1、工学硕士学位论文轴类零件轧制有限元数值模拟河 北 工 程 大 学年 月轴类零件轧制有限元数值模拟河北工程大学工学硕士学位论文轴类零件轧制有限元数值模拟作 者 姓 名 ：指 导 教 师 ： 教 授申 请 学 位 级 别 ： 工 学 硕 士学 科 专 业 ： 机 械 设 计 及 理 论所 在 单 位 ： 机 电 学 院授 予 学 位 单 位 ： 河 北 工 程 大 学摘 要I摘 要楔横轧是对轧件进行径向压下、轴向延伸并横向扩展的塑形成形新工艺。经过多年来的发展，己经成为一种广泛的轴类零件的加工方法。但由于楔横轧是复杂的三维成形工艺，变形机理十分复杂，在现有实验条件下很难得到轧件内部应力与应变的准确
2、信息，所以对轧件成形过程中的金属流动规律和变性特征缺乏本质认识。近年来随着计算机技术的发展，采用数值模拟方法研究楔横轧成形逐渐发展起来，本文以数值模拟方法来研究轴类件的楔横轧成形工艺理论、对解决制件加工中出现的问题具有重要的意义。本文主要是以楔横轧理论为基础，利用大型有限元软件 ANSYS/LS-DYNA对楔横轧成形机理进行研究。其研究成果对楔横轧零件成形、提高零件质量、避免轧件内部空心缺陷具有重要的理论意义和实用价值。本文首先回顾了楔横轧技术的发展与应用，以及该领域在国内外的研究现状，接着简要介绍了楔横轧的轧制原理、模具设计的一般原则、弹塑性有限元相关理论。论文的主体部分首先根据楔横轧模具的
3、空间几何关系，确定了模具各个参数之间的参数化表达式，建立了楔横轧模具的参数化实体模型，然后把建立的参数化模型导入 ANSYS/LS-DYNA 软件中，通过对模具以及轧件单元类型的选取、材料模型的确定、网格的划分、接触的定义、施加约束、初始条件的设定、加载等，构建了楔横轧轧制系统的有限元模型，进行了楔横轧数值模拟，借助于ANSYS/LS-DYNA 的通用后处理器，得到了轧件在轧制过程中楔入段、展宽段横截面与纵截面的应力、应变场的分布情况和轧件变形特征，揭示了轧件的变形特征、金属流动规律。最后通过选取轧件内部的四个特征点，利用 ANSYS/LS-DYNA 软件通用后处理器 General Post
4、proc 的后处理功能得到轧件内部的四个特征点的应力应变时间历程曲线，得出交变的三向应力和剪应力是轧件发生中心疏松，产生空心缺陷的主要原因。关键词：楔横轧；数值模拟；应力应变；空心缺陷AbstractAbstractCross wedge rolling is a shaping forming new process that rolling to the radial depressed, axial extension and horizontal expansion. After years of development, it has become a broad shaft par
5、ts of the processing methods. However, cross wedge rolling is a complex three-dimensional forming processes, and the deformation mechanism is very complex, it is difficult to get the internal stress and strain rolling accurate information under the current experimental conditions, so it is lack of u
6、nderstanding the nature for the metal flow patterns and variability characteristics in the rolled forming process. With the development of computer technology in recent years, using numerical simulation method to study the cross wedge rolling up has developed gradually, in this paper, using the nume
7、rical simulation methods to study the theory of the shaft of the cross wedge rolling forming process and solve the problems in machining workpiece have a great significance. This article is based on the theory of cross wedge rolling, using large-scale finite element software ANSYS/LS-DYNA to researc
8、h the forming mechanism of cross wedge rolling. The results of their research for the forming part of the cross-wedge rolling, improving part quality and avoiding rolling inside the hollow defects have important theoretical significance and practical value. This paper first reviews the development a
9、nd applications of the cross wedge rolling technology, as well as the status of the field of research at home and abroad, and then briefly introduced the rolling principle of cross wedge rolling, the general principles of mold design, elastic-plastic finite element related theories. In the main part
