D0I:10.13374/1.issnl00103.2007.0L.014 第29卷第1期 北京科技大学学报 Vol.29 No.1 2007年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan.2007 楔横轧多楔成形汽车半轴力能参数的影响因素分析 赵静2)束学道)胡正寰) 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)山东理工大学轻工学院，淄博255049 摘要轧制力和轧制力矩是楔横轧汽车半轴轧机设计中的重要参数，由于楔横轧多楔成形半轴时主楔和侧楔之间相互制 约，轧制过程中轧制力和轧制力矩的变化复杂.针对典型汽车半轴，采用LS-DYNA有限元软件，对楔横轧多楔轧制汽车半轴 进行了数值模拟，获得了轧制过程中各因素对轧制力和轧制力矩的影响规律. 关键词楔横轧：多楔；汽车半轴：轧制力：轧制力矩 分类号TG335.19 随着我国汽车工业的飞速发展，汽车半轴的需 求量越来越大，传统加工方法由于存在效率低、材料 995 105. 1078 利用率低、投资大等缺点，不能满足汽车半轴经济化 生产和市场需求叮.楔横轧多楔精密成形汽车半轴 图1汽车半轴尺寸 的原理是主楔和侧楔同时对轧件进行径向压下和轴 Fig-I Dimension of an automobile semi-axis 向延伸，所以可以显著节省辊面，大大减少设备本体 尺寸和模具尺寸，显著降低成本，用较小设备即可代 替单楔轧制的庞大设备，易于实现汽车半轴的经济 化生产 楔横轧多楔成形汽车半轴由于主楔和侧楔之间 的相互制约，轧制过程较单楔要复杂得多2].国 内外关于多楔轧制理论研究较少，在一定程度上阻 碍了多楔成形汽车半轴技术的推广，为解决上述难 题，本文针对某一典型汽车半轴，采用LS一DYNA 有限元软件，对楔横轧多楔轧制汽车半轴进行了数 图2多楔轧制的有限元模型 值模拟，系统分析出轧制过程中轧制温度、轧制转 Fig.2 Finite element model of multi-wedges rolling 速、轧辊直径、摩擦因数对轧制力和轧制力矩的影响 规律，研究结果为研制半轴楔横轧机合理确定轧制 2轧制力和轧制力矩影响因素分析 力和轧制力矩、实现半轴的经济化生产提供了重要 的理论基础 2.1轧制温度 忽略在轧制过程中的热传导和热辐射所造成的 1计算模型的建立 热量散失，对该半轴在轧制温度为800,1000,1100， 以一种轻型载货汽车半轴为研究对象，如图1 1200℃情况下的轧制过程进行了有限元模拟，模拟 所示，为节省计算时间和硬盘空间，按1：2比例进 结果如图3所示，从图中可以看出，温度越高，轧制 行模拟计算，轧制工艺参数制定为成形角32°，展宽 过程中所需的轧制力和轧制力矩越小.当进入稳定 角为6°，断面收缩率为43.75%，轧件坯料40mm, 轧制阶段时，温度在800℃时所需的轧制力和轧制 轧件材料为45钢.汽车半轴多楔轧制有限元模型 力矩比1200℃时约增加了158%.这是因为多楔轧 如图2所示 制汽车半轴时为使轧件变形，轧机必须输出足够的 机械能，以克服金属的变形抗力·随着温度的升高， 收稿日期：2005-10-12修回日期：2006-04-28 基金项目：国家自然科学基金资助项目(Nas,50475175,50435010) 金属的塑性增加，金属原子热振动的振幅增大，原子 作者简介：赵静(1971一)，女，副教授，博士研究生：束学道 间的键力减弱，从而金属产生塑性变形所需的能量 (1968一)，男，副教授，博士生导师
楔横轧多楔成形汽车半轴力能参数的影响因素分析 赵 静12） 束学道1） 胡正寰1） 1） 北京科技大学机械工程学院北京100083 2） 山东理工大学轻工学院淄博255049 摘 要 轧制力和轧制力矩是楔横轧汽车半轴轧机设计中的重要参数由于楔横轧多楔成形半轴时主楔和侧楔之间相互制 约轧制过程中轧制力和轧制力矩的变化复杂．针对典型汽车半轴采用 LS－DYNA 有限元软件对楔横轧多楔轧制汽车半轴 进行了数值模拟获得了轧制过程中各因素对轧制力和轧制力矩的影响规律． 关键词 楔横轧；多楔；汽车半轴；轧制力；轧制力矩 分类号 TG335∙19 收稿日期：20051012 修回日期：20060428 基金项目：国家自然科学基金资助项目（Nos．5047517550435010） 作者 简 介：赵 静 （1971－）女副 教 授博 士 研 究 生；束 学 道 （1968－）男副教授博士生导师 随着我国汽车工业的飞速发展汽车半轴的需 求量越来越大传统加工方法由于存在效率低、材料 利用率低、投资大等缺点不能满足汽车半轴经济化 生产和市场需求［1］．