楔橫軋軋制有限元分析及無(wú)料頭技術(shù)研究

孫召瑞 紀(jì)興華

摘 要：楔橫軋軋制技術(shù)以其高效、節(jié)能的特點(diǎn)受到越來(lái)越多的關(guān)注。結(jié)合有限元數(shù)值模擬技術(shù)，楔橫軋工藝的基礎(chǔ)理論得以深入研究，為消除軋件端部凹心指明了研究方向。依據(jù)凹心產(chǎn)生機(jī)理，通過(guò)多種途徑實(shí)現(xiàn)了小料頭、無(wú)料頭軋制，促進(jìn)了楔橫軋技術(shù)的應(yīng)用與推廣。

關(guān)鍵詞：楔橫軋；有限元；數(shù)值模擬；無(wú)料頭

引言

楔橫軋作為一種非常適合階梯軸和回轉(zhuǎn)類零件生產(chǎn)的新工藝，是鍛造與軋制兩種變形方式的交叉融合，與傳統(tǒng)切削、鍛造成形相比具有高效、節(jié)材、低成本等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車、拖拉機(jī)、摩托車等軸類零件的生產(chǎn)。但由于楔橫軋屬于復(fù)雜的三維非線性（幾何非線性、材料非線性、邊界條件非線性）塑性成形，成形機(jī)理復(fù)雜、影響因素較多，傳統(tǒng)的試軋、物理實(shí)驗(yàn)、試驗(yàn)試錯(cuò)法無(wú)法得到變形過(guò)程中軋件的金屬流動(dòng)規(guī)律和應(yīng)力應(yīng)變分布情況，不能精確地對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)，導(dǎo)致新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、成本高。隨著楔橫軋技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，迫切需要了解變形過(guò)程中金屬的流變規(guī)律、應(yīng)力應(yīng)變的分布規(guī)律、軋件表面質(zhì)量強(qiáng)度及空心缺陷成因等，因此應(yīng)用數(shù)值模擬對(duì)變形過(guò)程進(jìn)行定量分析顯得尤為重要。近年來(lái)，隨著有限元技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬在楔橫軋成形過(guò)程中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，通過(guò)有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)軋制過(guò)程中金屬流動(dòng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力、應(yīng)變等進(jìn)行了詳細(xì)分析，為軋件工藝制定及模具設(shè)計(jì)、制造提供了依據(jù)。

數(shù)值模擬的結(jié)果為楔橫軋無(wú)料頭技術(shù)的研究指明了方向。料頭是制約楔橫軋技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵因素，國(guó)內(nèi)外的有關(guān)學(xué)者運(yùn)用有限元數(shù)值模擬與軋制實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的手段對(duì)無(wú)料頭技術(shù)開(kāi)展了一系列的研究，取得了一定的研究成果。無(wú)料頭軋制技術(shù)的發(fā)展對(duì)于創(chuàng)新楔橫軋軋制工藝、完善軋制理論及降低生產(chǎn)成本具有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

1 楔橫軋軋制成形過(guò)程分析

楔橫軋成型技術(shù)經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，出現(xiàn)了輥式、弧形式及板式三種不同形式的楔橫軋機(jī)，輥式楔橫軋是生產(chǎn)中較為普遍采用的軋機(jī)形式。楔橫軋的主要特征是軋件在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中局部、連續(xù)成形，輥式楔橫軋的成形原理為：兩個(gè)或三個(gè)帶楔形模的軋輥，以相同的方向旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)圓形坯料旋轉(zhuǎn)，坯料在楔形的作用下發(fā)生徑向壓縮和軸向延伸，被軋制成與模具底部型槽形狀完全一致的軸類零件。