10、 of papers , first , according to the geometric relationship between the space of the model of the cross wedge rolling, it determines the parameters of the mold between the parameters of expression, establishes the parametric solid models of the model of the cross wedge rolling, and then inducts the
11、 establishment parametrization model in the ANSYS/LS-DYNA software, through the selection of the mold as well as the rolling element type, the determine of material models, the division of the grid, the definition of contact ,constraints imposed by the initial conditions, setting, loading and so on,
12、 constructed finite element model of the cross wedge rolling system, carried out a numerical simulation of cross wedge rolling, by means of ANSYS/LS-DYNA general-AbstractIIIpurpose post-processor, has been rolled in the rolling process of wedging paragraph, stretcher segment cross-sectional and long
13、itudinal sections the stress and strain field distribution and characteristics of rolling deformation, reveals the rolling deformation characteristics and the metal flow law. Finally by choosing rolling within the four feature points, using the general-purpose processor the post-processing functions
14、 of the ANSYS/LS-DYNA software, rolls four feature points within the time course of stress-strain curves, obtaining the alternating stress and strain are the main hollow defects that rolling occurred center porosity and lacking of hollow.Keyword: cross wedge rolling; numerical simulation; stress-str
15、ain; hollow defects目 录目 录摘要 Abstract第 1 章 绪论 11.1 楔横轧技术简介 11.2 楔横轧技术的优点 21.3 楔横轧技术的发展与应用 21.3.1 楔横轧理论在国外的发展 21.3.2 楔横轧理论在国内的发展 31.3.3 楔横轧技术在国外的应用 41.3.4 楔横轧技术在国内的应用 51.4 楔横轧技术的研究现状 51.5 有限元技术在金属塑性成形中的应用 71.5.1 有限元概述 71.5.2 有限单元法的应用类型 71.5.3 楔横轧成形的数值模拟技术 81.6 课题的主要研究内容 91.7 本章小结 10第 2 章 楔横轧轧制原理与有限元分析
16、理论 112.1 板式楔横轧的运动原理 112.2 板式楔横轧的旋转条件 132.3 楔横轧模具设计的基本问题 172.3.1 模具设计的基本原则 172.3.2 工艺参数的确定 202.3.3 对称轴类件的模具设计 212.4 弹塑性有限元的基本理论 242.5 刚塑性有限元单元法 242.5.1 刚塑性材料基本假设 252.5.2 刚塑性体塑性力学基本方程及边值条件 252.6 本章小结 26目 录第 3 章 楔横轧有限元数值模型的建立 273.1 有限元软件简介 273.1.1ANSYS/LS-DYNA 软件简介 273.1.2 选用 ANSYS/LS-DYNA 软件的原因 273.1.
17、3ANSYS/LS-DYNA 分析的一般流程 283.2 有限元仿真模型的构造 293.2.1 建立几何模型 293.2.2 建立物理模型 323.3 本章小结 37第 4 章 楔横轧零件成形变形规律 384.1 引言 384.2 轧制过程中的总体变形情况 384.3 轧件截面应变分析 404.3.1 楔入段横截面应变分析 404.3.2 楔入段纵截面应变分析 414.3.3 展宽段横截面应变分析 424.3.4 展宽段纵截面应变分析 434.4 轧件截面应力分析 444.4.1 楔入段横截面应力分析 454.4.2 楔入段纵截面应力分析 464.4.3 展宽段横截面应力分析 464.4.4
18、展宽段纵截面应力分析 474.5 本章小结 48第 5 章 楔横轧内部空心缺陷产生机理 495.1 引言 495.2 楔横轧变形过程中内部空心缺陷 495.2.1 金属塑性成形中的缺陷和断裂 495.2.2 楔横轧变形过程中的内部空心缺陷 505.2.3 楔横轧轧件内部孔腔形成的机理 505.3 楔横轧内部塑性变形及受力状态分析 515.3.1 楔横轧轧件内部应力场模拟结果及分析 515.3.2 楔横轧轧件内部应变场模拟结果及分析 565.4 本章小结 60结论 61目 录参考文献 62致谢 66作者简介 67攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果 67第 1 章 绪 论1第 1 章 绪 论1.