楔横轧多楔精密成形汽车半轴 的原理是主楔和侧楔同时对轧件进行径向压下和轴 向延伸所以可以显著节省辊面大大减少设备本体 尺寸和模具尺寸显著降低成本用较小设备即可代 替单楔轧制的庞大设备易于实现汽车半轴的经济 化生产． 楔横轧多楔成形汽车半轴由于主楔和侧楔之间 的相互制约轧制过程较单楔要复杂得多［2－4］．国 内外关于多楔轧制理论研究较少在一定程度上阻 碍了多楔成形汽车半轴技术的推广．为解决上述难 题本文针对某一典型汽车半轴采用 LS－DYNA 有限元软件对楔横轧多楔轧制汽车半轴进行了数 值模拟系统分析出轧制过程中轧制温度、轧制转 速、轧辊直径、摩擦因数对轧制力和轧制力矩的影响 规律．研究结果为研制半轴楔横轧机合理确定轧制 力和轧制力矩、实现半轴的经济化生产提供了重要 的理论基础． 1 计算模型的建立 以一种轻型载货汽车半轴为研究对象如图1 所示．为节省计算时间和硬盘空间按1∶2比例进 行模拟计算．轧制工艺参数制定为成形角32°展宽 角为6°断面收缩率为43∙75％轧件坯料●40mm． 轧件材料为45＃钢．汽车半轴多楔轧制有限元模型 如图2所示． 图1 汽车半轴尺寸 Fig．1 Dimension of an automobile sem-i axis 图2 多楔轧制的有限元模型 Fig．2 Finite element model of mult-i wedges rolling 2 轧制力和轧制力矩影响因素分析 2∙1 轧制温度 忽略在轧制过程中的热传导和热辐射所造成的 热量散失对该半轴在轧制温度为80010001100 1200℃情况下的轧制过程进行了有限元模拟．模拟 结果如图3所示．从图中可以看出温度越高轧制 过程中所需的轧制力和轧制力矩越小．当进入稳定 轧制阶段时温度在800℃时所需的轧制力和轧制 力矩比1200℃时约增加了158％．这是因为多楔轧 制汽车半轴时为使轧件变形轧机必须输出足够的 机械能以克服金属的变形抗力．随着温度的升高 金属的塑性增加金属原子热振动的振幅增大原子 间的键力减弱从而金属产生塑性变形所需的能量 第29卷 第1期 2007年 1月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．1 Jan．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．01．014
,64 北京科技大学学报 第29卷 减小，变形抗力降低一]，热加工时消耗能量少，所 以使轧件变形所需的轧制力和轧制力矩减小 1000 250 (a) (b) 800 800℃ 200 600 150 41000℃ 400 100 1100℃ 200 1200℃ 50 1200℃ 400 800 1200 1600 400 800 1200 1600 模其长度mm 模具长度/mm 图3温度对轧制力(a)和轧制力矩(b)的影响 Fig.3 Influence of temperature on rolling force (a)and rolling moment (b) 2.2摩擦因数 流动阻力增大的较多，这将引起金属的不均匀变 摩擦因数对力能参数的影响如图4所示.从图 形，改变物体应力状态，使变形力和能耗增加，但在 中可以看出，轧制力和轧制力矩随摩擦因数的增大 多楔楔横轧轧制半轴时，有时为了改变咬入条件和 而增大，当进入稳定轧制阶段时，摩擦因数为0.40 保证轧件旋转，需要增大摩擦。通常方法是在成形 时的轧制力和轧制力矩比摩擦因数为0.15时增加 楔面上刻痕， 了约47%.这是因为随摩擦因数的增大金属的横向 350 (a) 摩擦因数 160 (b) 摩擦因数 300 140 250 0.40 120 0.40 200 100 6 35 50 225 20 0.15 01 0 400 800 1200 1600 400 800 1200 1600 摸具长度/mm 模具长度/mm 图4摩擦因数对轧制力(a)和轧制力矩(b)的影响 Fig.4 Influence of friction factor on rolling force (a)and rolling moment (b) 2.3轧辊直径 看出轧制力和轧制力矩都随轧辊直径的增大而增 对轧辊直径分别为630,1000,1200,1400mm 大.