軋件成形過(guò)程分為四個(gè)階段：楔入段、楔入平整段、展寬段及精整段，與之對(duì)應(yīng)的楔形模具也由這四部分組成。楔入段中，楔形模具的起楔部分使坯料旋轉(zhuǎn)起來(lái)并在坯料上軋出一條較淺的V形槽；隨后V形槽逐漸變深，直至與模具V形一致，即為楔入平整段；V形槽向兩端逐步擴(kuò)展，此為展寬過(guò)程，是軋件的主要變形階段；最后是精整段，對(duì)軋件進(jìn)行整形，使其表面光整，尺寸精確，以提高軋件的外觀質(zhì)量和尺寸精度。工藝參數(shù)直接影響軋件的成形質(zhì)量，成形角α和展寬角β是楔橫軋模具設(shè)計(jì)中最重要的兩個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)。

2 有限元數(shù)值模擬技術(shù)在楔橫軋成型中的應(yīng)用

采用有限元數(shù)值模擬技術(shù)，可以得到金屬塑變過(guò)程中材料流動(dòng)、溫度分布、應(yīng)力應(yīng)變等規(guī)律，還可以對(duì)模具進(jìn)行受力分析，并可預(yù)測(cè)出可能的缺陷及失效形式。有限元數(shù)值模擬應(yīng)用于楔橫軋問(wèn)題的研究始于20世紀(jì)90年代末期，目前，有限元模擬技術(shù)已成為研究楔橫軋零件成形技術(shù)的主要方法，主要用于分析楔橫軋成形規(guī)律。在兩輥楔橫軋有限元模擬研究基礎(chǔ)之上，特大型楔橫軋（大直徑）、閉式軋制、多楔軋制等軋制技術(shù)有了較大的進(jìn)步和發(fā)展。

國(guó)內(nèi)外用來(lái)分析楔橫軋工藝的有限元軟件主要為：DEFORM和ANSYS。其有限元模擬系統(tǒng)均包括前處理、有限元計(jì)算、后處理三個(gè)模塊。前處理模塊主要包括材料模型、單元類型的選擇及幾何模型建立、網(wǎng)格劃分等；有限元計(jì)算模塊包括定義分析類型、約束條件、載荷數(shù)據(jù)及計(jì)算應(yīng)力、應(yīng)變、撓曲等；后處理模塊主要是進(jìn)行結(jié)果的顯示與輸出等。有限元數(shù)值模擬過(guò)程中相關(guān)問(wèn)題的處理正在成為楔橫軋數(shù)值模擬研究的熱點(diǎn)。對(duì)此，北京科技大學(xué)、北京機(jī)電研究所、重慶大學(xué)、吉林大學(xué)、燕山大學(xué)等單位相關(guān)研究人員相繼開(kāi)展了一系列的研究，并取得了一定的成果。

2.1 應(yīng)用DEFORM-3D對(duì)楔橫軋成型過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬

DEFORM-3D是一款專業(yè)性很強(qiáng)的有限元分析軟件，其功能主要包括成形、熱處理及熱微觀組織分析，不僅能夠模擬應(yīng)力、溫度以及組織變化等問(wèn)題，還可以分析它們之間相耦合的二維和三維大變形問(wèn)題。DEOFRM可以對(duì)鍛造、軋制、擠壓、熱處理等加工工藝進(jìn)行模擬，對(duì)其過(guò)程承受應(yīng)力應(yīng)變、殘余應(yīng)力、熱傳導(dǎo)耦合、金屬回彈甚至磨損狀況進(jìn)行分析。除模擬金屬塑性的大變形外，DEOFRM還能對(duì)各種各樣的剛塑性及彈塑性等材料進(jìn)行模擬分析。

DEFORM-3D軟件之所以被廣泛應(yīng)用于楔橫軋有限元數(shù)值模擬，主要是因?yàn)椋?/p>

（1）強(qiáng)大、完善的網(wǎng)格自動(dòng)再剖分功能，可以進(jìn)行特別繁瑣的大變形零件分析；（2）前處理中的邊界條件可自動(dòng)生成，操作便捷；（3）豐富的后處理數(shù)據(jù)，包括應(yīng)力應(yīng)變、速度、缺陷和力能參數(shù)曲線等，方便對(duì)整個(gè)成形過(guò)程的研究分析。

