凸轮轴楔横轧精确成形机理.pdf_大学文库

D0I:10.13374/i.issnl001053x.2010.05.002 第32卷第5期北京科技大学学报 Vo132N95 2010年5月 Journal ofUniversity of Science and Technobgy Bejjing May 2010 凸轮轴楔横轧精确成形机理郑振华王宝雨胡正寰北京科技大学机械工程学院。北京100083 摘要基于凸轮轴楔横轧精确成形原理，针对一种简单典型凸轮轴的楔横轧精确成形，采用DERM-3D有限元软件，利用三维刚一塑性有限元法对整个凸轮轴楔横轧轧制过程进行了数值模拟，得到了较为理想的凸轮形状成形结果，系统分析了凸轮轴楔横轧轧制过程中轧件的应变分布状态，以及轧件金属的轴向、径向和周向的流动规律。根据凸轮轴楔横轧的实际实验结果和数值模拟结果的对比，结果表明，数值模拟结果与实验结果相符合，利用楔横轧精确成形凸轮轴是可行的. 关键词楔横轧：凸轮轴：精确成形：有限元：应变：金属流动分类号TG33519 M echanis of cam shaft fomm ing by cross wedge rolling ZHENG Zhenhua WANG Bao yu HU Zhenghuan Sclpol ofMechanical Engineerng Uniersity of Science and Technokgy Beijing Beijing 100083 Chna ABSTRACT Based a the m echanism of precision pm ng of canshafts by cross wedge rolling (CWR).he precison pm ng Process of a smple and typical camshaft by CWR was numericaly smulated wih DERRM-3D fnite ekment sofware and an ideal shape was obtane The FEM resu It was used o analyze the stran distribu ton n the work piece during the whole process The m etal fpw laws n the axial radical and circum feren tiald irectonswere systematicaly discussed It s shown that he smu lation result is in agreement with (WR experinen al dan by comparison ndicatng that he method of cm shaft fom ing by CWR is feasbe KEY WORDS cross wedge rollng camnshaft precision fom ng finite ekm entmethod strain metal fow 凸轮轴类零件是汽车、摩托车等机械产品的重的凸轮体，从而减少凸轮轴毛坯的后续加工工序，提要零部件，需求量巨大.传统的凸轮轴加工方法主高凸轮轴的生产效率，降低凸轮轴的生产成本. 要有机加工、铸造和锻造等，但都在不同程度上存在加工效率低、材料利用率低以及噪声污染大等缺点， 1凸轮轴楔横轧精确成形原理楔横轧工艺作为现代先进成形制造科学与技术的重如图所示，凸轮轴类零件的楔横轧精确成形要组成部分，是一种高效、清洁和低耗的近净轴类零件成形技术·，目前已成功应用于凸轮轴毛坯的实际生产当中.用楔横轧工艺生产凸轮轴毛坯，具上轧辊有效率高、节省材料和产品质量好等优点.但是，楔轧辊顶面轧件轧辊基圆横轧凸轮轴毛坯的生产是将凸轮部分轧制成圆柱形 ⊙ 轴段4-，再在后续加工中将圆柱轴段加工成凸轮下轧辊体，本文提出了一种楔横轧精确轧制凸轮轴的思图1凸轮轴楔横轧精确轧制原理路，即利用特定的轧辊的辊型曲面，直接轧制出精确 F琴1 Prnciple of a cam sha ft's prec is知om ing by CWR 收稿日期：2009-04-29 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N050675019):北京市自然科学基金资助项目(N93082013:国家科技支撑计划资助项目(N9 2006BAF04D3) 作者简介：郑振华(1985-），男，硕士研究生：王宝雨(1964)，男，研究员，博士，Ema时bw8n@me ust ed!可胡正寰(1934)，男，教授，中国工程院院士