当进入稳定轧制阶段时，轧辊直径为1400mm 时半轴的轧制过程进行了有限元模拟，轧辊直径对 的轧制力和轧制力矩比轧辊直径为630mm时增加 轧制力和轧制力矩的影响如图5所示.从图中可以 了60%左右 400 轧辊直径 200 轧辊直径 350 (a) 400mm (b) 1200mm 1400mm 300 160 1200mm 250 120 200 000mm 150 630 mm 80 100 50 630mm 0 0 400 800 1200 1600 400 800 1200 1600 模具长度mm 模具长度mm 图5轧辊直径对轧制力(a)和轧制力矩(b)的影响 Fig.5 Influence of mill diameter on rolling force (a)and rolling moment (b) 原因是随轧辊直径的增大，变形区的水平投影 大，所以金属的延伸减小而横向扩展增大，在不考 长度增大，由接触摩擦力所引起的纵向流动阻力增 虑轧辊与轧件的弹性压缩时，楔横轧在典型展宽区
减小变形抗力降低［5－7］热加工时消耗能量少所 以使轧件变形所需的轧制力和轧制力矩减小． 图3 温度对轧制力（a）和轧制力矩（b）的影响 Fig．3 Influence of temperature on rolling force （a） and rolling moment （b） 2∙2 摩擦因数 摩擦因数对力能参数的影响如图4所示．从图 中可以看出轧制力和轧制力矩随摩擦因数的增大 而增大．当进入稳定轧制阶段时摩擦因数为0∙40 时的轧制力和轧制力矩比摩擦因数为0∙15时增加 了约47％．这是因为随摩擦因数的增大金属的横向 流动阻力增大的较多这将引起金属的不均匀变 形改变物体应力状态使变形力和能耗增加．但在 多楔楔横轧轧制半轴时有时为了改变咬入条件和 保证轧件旋转需要增大摩擦．通常方法是在成形 楔面上刻痕． 图4 摩擦因数对轧制力（a）和轧制力矩（b）的影响 Fig．4 Influence of friction factor on rolling force （a） and rolling moment （b） 2∙3 轧辊直径 对轧辊直径分别为630100012001400mm 时半轴的轧制过程进行了有限元模拟轧辊直径对 轧制力和轧制力矩的影响如图5所示．从图中可以 看出轧制力和轧制力矩都随轧辊直径的增大而增 大．当进入稳定轧制阶段时轧辊直径为1400mm 的轧制力和轧制力矩比轧辊直径为630mm 时增加 了60％左右． 图5 轧辊直径对轧制力（a）和轧制力矩（b）的影响 Fig．5 Influence of mill diameter on rolling force （a） and rolling moment （b） 原因是随轧辊直径的增大变形区的水平投影 长度增大由接触摩擦力所引起的纵向流动阻力增 大所以金属的延伸减小而横向扩展增大．在不考 虑轧辊与轧件的弹性压缩时楔横轧在典型展宽区 ·64· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第1期 赵静等：楔横轧多楔成形汽车半轴力能参数的影响因素分析 .65. 的接触面积F为A1CA(F)和CDBB1A(F2)面积 Zo为压下量的一半，mm;Ro为轧辊半径，mm 之和（如图6中阴影所示）： 从式(4)中可以看出，随着轧辊直径的增大，在 F=F1十F2 (1) 展宽区轧件与轧辊的接触面积也相应增大，平均表 面压力的变化并不大·所以，随轧辊直径的增大，轧 制力和轧制力矩也相应增大 2.4轧辊转速 轧辊转速对力能参数的影响如图7所示，从图 图6楔横轧轧制接触面积示意 中可以看出，随着轧制速度的提高，最大轧制力和轧 Fig.6 Sketch of cross wedge rolling contact area 制力矩都相应增大，由平均变形速度式(5)可知，随 轧制速度的提高，平均变形速度也相应增大，变形 其中， 速度对变形抗力有很大的影响，通常随变形速度的 Ro+ro-r1)r120 F1= (2) 提高变形抗力增大，同时因为在变形过程中，由于 2(Ro+ro)tan a 轧制速度的增大，短时间金属产生大量变形，并且由 1 F2= 2sin a (r0-r1-Z0) 2(R0十rm-)I1Z0+ 于多楔轧制时楔与楔之间的相互制约，在很短时间 R0+r0 内金属大量积聚，金属的轴向延伸变得困难与缓慢， 2(B0+Z0)(r0-Z0)Z0 (T0-r1) R0十T0 (3) 引起变形抗力增大，导致轧制力增加.