楔横轧非对称轴类件切向力影响规律
束学道1，魏新红1，胡正寰2
(1. 宁波大学 机械工程与力学学院，浙江 宁波，315211；
2. 北京科技大学 机械工程学院，北京，100083)
摘 要：
-Ls/Dyna有限元软件，对工艺参数对切向力的影响规律进行较系统研究，并通过轧制力和轧制力矩的实验测试，对本分析有限元模型进行实验验证，得到了工艺参数对楔横轧非对称轴类件的切向力影响规律，为楔横轧非对称轴类件的模具设计中合理选取工艺参数提供了理论依据。
关键词：
中图分类号：TG335.19 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2012)01-0172-05
Influence regularities of tangential force of cross wedge rolling asymmetric shaft-parts
SHU Xue-dao1, WEI Xin-hong1, HU Zheng-huan2
(1. Faculty of Mechanical Engineering and Mechanics, Ningbo University, Ningbo 315211, China;
2. Faculty of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)
Abstract: The influence regularities of tangential force about technical parameters were researched by Ansys-Ls/Dyna finite element software. Finite element model was authenticated by experiment of rolling force and rolling torque. The influence regularities of tangential force of cross wedge rolling asymmetric shaft-parts were obtained. The results of this work provide a theoretical basis for choosing reasonable parameters in mold design of cross wedge rolling asymmetric shaft-parts.
Key words: technical parameters; cross wedge rolling; asymmetric; tangential force
楔横轧是一种轴类零件成形新工艺，具有高效、节材等优点，在国内外已得到较广泛的应用[1-4]。随着交通运输业的快速发展，各种轴类零件的需求量与日俱增，尤其是大型轴类零件如铁路车辆车轴和汽车半轴等，而且这些零件中大部分为非对称轴类零件。目前这些零件大部分成形采用锻造法，存在效率低、加工余量大等特点[5-7]，所以，楔横轧非对称轴类件具有广泛的市场空间，研究工艺参数对楔横轧非对称轴类件的切向力影响规律具有重要的理论意义和应用价值。楔横轧非对称轴类零件由于非对称部分模具参数选取不能完全一样，根据经验选取参数轧制时不对称部分所产生的切向力难以平衡，坯料难以保持在理论的轧制中心线上，在轧制过程中容易出现轧件扭转等事故，阻碍轧制过程的顺利进行和影响产品的机械性能[8-10]。如何保证轧制过程中切向力平衡是实现非对称轴类零件楔横轧轧制急需解决的关键问题之一。关于楔横轧成形非对称轴类件切向力研究，张猛等[11]对楔横轧轧制EQ140汽车车桥主动伞齿轮坯，提出如果切向力不对等，齿轮坯易产生切向扭曲变形；彭文飞等[12]指出楔横轧单件轧制非对称轴类件存在轴向力和切向力不平衡问题。在楔横轧非对称轧制中，不平衡轴向力和切向力的测量是解决轧件轴向窜动和轧件扭曲等问题的关键；李建国等[13-14]研究楔横轧轧件扭转变形规律，指出过大的不平衡切向力会使轧件发生扭曲等缺陷。但关于使切向力平衡的参数选取确定的理论相对较少，为此，本文作者采用Ansys-Ls/Dyna有限元软件，对工艺参数对切向力的影响规律进行研究，并通过轧制力和轧制力矩的实验测试，对本分析有限元模型进行实验验证，得到了工艺参数对楔横轧非对称轴类件的切向力影响规律，为楔横轧非对称轴类件的模具设计中合理选取工艺参数提供了理论 依据。
1 楔横轧非对称轴类件有限元模型的建立
1.1 基本假设
