非對(duì)稱楔橫軋成形軸類件成形過程仿真分析

李凝，王子孝，楊克己，楊向勇

(1.浙江師范大學(xué)工學(xué)院，浙江 金華 321004;2.浙江萬里揚(yáng)變速器股份有限公司，浙江 金華 321025;3.浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)系，杭州 310007)

由于楔橫軋工藝的特殊性，軋制成形過程中工藝參數(shù)的選擇對(duì)于軋件的成形質(zhì)量至關(guān)重要[1—2]。傳統(tǒng)的靠經(jīng)驗(yàn)試軋的方法不僅設(shè)計(jì)開發(fā)周期長(zhǎng)，生產(chǎn)成本也比較高，已經(jīng)無法滿足實(shí)際的生產(chǎn)需要。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和有限元技術(shù)的日益成熟，以CAE技術(shù)等為代表的現(xiàn)代分析手段越來越受到人們的重視，并在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用[3—8]。軋制過程是一個(gè)非常復(fù)雜的彈塑性大變形過程，既有材料非線性、幾何非線性，又有邊界條件的非線性，變形機(jī)理非常復(fù)雜，難以用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型來描述[9—11]。因此，有限元法被越來越多地應(yīng)用于模擬軋制過程，它不僅能解決復(fù)雜的非線性問題，而且克服了傳統(tǒng)的物理模擬和實(shí)驗(yàn)研究成本高且效率低的缺點(diǎn)。為了了解楔橫軋過程中材料的形變狀態(tài)，文中針對(duì)變速箱中輸出軸的成形過程進(jìn)行三維建模仿真分析，即采用非對(duì)稱楔橫軋模具軋制成形單軸類件，以了解非對(duì)稱成形過程中材料內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，預(yù)測(cè)材料變形過程中的成形缺陷。

1 零件成形工藝性分析

某變速器輸出軸的毛坯零件圖如圖1所示。從圖1可以看出，該軸軸肩φ86 mm為最大軸徑，呈左右非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，軸上φ86 mm向軸端的左右軸間、軸段長(zhǎng)度各不相同，采用單件楔橫軋生產(chǎn)。軋制成形過程中，由于左右楔的數(shù)量不等，斜楔面沿軸向分力不同，造成軋制力不均衡分布，生產(chǎn)過程中易于產(chǎn)生軋制缺陷[12]。為了避免軋制缺陷的產(chǎn)生，須修訂相應(yīng)工藝參數(shù)迫使左右軸向力相等，如需采用左右楔斜面的摩擦力不同，或采用非對(duì)稱楔軋制成形參數(shù)，以克服成形過程中材料的不均衡變化帶來的成形缺陷。

圖1 某變速器輸出軸零件毛坯Fig.1 Drawing of the output shaft blank in transmission gearbox

2 幾何模型的建立及相關(guān)參數(shù)

采用三維造型軟件UG和SolidWorks等CAD軟件系統(tǒng)繪制，保存為STL格式，以備有限元分析軟件的導(dǎo)入。模具型腔表面的展開圖如圖2所示，從圖2可以看出，軋制時(shí)不同的楔入段其展開角度和楔成形軸段長(zhǎng)度不同。每一成形部分分為3個(gè)部分，即楔入、展寬、精整3個(gè)階段，成形軸段相應(yīng)尺寸的關(guān)鍵階段為楔入和展寬階段，這將影響成形零件的整個(gè)零件結(jié)構(gòu)及其尺寸，其成形角α、展寬角β和斷面收縮率ψ成形參數(shù)見表1。

圖2 楔橫軋模具展開圖及工件成形過程Fig.2 Expanded diagram of cross wedge rolling die and piece forming process

楔橫軋模具設(shè)計(jì)如圖3所示，模具成形楔分塊加工成形，工作時(shí)的模具型腔表面緊貼軋件表面，利于軋制成形。為了了解軋制成形過程中的金屬流動(dòng)過程，軋件溫度場(chǎng)、力場(chǎng)分布情況，需要對(duì)軋件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分對(duì)模擬至關(guān)重要，有限元分析中網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接影響著求解的效率和精度，當(dāng)單元類型確定后，網(wǎng)格的質(zhì)量取決于網(wǎng)格劃分的精度等級(jí)和單元邊長(zhǎng)等因素[8，13—16]。過少的網(wǎng)格會(huì)導(dǎo)致模擬失真，過多的網(wǎng)格會(huì)加大模擬時(shí)間，延長(zhǎng)設(shè)計(jì)周期。此次模擬采用的網(wǎng)格數(shù)量為80000個(gè)。模擬的相關(guān)成形工藝參數(shù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù):材料為Steel－AISI－1045，坯料直徑為80 mm，坯料長(zhǎng)度為250 mm，模擬溫度為1150℃，模具轉(zhuǎn)速為8 r/min，摩擦因數(shù)(左)為 0.6，摩擦因數(shù)(右)為 0.5。