当进入稳定 轧制阶段，轧辊转速为l5rmin时所需的轧制力 将式(2)和(3)代入(1)并适当变换得： 和轧制力矩比轧辊转速为8rmin时增加了38%. F- r1Zo 1 所以随着轧制速度的提高，轧制力和轧制力矩均增 N2tan aN Ro+ro 2sin a 2r1Zo(ro 大 r1-Z0) -+(r0-r1)N2Z0(r0-Z0)· =yAh=y。 Ro十r I ho (5) 式中，l为接触弧的水平投影长度，mm;v为轧件出 r0-Z0 Ro+ro (4) 轧辊的速度，mms1;ho为入口断面的高度，mm; 式中，ro,r1为轧件的轧前半径和轧后半径，mm; △h为压下量，mm, 400 180 350 160 (b) 300 140 250 120 200 100 轧制速度 轧制速度 150 8r-min 60 ◆8rmin 100 10 t.min-! 10 r.min- 40 12 r.min- 50 12r.min- -●-15r.minl 20 ◆l5r,min 0 600 1200 1800 600 1200 1800 模具长度mm 模具长度mm 图7轧制速度对轧制力和轧制力矩的影响 Fig.7 Influence of roller speed on rolling force and rolling moment 3轧制力和轧制力矩影响程度综合 A=Y Xo (6) 对多楔楔横轧轧制汽车半轴力能参数影响因素 的模拟分析和理论分析可知，各影响因素在不同程 度上影响着多楔轧制半轴的轧制力.为了得到各影 式中，X:为影响因素值；Xo为影响因素初值；Y:为 响因素对多楔轧制半轴轧制力的影响程度，本文引 力能参数值：Yo为力能参数初值 入量纲一的影响因子和影响系数，且定义为： 综合上述分析结果，得到影响因子对力能参数 的影响，如图8所示，从图可以看出，对轧制力影响
的接触面积 F 为 A1CA （ F1）和 CDBB1A （ F2）面积 之和（如图6中阴影所示）： F＝F1＋F2 （1） 图6 楔横轧轧制接触面积示意 Fig．6 Sketch of cross wedge rolling contact area 其中 F1＝ （ R0＋ r0－ r1） r1Z 3 0 2（ R0＋ r0）tan 2α （2） F2＝ 1 2sinα （ r0－ r1－Z0） 2（ R0＋ r0－ r1） r1Z0 R0＋ r0 ＋ （ r0－ r1） 2（ R0＋Z0）（ r0－Z0）Z0 R0＋ r0 （3） 将式（2）和（3）代入（1）并适当变换得： F＝ r1Z 3 0 2tan 2α 1－ r1 R0＋ r0 ＋ 1 2sinα 2r1Z0（ r0－ r1－Z0） 1－ r1 R0＋ r0 ＋（ r0－ r1） 2Z0（ r0－Z0）· 1－ r0－Z0 R0＋ r0 （4） 式中r0r1 为轧件的轧前半径和轧后半径mm； Z0 为压下量的一半mm；R0 为轧辊半径mm． 从式（4）中可以看出随着轧辊直径的增大在 展宽区轧件与轧辊的接触面积也相应增大平均表 面压力的变化并不大．所以随轧辊直径的增大轧 制力和轧制力矩也相应增大． 2∙4 轧辊转速 轧辊转速对力能参数的影响如图7所示．从图 中可以看出随着轧制速度的提高最大轧制力和轧 制力矩都相应增大．由平均变形速度式（5）可知随 轧制速度的提高平均变形速度也相应增大．变形 速度对变形抗力有很大的影响通常随变形速度的 提高变形抗力增大．同时因为在变形过程中由于 轧制速度的增大短时间金属产生大量变形并且由 于多楔轧制时楔与楔之间的相互制约在很短时间 内金属大量积聚金属的轴向延伸变得困难与缓慢 引起变形抗力增大导致轧制力增加．当进入稳定 轧制阶段轧辊转速为15r·min －1时所需的轧制力 和轧制力矩比轧辊转速为8r·min －1时增加了38％． 所以随着轧制速度的提高轧制力和轧制力矩均增 大． υ＝ υ l Δh h0 ＝ υ l ε （5） 式中l 为接触弧的水平投影长度mm；υ为轧件出 轧辊的速度mm·s －1 ；h0 为入口断面的高度mm； Δh 为压下量mm． 图7 轧制速度对轧制力和轧制力矩的影响 Fig．7 Influence of roller speed on rolling force and rolling moment 3 轧制力和轧制力矩影响程度综合 对多楔楔横轧轧制汽车半轴力能参数影响因素 的模拟分析和理论分析可知各影响因素在不同程 度上影响着多楔轧制半轴的轧制力．为了得到各影 响因素对多楔轧制半轴轧制力的影响程度本文引 入量纲一的影响因子和影响系数且定义为： λ＝ Xi X0 η＝ Y i Y0 （6） 式中Xi 为影响因素值；X0 为影响因素初值；Y i 为 力能参数值；Y0 为力能参数初值． 综合上述分析结果得到影响因子对力能参数 的影响如图8所示．从图可以看出对轧制力影响 第1期 赵 静等： 楔横轧多楔成形汽车半轴力能参数的影响因素分析 ·65·