第 32卷第 5期 2010年 5月北京科技大学学报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.32 No.5 May2010 凸轮轴楔横轧精确成形机理郑振华王宝雨胡正寰北京科技大学机械工程学院, 北京 100083 摘要基于凸轮轴楔横轧精确成形原理, 针对一种简单典型凸轮轴的楔横轧精确成形, 采用 DEFORM--3D有限元软件, 利用三维刚 -塑性有限元法对整个凸轮轴楔横轧轧制过程进行了数值模拟, 得到了较为理想的凸轮形状成形结果, 系统分析了凸轮轴楔横轧轧制过程中轧件的应变分布状态, 以及轧件金属的轴向、径向和周向的流动规律.根据凸轮轴楔横轧的实际实验结果和数值模拟结果的对比, 结果表明, 数值模拟结果与实验结果相符合, 利用楔横轧精确成形凸轮轴是可行的. 关键词楔横轧;凸轮轴;精确成形;有限元;应变;金属流动分类号 TG335.19 Mechanism ofcamshaftformingbycrosswedgerolling ZHENGZhen-hua, WANGBao-yu, HUZheng-huan SchoolofMechanicalEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China ABSTRACT Basedonthemechanismofprecisionformingofcamshaftsbycrosswedgerolling( CWR), theprecisionforming processofasimpleandtypicalcamshaftbyCWRwasnumericallysimulatedwithDEFORM-3Dfiniteelementsoftwareandanideal shapewasobtained.TheFEMresultwasusedtoanalyzethestraindistributionintheworkpieceduringthewholeprocess.Themetal flowlawsintheaxial, radicalandcircumferentialdirectionsweresystematicallydiscussed.Itisshownthatthesimulationresultisin agreementwithCWRexperimentaldatabycomparison, indicatingthatthemethodofcamshaftformingbyCWRisfeasible. KEYWORDS crosswedgerolling;camshaft;precisionforming;finiteelementmethod;strain;metalflow 收稿日期:2009--04--29 基金项目:国家自然科学基金资助项目 ( No.50675019 ) ;北京市自然科学基金资助项目 ( No.3082013) ;国家科技支撑计划资助项目 ( No. 2006BAF04B03 ) 作者简介:郑振华 ( 1985— ), 男, 硕士研究生;王宝雨 ( 1964— ), 男, 研究员, 博士, E-mail:bywang@me.ustb.edu.cn;胡正寰 ( 1934— ), 男, 教授, 中国工程院院士凸轮轴类零件是汽车、摩托车等机械产品的重要零部件, 需求量巨大.传统的凸轮轴加工方法主要有机加工、铸造和锻造等, 但都在不同程度上存在加工效率低、材料利用率低以及噪声污染大等缺点 . 楔横轧工艺作为现代先进成形制造科学与技术的重要组成部分, 是一种高效、清洁和低耗的近净轴类零件成形技术 [ 1] , 目前已成功应用于凸轮轴毛坯的实际生产当中 [ 2--3] .用楔横轧工艺生产凸轮轴毛坯, 具有效率高、节省材料和产品质量好等优点 .但是, 楔横轧凸轮轴毛坯的生产是将凸轮部分轧制成圆柱形轴段 [ 4--6] , 再在后续加工中将圆柱轴段加工成凸轮体 .