表1 楔橫軋成形工藝參數(shù)Table1 Forming process parameters in cross wedge rolling

圖3 楔橫軋模具三維造型設(shè)計(jì)Fig.3 3－ dimensional modeling design of cross wedge rolling die

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 同一橫截面上的應(yīng)變分布

圖4為輸出軸最大軸徑φ86 mm處的橫截面上，不同時(shí)刻的應(yīng)變變化圖。仔細(xì)分析圖4后發(fā)現(xiàn)橫截面上的切向應(yīng)變有以下規(guī)律:整個(gè)軋制過程的應(yīng)變基本以軸中心呈對(duì)稱分布，軋件發(fā)生形變的區(qū)域應(yīng)變最大，切向應(yīng)變出現(xiàn)一過渡層，該過渡層厚度約為軸半徑的1/3，形成的分割界面處應(yīng)變最大;在模具楔切入軋件過程中，在水平切向力的作用下，軋件由心部沿與水平方向夾角45°的方向呈半拉伸狀態(tài)，軸的圓度受到影響，呈橢圓形特征，此時(shí)心部材料處于明顯的拉拔狀態(tài)，所以該處表現(xiàn)為拉應(yīng)變，即心部易于出現(xiàn)縮松和裂紋[14，17—19]。為了防止該類缺陷的產(chǎn)生，宜將軋制速度放慢或?qū)⒉牧系男巫兞拷档?，以減少成品軋件的報(bào)廢。

圖4 同一橫截面不同時(shí)刻的切向應(yīng)變分布(mm/cm)Fig.4 Tangential strain distribution of the same cross section at different time

3.2 軸向應(yīng)變分布結(jié)果分析

圖5為縱截面上不同時(shí)刻的軸向應(yīng)力分布圖。由模型的縱截面應(yīng)力分布圖可知，軋件的變形有以下特征:軋件最大直徑及未承受載荷的端部應(yīng)變相對(duì)最小，直徑最小處的應(yīng)變最大，應(yīng)變呈軸對(duì)稱分布;軋件成形過程中，軋件徑向被壓縮，軸向延伸，長(zhǎng)度大于毛坯;軋件應(yīng)變最大位置由開始的模具楔接觸軋件區(qū)域逐漸移至軋件心部。結(jié)合圖4可以發(fā)現(xiàn)，模具楔入段，模具與軋件接觸區(qū)的應(yīng)變最大，隨著模具的楔入，軋件應(yīng)變逐步延伸至軋件心部，此過程中軋件毛坯徑向壓縮變形段較小，外推材料較少，軸向延伸變形不明顯;成形進(jìn)入展寬段后，軋件應(yīng)變范圍增大，徑向材料向兩軸向兩端擴(kuò)展，軸向發(fā)生了較大的延伸，此時(shí)，直徑較小的軸向應(yīng)變和切向應(yīng)變均增大，由于軋件內(nèi)外溫度的差異，材料的粘滯性不同，在軋件內(nèi)形成不明顯的分層，但徑向切應(yīng)變表現(xiàn)突出[20—21];在模具與軋件旋轉(zhuǎn)條件下，軋件心部應(yīng)變經(jīng)多次積累逐漸形成應(yīng)變最大區(qū);至軋件精整階段，軸向延伸變化不明顯，只是應(yīng)變相對(duì)降低，直徑最小的軸部變形區(qū)心部成為應(yīng)變最大區(qū)。結(jié)合兩圖發(fā)現(xiàn)，軋件應(yīng)變最大區(qū)一直存在于軸徑最小位置的楔入、展寬及精整段，并逐漸由模具楔與軋件面接觸區(qū)向心部轉(zhuǎn)移。

圖5 同一縱截面不同時(shí)刻的應(yīng)力分布(MPa)Fig.5 Stress envelope of the same vertical section at different time