·66 北京科技大学学报 第29卷 最大的是轧制温度，其次是轧辊直径，对轧制力影响 辊直径、摩擦因数和轧辊转速的增加而增大， 最小的是轧辊转速，在确定力能参数时可以不予考 (2)轧制温度对轧制力和轧制力矩影响最大， 虑，各影响因素对轧制力矩的影响程度与轧制力 轧辊直径影响次之，摩擦因数和轧辊转速对轧制力 类似 和轧制力矩的影响较小，在轧机设计确定力能参数 14 时必须优先考虑轧制温度和轧辊直径 12 参考文献 1.0 摩擦因数 0.8 零一轧制速度 [1]赵静，束学道，胡正寰，等.汽车半轴成形技术研究现状及展 0.6 量温度 望.冶治金设备，2004,25(6)：32 一◆一轧辊直径 0.4 [2]胡正寰，张康生，王宝雨，等.楔横轧零件成形技术与模拟仿 0210 真.北京：治金工业出版社，2004：12 1.2 1.41.6 1.82.0 影响因子 [3]束学道，邢希东，胡正寰·工艺参数对楔横轧多楔轧制成形机 理影响分析.北京科技大学学报，2005,27(2)：222 [4]邢希东，束学道，胡正寰。多楔楔横轧端面移动量实时测试系 图8各因素对轧制力影响比较 统研制.北京科技大学学报.2004,26(5)：548 Fig.8 Comparison of factors on rolling force and rolling moment [5]周纪华，管克智.金属塑性变形阻力.北京：机械工业出版社 1989:210 4 结论 [6]曹鸿德，塑性变形力学基础与轧制原理.北京：机械工业出版 社，1983,78 (1)楔横轧多楔轧制汽车半轴过程中，最大轧 [7]胡正寰，许协和，沙德元，斜轧与楔横轧原理、工艺及设备，北 制力和轧制力矩随着轧制温度的提高而减小，随轧 京：冶金工业出版社，1985,3 Analysis of influence factors on mechanical parameters in multi-wedge cross rolling wedge forming automobile semi-axes ZHA0Jing.2),SHU Xuedao）,HU Zhenghuan） 1)Mechanical Engineering School.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)Light Industry and Agriculture Engineering Department,Shandong University of Technology.Zibo 255049.China ABSTRACI Rolling force and rolling moment are the important parameters when cross rolling wedges mills forming automobile semi-axes was designed.The changes of rolling force and rolling moment are complicated in the rolling course due to the mutual restriction relation between main wedge and side wedge in the process of multi-wedge cross rolling wedges(MCRW)forming automobile semi-axes.The LS DYNA finite element soft- ware was adopted to simulate the process of MCWR rolling automobile semi-axes by setting up a finite element model.The rule was obtained that the rolling force and rolling moment change with every factor in the rolling course. KEY WORDS cross wedge rolling:multi-wedge;automobile semi-axis;rolling force;rolling moment