非对称轴类零件楔横轧成形既有径向压缩和轴向延伸，又存在横向扩展，它不但存在材料非线性(应力与应变之间的非线性)、几何非线性(应变与位移之间的非线性)，而且其边界条件也很复杂。在建立有限元分析模型时，只有充分考虑上述多种因素，才能得到成形过程比较真实的描述。根据楔横轧变形特点，进行如下假设[15]：
(1) 轧辊视为刚体，采用刚性壳单元(Shell163)进行网格划分。原因是轧辊的刚度大，弹性变形较小可忽略。
(2) 轧件视为弹塑性体，采用8节点三维实体单元(Solid164)进行网格划分。因为轧件成形属连续局部大弹塑性变形过程。
(3) 轧辊与轧件的接触采用表面-表面接触模型(STS)，轧辊表面为目标面，轧件表面为接触面；
(4) 接触摩擦简化为库仑摩擦。
1.2 有限元模型建立
图1所示为非对称轴类件。要保证两边轧制部分同时结束，其工艺参数确定不可能完全一样，如果参数确定不合理，就会导致切向力不平衡而使轧制过程发生扭转，造成轧制不稳定和影响产品质量等。将轧件整体模拟，只能得到总的不平衡部分的切向力。为了进一步研究各个工艺参数对切向力的影响规律，将轧件进行如图2轴向几何约束处理。根据轧件轧制模型建立的有限元模型如图3所示。模型中轧件材料为45号钢，弹性模量E=90 GPa，泊松比为0.3，轧件直径为50 mm；轧辊直径为620 mm，轧辊的弹性模量E=210 GPa，质量密度ρ=7.82×103 kg/m3，轧制温度为1 050 ℃。45号钢在1 050 ℃下的应力(σ)-应变(ε)关系如图4所示。
图1 非对称轴类件
Fig.1 Asymmetric shaft-parts
图2 非对称轴类件轧制模型
Fig.2 Rolling model of asymmetric shaft-parts
图3 楔横轧非对称有限元模型
Fig.3 FEM of asymmetric shaft-parts
图4 45号钢的应力-应变曲线
Fig.4 Stress and strain curve of 45 steel
2 切向力影响规律分析
利用上述有限元模型，得到展宽角、成形角、断面收缩率和轧件尺寸对切向力影响如图5所示。图5(a)所示为展宽角对切向力影响，工艺参数为成形角
=25°，断面收缩率
=50%，轧件坯料直径d0=50 mm。由图5(a)可见：随着展宽角的增大，在楔入段，切向力急剧增大，在楔入段结束时，达到最大值；展宽段切向力比较稳定；再随着展宽角的增大，切向力增加。原因是展宽角增大使轧件变形区内金属的流动量增加，轴向压缩量增大，变形程度加大，轧件沿径向方向发生塑性变形的轴部接触面积也随展宽角的增大而增加，与金属流动方向相反的摩擦力增大。
图5(b)所示为成形角对切向力的影响，工艺参数为展宽角
=8°，=50%，d0=50 mm。由图5(b)可见：随着成形角的增大，在楔入段，切向力急剧增大，在楔入段结束时，达到最大值；展宽段切向力比较稳定。再随着成形角的增大，切向力减小。因为成形角增大，使轧件轧制区金属的轴向流动量增加，径向流动量减小，金属轴向延伸阻力减小，金属产生塑性流动所需轧制压力减小；同时，轧制接触内轧件沿径向方向发生塑性变形的轴部接触面积减少，这两方面的综合作用使切向力减少。
图5(c)所示为断面收缩率对切向力的影响。在轧制过程中=25°，=8°，d0=50 mm。由图5(c)可见：断面收缩率对切向力的影响比较复杂，切向力首先表现为随断面收缩率的增加而增大，当断面收缩率达到一定数值后，又随断面收缩率的增加而减小。
图5 工艺参数对切向力影响
Fig.5 Influence of technical parameters on tangential force
由楔横轧轧制过程中轴向压缩量s1和斜面投影长度s0关系(式(1))可知：断面收缩率的增大使轴向压缩量s1减少，从而使压缩量z减小；另一方面，当由 s1＞s0向s1=s0方向过渡时，压下量z又随断面收缩率的增大而增大。因此，存在一个临界值
，当
时，切向力随断面收缩率增大而增加；当
时，切向力随断面收缩率增大而减小。
(1)
式中：R0为轧件轧前半径；?H为绝对压下量；
。
图5(d)所示为轧件尺寸对切向力的影响，工艺参数为=25°，=8°，=50%。由图5(d)可以看出：随着轧件尺寸的增大，切向力增加。因为随着轧件尺寸的增大，轧制接触面积显著增大，而接触面内单位压力变化远小于接触面积增大的变化，所以，切向力 增大。
3 模型的实验验证