3.3 成形軋制力及接觸面積

圖6為輸出軸楔橫軋成形過程中軋制力的變化曲線，圖7為軋件與模具接觸表面的面積變化曲線。由圖6，7可見，隨著軋件接觸面積的增大，軋制力逐漸增大。在軋件楔入段，軋件面積迅速增大，軋制力迅速增大到一極大值而后降低，說明模具在楔入時(shí)需要較大的軋制力，克服材料發(fā)生塑性變形產(chǎn)生的抗力，材料一旦發(fā)生塑性變形，由于軋制力的連續(xù)性，材料的形變抗力相對(duì)降低，其外在表現(xiàn)為軋制力的增大速率減小;隨著軋制展寬段模具楔的進(jìn)入，軋件與模具的接觸面積逐漸增大，變化平穩(wěn)，軋制力增大速率相對(duì)較大。軋制進(jìn)入精整階段時(shí)，模具與軋件的接觸面積基本不變，對(duì)應(yīng)的軋制力與面積呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。同時(shí)，從曲線圖亦可以看出，軋件楔入段，軋制力相對(duì)較小，軋件易于被嵌入;軋件的展寬成形階段，由于軋件的形變量大，軋件處于軸向拉伸狀態(tài)，軋制力增大;當(dāng)軋件處于精整階段時(shí)，軋件的變形量較小，軋制力變化較小。

圖6 軋件的載荷－行程(時(shí)間)曲線Fig.6 Load － process(time)pattern of the workpiece

圖7 軋件－模具接觸表面積－時(shí)間曲線Fig.7 Actual contact area－time chart of the workpiece－die

4 結(jié)論

1)在整個(gè)軋制成形過程中，對(duì)于同一橫截面，切向應(yīng)變基本上呈中心對(duì)稱分布，由軋件與模具接觸區(qū)域向未接觸區(qū)域逐漸延伸;軋件由心部沿與水平方向夾角45°的方向呈半拉伸狀態(tài)，成形軸的圓度受到影響，呈橢圓形特征。

2)該輸出軸軋制成形過程中，軋件應(yīng)變最大區(qū)一直存在于軸徑最小位置的楔入、展寬及精整段，并逐漸由模具楔與軋件面接觸區(qū)向心部轉(zhuǎn)移。

3)軋制成形過程中，模具在楔入時(shí)需要較大的軋制力，以克服材料發(fā)生塑性變形產(chǎn)生的抗力;展寬和精整段，軋制力與模具與軋件的接觸面積呈順增長(zhǎng)趨勢(shì)。

[1]顏世公，李玉京.冷楔橫軋的實(shí)驗(yàn)研究[J].鍛壓技術(shù)，1997，22(5):31—34.YAN Shi－ gong，LI Yu － jing.Experimental Research on Cross Wedge Rolling in Room Temperature[J].Forging and Stamping Technology，1997，22(5):31—34.

[2]董定福，權(quán)修華，曹詩悼，等.冷楔橫軋中幾個(gè)工藝問題的探討[J].鍛壓技術(shù)，1996，21(6):34—36.DONG Ding － fu，QUAN Xiu － hua，CAO Shi－ dao，et al.Several Technology Problems of Cross Wedge Rolling in Room Temperature[J].Forging and Stamping Technology，1996，21(6):34—36.

[3]ZHOU Jie，XIAO Chuan，YU Ying － yan，et al.Influence of Tool Parameters on Tool Wear in Two－roll Crosswedge Rolling[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2013，65(5 －8):745—753.

[4]JIA Zhi，ZHOU Jie，JI Jin － jin，et al.Influence Analysis of Area Reduction for Necking in Twice－stage Cross Wedge Rolling[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2013，66(9 －12):1407—1413.

[5]ZBIGNIEW P.Cross－ Wedge Rolling of Shafts With an Eccentric Step[J].Journal of Iron and Steel Research，2011，18(6):26—30.

[6]SONG Yu － quan，WANG Ming － hui，LI Zhi－ gang.One－way Successive Plate Cross Wedge Rolling Machine[J].Science China Technological Sciences，2010，53(1):164—167.

[7]閏洪，鮑樂，王美艷，等.彈塑性有限元法在金屬塑性加工中的應(yīng)用[J].模具技術(shù)，2000(5):12—14.YAN Hong，BAO Le，WANG Mei－ yan，et al.Application of Elastic－plastic FEM on Metal Plastic Process Field[J].Die and Mould Technology，2000(5):12—14.