程超[1]、沈智[2]等應(yīng)用DEFORM-3D分別分析了閉式楔橫軋、大直徑軋件楔橫軋軋制過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)、金屬流動(dòng)規(guī)律；研究了成形角、展寬角、斷面收縮率、坯料直徑對(duì)軋制過(guò)程及軋件端部質(zhì)量的影響規(guī)律，為提高軋件質(zhì)量及合理確定模具工藝參數(shù)提供了理論依據(jù)。江洋等[3]采用DEFORM-3D對(duì)楔橫軋厚壁空心軸進(jìn)行熱力耦合數(shù)值模擬，在成形角35°～45°、展寬角4°～7°、斷面收縮率35%～65%、軋制溫度900℃～1100℃時(shí)，軋件不圓度與成形角及斷面收縮率的變化成反比，與展寬角及軋制溫度變化成正比。張寧等[4]運(yùn)用DEFORM-3D軟件對(duì)GH4169合金零件的楔橫軋成形進(jìn)行變形、傳熱、微觀組織演變的耦合數(shù)值模擬，揭示了軋件在楔橫軋成形過(guò)程中各個(gè)變形階段（楔入段、展寬段和精整段）微觀組織的演變規(guī)律，研究表明，楔橫軋大變形能使動(dòng)態(tài)再結(jié)晶發(fā)生并完成，得到細(xì)小均勻的晶粒組織，軋件晶粒的細(xì)化程度隨斷面收縮率的增大而增大，軋件在高溫下主要發(fā)生晶粒長(zhǎng)大，因此減小精整段的長(zhǎng)度以及縮短進(jìn)入下道工序的時(shí)間，可以避免粗晶的產(chǎn)生，提高成形件的綜合力學(xué)性能。黃汝剛[5]等利用DEFORM-3D軟件對(duì)對(duì)帶芯棒軋制的過(guò)程進(jìn)行模擬，對(duì)空心軸類零件在整個(gè)過(guò)程中的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、速度場(chǎng)以及等效應(yīng)變速率場(chǎng)進(jìn)行了分析研究。

2.2 應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA對(duì)楔橫軋成型過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬

作為世界上最著名的通用顯式非線性動(dòng)力分析軟件，ANSYS/LS-DYNA能夠模擬真實(shí)世界的各種復(fù)雜幾何非線性、材料非線性和接觸非線性問(wèn)題，特別適合求解各種二維、三維非線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞、爆炸和金屬成形等非線性動(dòng)力沖擊問(wèn)題，同時(shí)可以求解傳熱、流體及流固耦合問(wèn)題，能夠用來(lái)分析板料的鍛造、鑄造、擠壓、軋制、沖壓成形等高度非線性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。

在運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA的模塊進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，由于該模塊創(chuàng)建三維幾何模型相對(duì)較復(fù)雜，因此一般采用其他三維建模軟件建立幾何模型。首先建立楔橫軋工藝軋制模具的三維特征模型，將設(shè)計(jì)好的模具按照各個(gè)參數(shù)反映到建立的模型中，然后運(yùn)用畫圖軟件的動(dòng)態(tài)模擬功能，實(shí)現(xiàn)軋制過(guò)程中的具與軋件的相互作用，建立完整的楔橫軋系統(tǒng)。將完成的三維特征模型按照IGES的類型進(jìn)行保存，將保存的文件載入到ANSYS/LS-DYNA軟件中。