为验证有限元模拟的正确性，本实验采用通过本模型计算得到的轧制力和轧制力矩和实验测试结果进行比较[16]。模具参数为=28°，=8°，采用多楔轧制，轧件尺寸如图6所示。在H630轧机上进行轧制实验，出炉温度为1 100 ℃，考虑了轧件出炉和进入轧机轧制时的温降，得到轧制温度在1 050 ℃左右，得到的实验结果和模拟结果比较如图7所示。从图7可以看出：力能参数的模拟结果和测试结果变化规律基本一致，轧制力误差(模拟189.03 kN，测试172.93 kN) 为9.31%，轧制力矩误差(模拟81.148 kN·m，测试78.856 kN·m)为2.91%，说明本模型有限元模拟得到的结果是可信的。
图6 轧件图
Fig.6 Diagram of workpiece
图7 实验测试和模拟结果对比
Fig.7 Comparison between experience results and simulation results
4 结论
(1) 楔横轧非对称轴类件的切向力随展宽角和轧件尺寸的增大而增大；随着成形角的增大而减小，切向力首先表现为随断面收缩率的增加而增大，当断面收缩率达到一定数值后(通常为55%左右)，又随断面收缩率的增加而减小。
(2) 在轧制非对称轴类件时，左、右非对称部分工艺参数的选取应根据变化规律使切向合力为最小的原则确定。如对于左右轧件直径不一样的工件，对于直径较大的部分，可选取较小的展宽角和较大的成 形角。
(3) 本文通过实验验证的模型所得到的结果是可信的，为楔横轧非对称轴类件的模具设计中合理选取工艺参数提供了有力的理论依据，进一步完善楔横轧 理论。
参考文献：
[1] 胡正寰, 张康生, 王宝雨, 等. 楔横轧零件成形技术与模拟仿真[M]. 北京: 冶金工业出版社, 2004: 16-18.
HU Zheng-huan, ZHANG Kang-sheng, WANG Bao-yu, et al. Forming technology by cross-wedge rolling and simulation[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2004: 16-18.
[2] 胡正寰, 张康生, 王宝雨. 楔横轧理论与应用[M]. 北京: 冶金出版社, 1996: 13-24.
HU Zheng-huan, ZHANG Kang-sheng, WANG Bao-yu. The theory and application of cross wedge rolling[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 1996: 13-24.
[3] 杨翠苹, 胡正寰, 张康生, 等. 楔横轧轧件轴向变形研究[J]. 机械工程学报, 2004, 40(9): 80-83.
YANG Cui-ping, HU Zheng-huan, ZHANG Kang-sheng, et al. Study on axial deformation of workpiece in cross wedge rolling[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2004, 40(9): 80-83.
[4] DONG Yao-ming. Analysis of stress in cross wedge rolling with application to failure[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2000, 42: 1233-1253.
[5] 束学道, 李连鹏, 胡正寰. 基于有限元法分析楔横轧大型轴类件可行性[J]. 塑性工程学报, 2005, 12(7): 151-154.
SHU Xue-dao, LI Lian-peng, HU Zheng-huan. Analyzing feasibility about forming large-sized shaft-parts by cross wedge rolling based on finite element method[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2005, 12(7): 151-154.
[6] 束学道, 胡正寰. 大型轴类件楔横轧成形可行性分析[J]. 重型机械, 2005(4): 6-8.
SHU Xue-dao, HU Zheng-huan. Analysis of feasibility on forming large-sized shaft-part by cross wedge rolling[J]. Heavy Machinery, 2005(4): 6-8
[7] 束学道, 聂广占, 李传民. 楔横轧特大型轴类件变形特征研究[J]. 冶金设备, 2007(6): 6-10.
