0.2000■ 8 0.0667 0.0500 0.0667 0.1500 -0.200 -0.2500 轴向应变 ⊙ 0.2000■ 0.0833 -0.0333 0.1500 图8楔入时刻的应变场.(a)径向应变：(b)周向应变：(c)轴向应变 Fig.8 Strain fields in the knifing stage:(a)radial strain:(b)circumferential strain:(c)axial strain 轴向位移/mm 轴向位移mm 1.000■ (b) 2.000■ 0.333 0.333 -0.333 -1.330 -000 3.000 图9轴向位移分布.(a)楔入阶段：(b)展宽阶段 Fig.9 Axial displacement distribution:(a)knifing stage:(b)stretching stage 通过上述分析可知：楔横轧成形空心零件时，在楔入过程中由于楔尖位置被轴向拉伸而发生壁厚减薄

杨翠苹等: 楔横轧反楔堆轧改善空心零件过渡轴肩的壁厚减薄 图 7 楔入时刻的应力场． ( a) 径向应力; ( b) 周向应力; ( c) 轴向应力 Fig． 7 Stress fields in the knifing stage: ( a) radial stress; ( b) circumferential stress; ( c) axial stress 图 8 楔入时刻的应变场． ( a) 径向应变; ( b) 周向应变; ( c) 轴向应变 Fig． 8 Strain fields in the knifing stage: ( a) radial strain; ( b) circumferential strain; ( c) axial strain 图 9 轴向位移分布． ( a) 楔入阶段; ( b) 展宽阶段 Fig． 9 Axial displacement distribution: ( a) knifing stage; ( b) stretching stage 通过上述分析可知: 楔横轧成形空心零件时，在楔 入过程中由于楔尖位置被轴向拉伸而发生壁厚减薄， · 1711 ·

·1172 工程科学学报，第38卷，第8期 楔内侧轴肩位置因为没有邻近的金属能补充到这个位 置而发生壁厚减薄现象，而外侧轴肩则因为轧件展宽 方向与金属轴向流动方向一致，内壁的金属补充到轴 肩位置使壁厚减薄改善. 3反楔成形增加过渡轴肩壁厚 3.1采用反楔工艺改善轴肩壁厚 空心零件轴肩位置壁厚减薄，会显著降低空心零 件的力学强度，导致零件不能满足使用要求.避免轴 肩壁厚减薄，甚至实现一定程度的增厚对提高零件的 强度是十分必要的.改变楔横轧成形的工艺参数能减 少减薄量，但是轴肩壁厚减薄的机理决定了这种工艺 图10反楔堆轧示意图 条件下，减薄是无法避免的，要有效地解决轴肩壁厚减 Fig.10 Sketch of upset rolling with an anti-wedge 薄问题必须改善成形工艺 根据空心零件金属轴向流动规律，在减薄的轴肩 变以外，以拉应变为主，越向内壁拉应变的数值越大 位置设计反楔堆轧的轧制工艺，简称反轧.希望由此 周向应变主要是压应变，内壁的压应变较大.轴向应 改变轧件金属的轴向流动，改善轴肩壁厚.图10是反 变大部分是拉应变，只有反楔成形的轴肩位置出现轴 楔堆轧示意图，模具楔由轧件外侧向内侧展宽.通常 向压应变，显示反楔堆轧使金属向该轴肩位置流动，从 情况下，反楔堆轧对轧件成形是不利的，它会阻碍金属 而在该处金属堆积压缩.应变分布显示：反楔堆轧空 的轴向流动而增加横向流动趋势，使轧件旋转条件变 心零件的变形特征与通常正轧的径向压缩、轴向延伸 差，所以在楔横轧实心零件中很少采用. 的变形不同，由于反楔向轧件内侧（对称中心侧）展 3.2反楔成形空心零件的模拟结果 宽，金属向内侧轴向流动受到阻碍，轧件的主要变形是 通过有限元模拟，得到反楔堆轧成形轴肩的应变 周向收缩时金属向内壁流动，产生径向和轴向拉伸 场分布，如图11所示.径向应变除表层有较小的压应 变形. 径向应变 周向应变 0.500 (a) L) 0.1001 0.167 0.150 0.167 0.400 0500 0.650■ 轴向应变 (e) 0.300■ 0.100 0.100 0.300 图11反楔堆轧成形轴肩的应变场.(a)径向应变：(b)周向应变：()轴向应变 Fig.11 Strain fields of the shaft shoulder in upset rolling:(a)radial strain:(b)circumferential strain:(c)axial strain 图12显示反楔成形轴肩的轴向位移分布.在反 工艺成功地改变空心零件金属的轴向流动方向，使轴 楔的作用下，金属向轴肩位置流动，内壁的流动趋势显 肩位置的金属得到了补充，从而实现轧件轴肩的壁厚 著大于外壁.轴向位移分布的结果证实反楔堆轧成形 增加