袁文生[6]、王南[7]等運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA軟件對(duì)楔橫軋軋制過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了軋件在不同軋制階段應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)變化規(guī)律，揭示了軋件的變形特征和金屬流動(dòng)規(guī)律；指出交變的三向應(yīng)力和剪應(yīng)力是軋件發(fā)生中心疏松、空心缺陷的主要原因。張更超等[8]采用ANSYS/LS-DYNA首次成功模擬了鋁合金AL1100階梯軸的楔橫軋軋制全過(guò)程，得到了軋制過(guò)程中的應(yīng)變分布云圖，總結(jié)出了軋制過(guò)程中等效應(yīng)變、軋制力的變化特征，探討了成形角、展寬角、斷面收縮率平三工藝參數(shù)對(duì)等效應(yīng)變、軋制力的影響。束學(xué)道[9]等在ANSYS/LS-DYNA有限元軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，采用二次開(kāi)發(fā)的有限元命令流程序，較系統(tǒng)地分析了軋制過(guò)程中軋制力矩的變化規(guī)律，軋制力矩隨展寬角和軋件尺寸的增大而增大，隨成形角的增大而減??；斷面收縮率對(duì)軋制力矩的影響比較復(fù)雜，軋制力矩首先表現(xiàn)為隨斷面收縮率的增大而增大，當(dāng)斷面收縮率達(dá)到一定數(shù)值（通常為ψ=55%左右）后，又隨斷面收縮率的增大而減小。該文還指出在設(shè)計(jì)大型楔橫軋機(jī)時(shí)，在工藝允許條件下，優(yōu)選最大展寬角、最小成形角、最大軋件尺寸來(lái)確定最大軋制力矩。

3 楔橫軋無(wú)料頭技術(shù)研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)塑性成形工藝的成材率在一系列新技術(shù)應(yīng)用的背景下有所提高，而楔橫軋的成材率因料頭問(wèn)題始終停滯不前（80%-85%），嚴(yán)重削弱了其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。因此，如何實(shí)現(xiàn)楔橫軋軋制完成后少切削甚至無(wú)切削，進(jìn)一步提高材料利用率，是促進(jìn)楔橫軋技術(shù)推廣的關(guān)鍵。對(duì)于少、無(wú)料頭軋制，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了積極的探索和研究，其研究方向大致集中在工藝參數(shù)對(duì)凹心的影響、設(shè)計(jì)擋楔和坯料形狀、開(kāi)發(fā)軋制新工藝等方面。

楊光等[10]采用數(shù)值模擬與二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)法分析了各工藝參數(shù)對(duì)無(wú)臺(tái)階端頭軋件料頭體積損耗的影響規(guī)律，研究表明：軋件的料頭體積與軋制長(zhǎng)度成正比，與展寬角成反比。束學(xué)道[11]等提出了擠壓式楔橫軋工藝以實(shí)現(xiàn)小料頭軋制，該工藝產(chǎn)生的料頭體積相較于傳統(tǒng)楔橫軋產(chǎn)生的料頭體積減小了75%左右，其材料利用率可以提高到95%左右，同時(shí)該軋制方法還可以細(xì)化晶粒，提高金屬綜合力學(xué)性能。張曉英[12]提出采用錐形坯料的方式消除端頭凹心，并通過(guò)數(shù)值模擬研究了錐角大小對(duì)軋件端頭凹心深度的影響，得到了無(wú)端頭凹心的坯料形狀和尺寸，結(jié)果表明：采用具有錐形端部的坯料成形楔橫軋件可以減少甚至消除成形后軋件端頭凹心缺陷，且端頭凹心的深度隨著端部錐角的減小而減小，當(dāng)端部錐角為120°時(shí)，軋件端頭凹心已經(jīng)基本消除。胡斌等[13]提出了無(wú)料頭輥剪制坯工藝，并運(yùn)用DEFORM-3D軟件建立了有限元模型，通過(guò)改變軋輥的旋轉(zhuǎn)速度提高了坯料端面的成形質(zhì)量。魏新紅等[14]通過(guò)位移法、網(wǎng)格法和軸向應(yīng)變圖法多個(gè)角度分析凹心在楔橫軋軋制的產(chǎn)生過(guò)程，通過(guò)設(shè)置擋楔和設(shè)計(jì)坯料形狀兩種方法來(lái)減小軋件端部凹心，得到楔橫軋軸類件端部凹心值隨著坯料形狀角的減小而減小的影響規(guī)律。無(wú)料頭技術(shù)的研究將隨著楔橫軋技術(shù)的應(yīng)用及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越深入。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）楔橫軋軋制基礎(chǔ)理論雖然已經(jīng)有了很大的進(jìn)步和發(fā)展，如金屬流變規(guī)律、軋齊曲線理論、軋制旋轉(zhuǎn)條件、凹心產(chǎn)生及消除等，但楔橫軋成形是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，各種影響因素錯(cuò)綜復(fù)雜，做到系統(tǒng)、全面、真實(shí)的描述成形過(guò)程，尚有大量的技術(shù)工作有待深入進(jìn)行。