本文提出了一种楔横轧精确轧制凸轮轴的思路, 即利用特定的轧辊的辊型曲面, 直接轧制出精确的凸轮体, 从而减少凸轮轴毛坯的后续加工工序, 提高凸轮轴的生产效率, 降低凸轮轴的生产成本. 1 凸轮轴楔横轧精确成形原理如图 1所示, 凸轮轴类零件的楔横轧精确成形图 1 凸轮轴楔横轧精确轧制原理 Fig.1 PrincipleofacamshaftsprecisionformingbyCWR DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2010.05.002

第5期郑振华等：凸轮轴楔横轧精确成形机理 ·651° 过程是一个塑性变形的过程.在轧制过程中，两个可以在DEFORM-3D模拟过程中将模具和导板视轴线平行的带有楔形模具的轧辊同向旋转，带动热为刚体态轧件做与轧辊反方向的旋转，在上下轧辊斜楔侧表1轧辊与轧件的主要参数壁及顶面的共同作用下，热态轧件实现连续径向压 Table 1 Ma in parme ters of ollers and work pieces 缩、轴向延伸变形，逐渐成形为凸轮轴刀轧辊参数数值轧件参数数值与传统成形同心圆截面台阶轴轴段的方法不展宽角（°） 7 坯料直径m 50 同，成形凸轮轴段所对应的轧辊辊型曲线不再成形角°) 28 R/mm 15 是圆弧而是一条特殊曲线，该曲线是由轧制过程中最大半径/mm 306 r/mm 5 轧件与轧辊的共轭运动关系所确定的. 转速/(mrl) 10 bymm 20 2有限元模拟温度C 20 温度℃ 1150 2.1凸轮轴及轧辊参数在模拟过程中，设置上下轧辊绕各自旋转中心本文以一种简单的凸轮轴（取12）为研究对同向旋转，转速为10mr,轧件除了对称面约束象，如图2所示，凸轮体的轴向长度为20m四凸轮外，其他各方向均保持自由状态，导板设置为固定约体侧边圆柱轴段的直径为28四轴向长度为束.轧件与轧辊之间，轧件与导板之间均采用自动 20四凸轮体轮廓如图3所示，具体轧辊与凸轮轮面面接触形式. 廓参数如表1所示. 轧件材料选取45钢（从DEFROM-3D材料库中选取).45钢为常用结构钢，用途广泛，对其力能参数的研究比较多，数值模拟结果容易和实际情况进行比较.由于在楔横轧轧制过程中，成形速度快 (本文模拟的凸轮轴轧制过程约为2，而且在轧制过程中有变形热产生，因此在数值模拟中，在保证模拟结果精度要求的前提下，可以忽略轧件的热辐射，轧件与轧辊的热传导，轧件与周围环境的热对流等图2凸轮轴示意图而将轧件温度设为恒定，为1150℃.模具与导板的 Fg2 Schem atic drawing of a camshaft 温度则设为与环境温度相等，为20℃，凸轮轴楔横轧采用的有限元模型图如图4 所示. 上轧辊导板对称面轧件图3凸轮轮廓下轧辊 F3 Profile of the cam 图4有限元模型图 2.2有限元模型的建立 Fg 4 FEM model of(WR 考虑到上下轧辊结构和轧件的对称性，在模拟过程中，只取模型的12（对称面取对称约束来替 2.3有限元模拟结果代)进行仿真模拟，以保证模拟结果精度要求，减少图5图6所示为数值模拟轧制成形的凸轮轴. 模拟计算时间.同时，由于整个凸轮轴楔横轧的轧图7所示为数值模拟的凸轮截面（黑色实线为制过程是一个热轧过程，模具和导板在轧制过程中模拟的凸轮轮廓，虚线为理想的凸轮轮廓)，经过测的变形量相对于轧件的变形量可以忽略不计，因此量可得：R=14.99m(图3理论设计值为15m

第 5期郑振华等:凸轮轴楔横轧精确成形机理过程是一个塑性变形的过程 .在轧制过程中, 两个轴线平行的带有楔形模具的轧辊同向旋转, 带动热态轧件做与轧辊反方向的旋转, 在上下轧辊斜楔侧壁及顶面的共同作用下, 热态轧件实现连续径向压缩、轴向延伸变形, 逐渐成形为凸轮轴 [ 7] . 与传统成形同心圆截面台阶轴轴段的方法不同 [ 8--9] , 成形凸轮轴段所对应的轧辊辊型曲线不再是圆弧而是一条特殊曲线, 该曲线是由轧制过程中轧件与轧辊的共轭运动关系 [ 10]所确定的. 2 有限元模拟 2.1 凸轮轴及轧辊参数本文以一种简单的凸轮轴 (取 1 /2) 为研究对象, 如图 2所示, 凸轮体的轴向长度为 20 mm, 凸轮体侧边圆柱轴段的直径为 28 mm, 轴向长度为 20 mm, 凸轮体轮廓如图 3所示, 具体轧辊与凸轮轮廓参数如表 1所示. 