工程科学学报，第 38 卷，第 8 期 楔内侧轴肩位置因为没有邻近的金属能补充到这个位 置而发生壁厚减薄现象，而外侧轴肩则因为轧件展宽 方向与金属轴向流动方向一致，内壁的金属补充到轴 肩位置使壁厚减薄改善． 3 反楔成形增加过渡轴肩壁厚 3. 1 采用反楔工艺改善轴肩壁厚 空心零件轴肩位置壁厚减薄，会显著降低空心零 件的力学强度，导致零件不能满足使用要求． 避免轴 肩壁厚减薄，甚至实现一定程度的增厚对提高零件的 强度是十分必要的． 改变楔横轧成形的工艺参数能减 少减薄量，但是轴肩壁厚减薄的机理决定了这种工艺 条件下，减薄是无法避免的，要有效地解决轴肩壁厚减 薄问题必须改善成形工艺． 根据空心零件金属轴向流动规律，在减薄的轴肩 位置设计反楔堆轧的轧制工艺，简称反轧． 希望由此 改变轧件金属的轴向流动，改善轴肩壁厚． 图 10 是反 楔堆轧示意图，模具楔由轧件外侧向内侧展宽． 通常 情况下，反楔堆轧对轧件成形是不利的，它会阻碍金属 的轴向流动而增加横向流动趋势，使轧件旋转条件变 差，所以在楔横轧实心零件中很少采用． 3. 2 反楔成形空心零件的模拟结果 通过有限元模拟，得到反楔堆轧成形轴肩的应变 场分布，如图 11 所示． 径向应变除表层有较小的压应 图 10 反楔堆轧示意图 Fig． 10 Sketch of upset rolling with an anti-wedge 变以外，以拉应变为主，越向内壁拉应变的数值越大． 周向应变主要是压应变，内壁的压应变较大． 轴向应 变大部分是拉应变，只有反楔成形的轴肩位置出现轴 向压应变，显示反楔堆轧使金属向该轴肩位置流动，从 而在该处金属堆积压缩． 应变分布显示: 反楔堆轧空 心零件的变形特征与通常正轧的径向压缩、轴向延伸 的变形不同，由于反楔向轧件内侧( 对称中心侧) 展 宽，金属向内侧轴向流动受到阻碍，轧件的主要变形是 周向收缩时金属向内壁流动，产生径向和轴向拉伸 变形． 图 11 反楔堆轧成形轴肩的应变场． ( a) 径向应变; ( b) 周向应变; ( c) 轴向应变 Fig． 11 Strain fields of the shaft shoulder in upset rolling: ( a) radial strain; ( b) circumferential strain; ( c) axial strain 图 12 显示反楔成形轴肩的轴向位移分布． 在反 楔的作用下，金属向轴肩位置流动，内壁的流动趋势显 著大于外壁． 轴向位移分布的结果证实反楔堆轧成形 工艺成功地改变空心零件金属的轴向流动方向，使轴 肩位置的金属得到了补充，从而实现轧件轴肩的壁厚 增加． · 2711 ·