（2）楔橫軋軋件端部凹心產(chǎn)生機(jī)理已初步明確，總結(jié)了模具和軋件參數(shù)對(duì)凹心大小的影響規(guī)律，但實(shí)際生產(chǎn)中真正實(shí)現(xiàn)無(wú)料頭軋制技術(shù)難度仍較大，必須進(jìn)行軋制工藝的創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)

[1]程超.閉式楔橫軋成形軸類件及其端部質(zhì)量研究[D].寧波：寧波大學(xué)，2013.

[2]沈智.大直徑楔橫軋件的成形工藝研究[D].北京：北京機(jī)電研究所，2006.

[3]江洋，王寶雨，胡正寰，等.工藝參數(shù)對(duì)楔橫軋厚壁空心軸不圓度的影響[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2012，19（1）：21-25.

[4]張寧，王寶雨.楔橫軋不同變形階段的微觀組織演變分析[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2012，19（1）：16-20.

[5]黃汝剛.基于有限元理論的空心軸楔橫軋成形規(guī)律的分析研究[D].濟(jì)南，山東建筑大學(xué)，2013.

[6]袁文生，史寶軍，杜朝蓬，等.多楔楔橫軋軋件金屬流動(dòng)數(shù)值模擬[J].固體力學(xué)學(xué)報(bào)，2008，29：16-20.

[7]王南，張慶恒，張乃偉，岳龍山.軸類零件楔橫軋數(shù)值模擬[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，37（3）：330-334.

[8]張更超.楔橫軋階梯軸成形過(guò)程的有限元仿真與分析[D].杭州，浙江工業(yè)大學(xué)，2004.

[9]束學(xué)道，胡正寰，李連鵬.楔橫軋軋制力矩規(guī)律有限元分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)試[J].中國(guó)機(jī)械工程，2006，17（9）：962-965.

[10]楊光，張康生，段萬(wàn)澤，胡正寰.工藝參數(shù)對(duì)楔橫軋無(wú)臺(tái)階端頭軋件料頭體積損耗影響規(guī)律[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，36（7）：959-965.

[11]束學(xué)道，程超，龔文煒，等.擠壓式楔橫軋小料頭軋制的微觀組織演變分析[J].中國(guó)機(jī)械工程，2013，24（15）：2109-2113.

[12]張曉英.無(wú)端頭凹心楔橫軋件精確成形機(jī)理數(shù)值模擬[J].鍛壓技術(shù)，2013，38（2）：156-159.

[13]胡斌，束學(xué)道.楔橫軋無(wú)料頭輥剪制坯成形機(jī)理研究[J].鍛壓技術(shù)，2014，43（13）：92-98.

[14]魏新紅.楔橫軋軸類件端部軋制質(zhì)量研究[D].寧波：寧波大學(xué)，2011.

作者簡(jiǎn)介：孫召瑞（1967-），男，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事金屬材料成形技術(shù)研究。