SHU Xue-dao, NIE Guang-zhan, LI Chuan-min. Study on deformation character of oversize axes during cross wedge rolling[J]. Metallurgical Equipment, 2007(6): 6-10.
[8] 黄德政, 周建军. 不对称轴类件楔横轧工艺与孔型设计[J]. 汽车科技, 1998, 6(4): 22-29.
HUANG De-zheng, ZHOU Jian-jun. Technology and groove design of cross wedge rolling asymmetric shaft-parts[J]. Automobile of Science and Technology, 1998, 6(4): 22-29.
[9] 中国机械工程学会锻压学会. 锻压手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 1993: 800-805.
Forging Technology of Mechanical and Electrical Technology. Forging manual[M]. Beijing: China Machine Press, 1993: 800-805.
[10] 张卫国. 楔横轧空间力参数研究[D]. 北京: 北京科技大学机械工程学院, 1985: 64-68.
ZHANG Wei-guo. Study of three dimensional force by cross wedge rolling[D]. Beijing: University of Science and Technology Beijing. School of Mechanical Engineering, 1985: 64-68.
[11] 张猛, 张韶华. 汽车车桥主动伞齿轮坯的楔横轧模具和立镦模具[J]. 机械工人: 热加工, 1998(8): 24-26.
ZHANG Meng, ZHANG Shao-hua. The die of cross wedge rolling and upsetting forming wheel blank in car[J]. Machine Worker: Hot Working, 1998(8): 24-26.
[12] 彭文飞, 张康生, 贾震, 等. 楔横轧非对称轴类件有限元模型分析[J]. 塑性工程学报, 2010, 17(2): 79-83.
PENG Wen-fei, ZHANG Kang-sheng, JIA Zheng, et al. Analysis on finite element model of cross wedge rolling asymmetric shaft-parts[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2010, 17(2): 79-83.
[13] 李建国. 楔横轧轧件扭转变形规律的研究[D]. 北京: 北京科技大学机械工程学院, 2007: 30-32.
LI Jian-guo. The study of regularities of the distortion of the workpiece by cross wedge rolling[D]. Beijing: University of Science and Technology Beijing. School of Mechanical Engineering, 2007: 30-32.
[14] 李建国, 刘晋平, 胡正寰. 楔横轧轧件扭转变形影响因素的研究[J]. 锻压技术, 2008, 33(4): 67-71.
LI Jian-guo, LIU Jin-ping, HU Zheng-huan. Study on influencing factors of torsional deflection in cross wedge rolling[J]. Forging and Stamping Technology, 2008, 33(4): 67-71.
[15] SHU Xue-dao, LI Chuan-min, HU Zheng-huan. Theoretical and experimental study of varying rule of rolling-moment about cross-wedge rolling[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2007, 187: 752-756.
[16] 赵静. 楔横轧多楔成形长轴类零件关键技术研究[D]. 北京: 北京科技大学机械工程学院, 2007: 100-103.
ZHAO Jing. The key technology research on long shafting with multi-wedge cross wedge rolling[D]. Beijing: University of Science and Technology Beijing. School of Mechanical Engineering, 2007: 100-103.
(编辑 杨幼平)
收稿日期：2011-01-06；修回日期：2011-03-28
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51075216，50475175)；浙江省杰出青年基金资助项目(R1110646)；宁波大学学科项目(xkl079)
通信作者：束学道(1968-)，男，安徽舒城人，博士，教授，博士生导师，从事轴类零件楔横轧成形工艺与设备、新型冶金技术与装备研究；电话：0574-87600134；E-mail: shuxuedao@nbu.edu.cn
摘要：采用Ansys-Ls/Dyna有限元软件，对工艺参数对切向力的影响规律进行较系统研究，并通过轧制力和轧制力矩的实验测试，对本分析有限元模型进行实验验证，得到了工艺参数对楔横轧非对称轴类件的切向力影响规律，为楔横轧非对称轴类件的模具设计中合理选取工艺参数提供了理论依据。