最大的是轧制温度其次是轧辊直径对轧制力影响 最小的是轧辊转速在确定力能参数时可以不予考 虑．各影响因素对轧制力矩的影响程度与轧制力 类似． 图8 各因素对轧制力影响比较 Fig．8 Comparison of factors on rolling force and rolling moment 4 结论 （1） 楔横轧多楔轧制汽车半轴过程中最大轧 制力和轧制力矩随着轧制温度的提高而减小随轧 辊直径、摩擦因数和轧辊转速的增加而增大． （2） 轧制温度对轧制力和轧制力矩影响最大 轧辊直径影响次之摩擦因数和轧辊转速对轧制力 和轧制力矩的影响较小在轧机设计确定力能参数 时必须优先考虑轧制温度和轧辊直径． 参 考 文 献 ［1］ 赵静束学道胡正寰等．汽车半轴成形技术研究现状及展 望．冶金设备200425（6）：32 ［2］ 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2004：12 ［3］ 束学道邢希东胡正寰．工艺参数对楔横轧多楔轧制成形机 理影响分析．北京科技大学学报200527（2）：222 ［4］ 邢希东束学道胡正寰．多楔楔横轧端面移动量实时测试系 统研制．北京科技大学学报200426（5）：548 ［5］ 周纪华管克智．金属塑性变形阻力．北京：机械工业出版社 1989：210 ［6］ 曹鸿德．塑性变形力学基础与轧制原理．北京：机械工业出版 社1983：78 ［7］ 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1985：3 Analysis of influence factors on mechanical parameters in mult-i wedge cross rolling wedge forming automobile sem-i axes ZHAO Jing 12）SHU Xuedao 1）HU Zhenghuan 1） 1） Mechanical Engineering SchoolUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Light Industry and Agriculture Engineering DepartmentShandong University of TechnologyZibo255049China ABSTRACT Rolling force and rolling moment are the important parameters when cross rolling wedges mills forming automobile sem-i axes was designed．The changes of rolling force and rolling moment are complicated in the rolling course due to the mutual restriction relation between main wedge and side wedge in the process of mult-i wedge cross rolling wedges （MCRW） forming automobile sem-i axes．The LS－DYNA finite element software was adopted to simulate the process of MCWR rolling automobile sem-i axes by setting up a finite element model．The rule was obtained that the rolling force and rolling moment change with every factor in the rolling course． KEY WORDS cross wedge rolling；mult-i wedge；automobile sem-i axis；rolling force；rolling moment ·66· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