19、1 楔横轧技术简介楔横轧是一种少切削或无切削加工的塑性成形新工艺，以其连续、局部的成形方式，在阶梯轴和回转类零件的制造方面显示出特殊的优势。作为一种先进的轴类零件成形方法，不同于传统切削、锻造零件成形，也有别于生产等截面型材的传统冶金轧制方法，它具有高节材率、高效率、高模具寿命、低生产成本、清洁生产等优点，因而被广泛地用于汽车、拖拉机、摩托车、内燃机等轴类毛坯零件的生产过程中，同时也为模锻件提供了比其他锻造方法更精确的预制坯，为精密模锻件成形提供了可靠保证 1-2。楔横轧工艺分为两类：辊式楔横轧和板式楔横轧。辊式楔横轧的工作原理：两个或三个带有楔形模具的轧辊，以相同的方向旋转，带动棒料向相反的
20、方向旋转，棒料在模具的作用下，径向压缩、轴向延伸，使零件形状与模具底部型槽的形状完全一致。板式楔横轧工作原理：上下模板相对运动，棒料在安装在上下模具的作用下径向压缩、轴向变形，加工成与模具型腔一致的阶梯轴零件 3-5。楔横轧主要生产阶梯轴类零件，在楔横轧轧制过程中，工件经受连续的局部变形最终使工件成形。轧件成形过程要经历四个阶段，分别为楔入段、楔入平整段、展宽段和精整段。整个轧制过程如下：楔形模具的起始部分使坯料旋转起来并沿圆周方向在坯料上轧出一条由浅至深的 V 形槽，称为楔入过程，接着在楔形模具的作用下，V 形槽将逐步由浅入深、由窄变宽，最后轧成深度和宽度一样的V 形槽，称为楔入平整过程，随
21、后楔形模具使 V 形槽逐步扩展，称为展宽过程，这是轧件的主要变形阶段，最后是精整过程，对轧件进行整形，使其表面光整，尺寸精确，以提高轧件的外观质量和尺寸精度。与上面对应的楔形模具上也分为四个部分，即楔入部分、楔入平整部分、展宽部分和整形部分。楔形模具的展开图如图 1-1 所示。在图 1-1 中， 称为成形角， 称为展宽角， 称为楔高。这h是楔形模具的主要特征参数，对轧件的变形及成形质量有很大影响，是模具设计过程中要考虑的重要参数 6-9。河北工程大学硕士学位论文2图 1-1 模具特征参数示意图Fig.1-1 Mold characteristic parameter diagram1.2 楔横
22、轧技术的优点与传统的切削工艺比较，楔横轧技术的优点是 10：(1)生产效率高。楔横轧每 1min 生产 820 件，是切削方法的 310 倍。(2)节约材料。楔横轧的材料利用率一般为 80%95%，切削为去除加工，零件形状不同材料利用率也不同，一般为 50%70%，材料利用率平均提高 30%左右。(3)零件性能提高。轧制后的零件晶粒可以细化，金属流线保持连续并沿零件外分布，零件的静强度与疲劳强度都有增加。(4)模具寿命长。一副模具一般能生产 820 万件产品等。与模锻比较，楔横轧优点如下 7：(1)生产效率高。楔横轧每 1min 生产 816 件，模锻生产轴类件，需多道工序，每分钟生产 24
23、件。(2)工作载荷小。楔横轧的工作载荷只是模锻几分之一到几十分之一，所以设备重量小，模具寿命长。(3)材料利用率高。楔横轧成形的零件精度高，可以成形接近直角的台阶，没有飞边损失，仅有料头损失，材料利用率提高 15%25%。(4)噪声小。楔横轧的噪声小于 60dB，模锻的噪声大于 100dB 等。通过对楔横轧与传统切削、模锻以及其他轧制方法的比较，可知楔横轧具有生产效率高，材料利用率高，产品表面质量好及进出料方便等优点。1.3 楔横轧的发展与应用1.3.1 楔横轧理论在国外的发展第 1 章 绪 论320 世纪 60 年代，苏联就出版了机器制造中的楔横轧等有关楔横轧方面的专著，并对轧制时金属的变形