[8]應(yīng)富強(qiáng)，張更超，潘孝勇.三維有限元模擬技術(shù)在金屬塑性成形中的應(yīng)用[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2003(5):10—13.YING Fu － qiang，ZHANG Geng－ chao，PAN Xiao －yong.Application of 3D FEM Simulation in Metal Forming[J].China Metalforming Equipment＆ Manufacturing Technology，2003(5):10—13.

[9]LI Qiang，LOVELL M R，SLAUGHTER W，et al.Investigation of the Morphology of Internal Defects in Cross Wedge Rolling[J].Journal of Materials Processing Technology，2002(125/126):248—257.

[10]馬振海，胡正寰，楊翠萍，等.楔橫軋展寬段的變形特征與應(yīng)力應(yīng)變分析[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，24(3):309—312.MA Zhen － hai，HU Zheng － huan，YANG Cui－ ping，et al.Deformation Character and Analysis of Stress and Strain during Stretching Stage for Cross Wedge Rolling[J].Journal of University of Science and Technology Beijing，2002，24(3):309—312.

[11]ZBIGNIEW P.Finite Element Analysis of Cross Wedge Rolling[J].Journal of Materials Processing Technology，2006，173(2):201—208.

[12]彭文飛，張康生，賈震，等.楔橫軋非對(duì)稱軸類件有限元模型分析[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2010，17(2):79—83.PENG Wen － fei，ZHANG Kang － sheng，JIA Zhen，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]束學(xué)道，張康生，胡正寰，等.楔橫軋力能參數(shù)影響因素分析[J].重型機(jī)械，2002(4):29—33.SHU Xue－ dao，ZHANG Kang－ sheng，HU Zhenghuan，et al.Factors Affecting Parameters of Force and Energy in Cross Wedge Rolling[J].Heavy Machinery，2002(4):29—33.

[14]婁依志，張康生，楊翠萍，等.工藝參數(shù)對(duì)楔橫軋二次楔軋制超大斷面收縮率軸類件的影響[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30(4):432—435.LOU Yi－ zhi，ZHANG Kang － sheng，YANG Cui－ ping，et al.Effect of Process Parameters on Axial Parts with Super Large Area Reduction during Twice Cross Wedge Rolling[J].Journal of University of Science and Technology Beijing，2008，30(4):432—435.

[15]趙靜，束學(xué)道，胡正寰.工藝參數(shù)對(duì)多楔軋件接口質(zhì)量的影響規(guī)律[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008，44(11):209—214.ZHAO Jing，SHU Xue － dao，HU Zheng － huan.Influence Rule of Teehnological Parameters on Interfaee Quality of Multi Wedge Cross Wedge Rolling Workpiece[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering，2008，44(11):209—214.

[16]束學(xué)道，李傳民，胡正寰.工藝參數(shù)對(duì)多楔同步軋制鐵道車軸應(yīng)力的影響[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2011，23(2):12—16.SHU Xue－ dao，LI Chuan － min，HU Zheng － huan.Research of Effect on Stress for Rolling Railway Axis by Multi Wedge Synchrostep[J].Journal of Iron and Steel Research，2011，23(2):12—16.

[17]LI Bin.FEM Simulation Analysis of Cross Wedge Rolling Process[J].Advanced Materials Research，2011(381):72—75.

[18]FANG G，LEI L P，ZENG P.Three－dimensional Rigid －plastic Finite Element Simulation for the Two－roll Cross－ wedge Rolling Process[J].Journal of Materials Processing Technology，2002，129(1):245—249.

[19]郭永強(qiáng)，任偉偉，徐春國，等.輸出軸楔橫軋成形空心缺陷的研究[J].精密成形工程，2012，4(4):44—48.GUO Yong － qiang，REN Wei－ wei，XU Chun － guo，et al.Study on Interior Hollow Defect in Cross Wedge Rolling Process of Output Shaft[J].Journal of Netshape Forming Engineering，2012，4(4):44—48.

[20]LU H N，WEI D B，JIANG Z Y，et al.Study on the Influence of Temperature on the Surface Asperity in Micro Cross Wedge Rolling[J].AIP Conference Proceedings，2013，1532(1):1032—1037.

[21]XING Xi－dong，SHU Xue－dao.Finite Element Analysis of Stress and Strain in Two－Wedge Cross Wedge Rolling Step － Shaft Part[J].Materials Science Forum，2008(575):255—260.