24、形式，接触面和自由面的几何关系，以及轧制过程中的稳定条件、力、能以及效率的计算，工艺过程的计算方法，轧制时所产生的缺陷等，都做了一系列的论述。在日本，20 世纪 60 年代末 70 年代初，粟野泰吉、团野敦、叶山益次郎等人都开始对楔横轧理论进行研究和探讨，取得了一定的成绩，为楔横轧技术的应用和发展开创了新局面。粟野泰吉、团野敦在研究阶梯轴热楔横轧的过程中，采用蜡泥、塑料做为坯料，研究了用两个轧辊横轧时坯料的变形状态以及对轧辊凸起形状的影响。通过对轧辊凸起与坯料间接触面积的计算，以及轧制力与接触面积的关系，利用实际轧制时所测定的轧制力与轧制力矩的数据，求出了在计算中所需的系数，从而推导出计算轧制
25、时作用于轧辊上的力与力矩的半经验公式。除此之外，他们还研究了轧件的金属流动规律，为避免内部孔隙出现而确定适宜的展宽角和成形角的范围等课题 11-12。叶山益次郎在 1971 年著书出版了回转塑性加工学 ，书中从理论上对楔横轧进行了较为细致的分析。明确指出径向力、切向力及轧制力矩因轧辊的成形角、展宽角、毛坯直径、材料、温度以及断面收缩率等参数的变化而变化。此外，他根据横轧中产生径向拉伸应力的近似式确定了阶梯轴在楔横轧中的径向拉伸应力，从而对缺陷发生机理进行了分析，获得了一些较为有用的结论 13-14。1.3.2 楔横轧理论在国内的发展自 20 世纪 70 年代初起，北京科技大学在楔横轧技术应用方
26、面取得了一批科研成果，对楔横轧理论及变形规律进行了深入研究，包括各种工艺参数对轧制力、轴向力、切向力的影响，空心件的轧制，冷楔横轧及工艺参数，中心疏松及产生机理，旋转条件，轧制半径，轧齐曲线和孔型的计算机辅助设计方面做了大量的研究，并取得了卓越成绩，对完善楔横轧理论做出了巨大的贡献。此外他们在开发众多产品的基础上，编制了模具设计系统软件，实现了模具设计CAD(Computer Aided Design)，既提高了模具设计速度，保证了模具设计质量。在模具的 CAM( Computer Aided manufacturing)上也做了尝试，并取得了良好的效果，现在正在作进一步的完善工作，使之完全实
27、用化。许多研究人员正在为实现楔横轧模具的 CAD/CAPP/CAM 而努力工作 15-20。吉林工业大学辊锻工艺研究所张承鉴教授对楔横轧的加工界限进行了实验研究，修正了叶山益次郎提出的加工界限，扩大了加工范围。在楔横轧技术的理论河北工程大学硕士学位论文4研究方面，提出了多楔同步楔横轧理论及工艺 21-22，楔横轧变形载荷的计算，偏心阶梯轴成形技术 23-24，空心件楔横轧的旋转条件、压扁失稳条件与壁厚变化规律，楔横轧变形区前沿变形程度，楔横轧工艺两次轧制时断面收缩率的分配，楔横轧轧齐曲线的计算等。北京机电研究所也在楔横轧技术的研究与应用方面做出了贡献。主要的工作是把楔横轧这种高效精确的成形方式
28、作为变形的一种先进手段，广泛应用于精密锻件的生产体系中，为精确成形提供体积分配合理、形状尺寸精确的毛坯，从而扩大了楔横轧应用范围。根据制坯中往往需要变形量超过一次变形极限的实际情况，提出了楔横轧二次变形量分析的理论公式与计算图表。我国经过多年的理论研究和大量的实验及生产实践，己经建立了轧制原理、轧齐原理、轧制压力与力矩、模具设计等基本的楔横轧理论，这些理论为轧机的系列化设计打下了基础。但楔横轧技术正在发展之中，许多理论仍有待进一步认识和深化。1.3.3 楔横轧技术在国外的应用楔横轧工艺最早出现于 1885 年的德国，由于当时落后的机制工艺及技术水平这种新工艺未能实现。1879 年，Lebeky
29、 因提出板式楔横轧机而获得专利。1885 年，Simonds 用二辊楔横轧机轧出汽车用轴而获得专利。1893 年，Erkenzweig 在板式楔横轧机上进行了轧制实验。1961 年原捷克斯洛伐克 Letnary 汽车制造厂工程师 Jiri Holub 将这项工艺与设备用于汽车轴类零件以及五金工具坯等工业生产，并在莱比锡国际博览会上展出，得到了世人的广泛重视，从而成为众所周知的轴类零件成形新工艺和新技术。20 世纪 60 年代后期，原东德 Erfurt 公司楔横轧设备研制工程小组完成了平板式楔横轧轧机的设计与制造，即 UWQ40400 型板式楔横轧机。它采用焊接结构，全自动控制，井以此为基础形成
30、 UWQ 系列轧机。这项技术在原苏联也得到广泛的应用，除有辊式、板式楔横轧机外，还有单辊弧形式楔横轧。生产的产品有汽车、拖拉机、电机的轴类零件。日本三菱重工于 20 世纪 60 年代也开始研制楔横轧工艺，并从 1968 年开始正式生产 MCR 型二辊式楔横轧机，并将楔横轧技术用于生产汽车轴类零件。1973 年，全苏电工设计院成功研究了圆弧式楔横轧机，完全自动加工，并成功地在新西利亚工具厂生产 2224mm 的扳手坯料。1974 年高柏林斯克工具厂也采用了这一轧机。苏联机械制造与工艺研究院于1976 年研制成功两台全自动的楔横轧机。这种全自动的楔横轧机己成功的在买里第 1 章 绪 论5托保利斯基
31、拖拉机液压部厂投入生产。其后，全苏电工设计院又宣布研制成功了冷楔横轧机，并成功的冷轧管状点加热器的接触器，所得到的轧件尺寸精度达到了 3 级，表面光洁度达 67 级。随后，日本、美国先后将楔横轧技术运用于实际生产中，并取得了相当大的经济效益。美国通用汽车公司成功的利用辊式楔横轧机为连杆生产坏料，材料利用率达到 98%，每小时产量 900 件。1.3.4 楔横轧技术在我国的应用我国在 20 世纪 50 年代就开始楔横轧工艺的探讨和试验工作。1963 年，重庆大学等科研单位开始楔横轧汽车球销的实验研究工作，到1970 年获得初步成功。这是我国楔横轧工艺走向实用的最早尝试，但由于某些原因未能应用于工
32、业生产 20-21。北京科技大学从 20 世纪 70 年代初开始，在孔型斜轧基础上开展楔横轧技术的研究开发与推广工作，先后帮助建成楔横轧生产线 40 多条，开发并应用于生产的零件达到了 130 余种。1974 年，东北工学院轧钢教研室与沈阳某轧钢厂开始研究采用三辊楔横轧机轧制火车 D 轴( 1882248)，这个产品的试轧成功为大型变截面的楔横轧应用开创了先例，并于 1979 年通过省部级鉴定。后来陆续轧出 M27 麻花钻(18.5 113291) ，海-255 弹性体( 17100)，汽车柱销轴 (13150) ，Y112M 系列实心，空心电机轴(31400)。但由于三辊楔横轧轧机结构复杂， ，未能广泛应用于生产。20 世纪 70 年代中后期，上海锻压机床三厂研制成功单辊弧形式楔横轧鲤鱼钳毛坯新工艺，成功轧制出双头呆板手、鲤