图 2 凸轮轴示意图 Fig.2 Schematicdrawingofacamshaft 图 3 凸轮轮廓 Fig.3 Profileofthecam 2.2 有限元模型的建立考虑到上下轧辊结构和轧件的对称性, 在模拟过程中, 只取模型的 1/2 (对称面取对称约束来替代 )进行仿真模拟, 以保证模拟结果精度要求, 减少模拟计算时间.同时, 由于整个凸轮轴楔横轧的轧制过程是一个热轧过程, 模具和导板在轧制过程中的变形量相对于轧件的变形量可以忽略不计, 因此可以在 DEFORM--3D模拟过程中将模具和导板视为刚体. 表 1 轧辊与轧件的主要参数 Table1 Mainparametersofrollersandworkpieces 轧辊参数数值展宽角 /( °) 7 成形角 /( °) 28 最大半径 /mm 306 转速 /( r·min-1 ) 10 温度 /℃ 20 轧件参数数值坯料直径 /mm 50 R/mm 15 r/mm 5 b/mm 20 温度 /℃ 1 150 在模拟过程中, 设置上下轧辊绕各自旋转中心同向旋转, 转速为 10 r·min -1 , 轧件除了对称面约束外, 其他各方向均保持自由状态, 导板设置为固定约束.轧件与轧辊之间, 轧件与导板之间均采用自动面面接触形式 . 轧件材料选取 45 钢 (从 DEFROM--3D材料库中选取 ) .45钢为常用结构钢, 用途广泛, 对其力能参数的研究比较多, 数值模拟结果容易和实际情况进行比较 .由于在楔横轧轧制过程中, 成形速度快 (本文模拟的凸轮轴轧制过程约为 2 s), 而且在轧制过程中有变形热产生, 因此在数值模拟中, 在保证模拟结果精度要求的前提下, 可以忽略轧件的热辐射, 轧件与轧辊的热传导, 轧件与周围环境的热对流等, 而将轧件温度设为恒定, 为 1 150 ℃.模具与导板的温度则设为与环境温度相等, 为 20 ℃. 凸轮轴楔横轧采用的有限元模型图如图 4 所示 . 图 4 有限元模型图 Fig.4 FEMmodelofCWR 2.3 有限元模拟结果图 5、图 6所示为数值模拟轧制成形的凸轮轴. 图 7所示为数值模拟的凸轮截面 (黑色实线为模拟的凸轮轮廓, 虚线为理想的凸轮轮廓 ), 经过测量可得:R=14.99 mm(图 3, 理论设计值为 15 mm, · 651·

。652 北京科技大学学报第32卷图5凸轮轴轴向视图 Fig 5 Axalv iew of a cam shaft 图8轧件横截面图 Fg8 Cross section of a work piece 图6凸轮轴三维图 F琴63DPDf使of a camshaft 误差为0.067%)，二4.91m图3理论设计值为 5m四误差为1.8%)，=19.65mm图3.理论设计值为20四误差为1.75%).以上数值均在误差允图9轧件三维图许范围之内. Fg 9 3D pofile of a work Piece 软件模拟的凸轮体成形过程中各个阶段的应变分布 -R=14.99 情况. 如图10所示，（马为楔入段的应变分布状态，在上下轧辊的斜楔起始段，轧辊与坯料开始接触，坯料形成小变形量；(b、(9、(4和(9为展宽段的 =4.91 应变分布形态，在展宽过程中，坯料在楔面和模具顶面的共同作用下逐渐成形为凸轮体，并且总变形量图7数值模拟的凸轮截面轮廓图逐渐变大，凸轮体的成形主要在这个阶段完成：(、 Fig 7 Cross sec tion Pofile of a cam by FEM (写为精整段的应变分布情况，模具对坯料基本没有大的挤压，凸轮体的塑性变形减小，上下模具只是 2.4实验验证局部小量的修正己成形的凸轮体. 在模拟的基础上进行了相关的楔横轧凸轮轴成在整个凸轮体的成形过程中，在展宽段轧件的形实验.实验是在北京科技大学高效零件轧制技术应变量在坯料中心处较小，且靠近凸轮体顶部（对推广中心630轧机上进行的，采用的坯料为应图3中A端)变形量比凸轮体底部（对应图3中B 中50mn的45号钢，轧制温度约为1150℃.图8 端)变形量要小，这是由于凸轮体本身在坯料的横图9所示为楔横轧凸轮轴的实验轧件. 截面分布状态所决定的.由于凸轮体大圆（图3中通过对实验轧件的测量可知，楔横轧轧件的外 B端的圆弧)中心与坯料轴线中心重合，因此在展宽形和尺寸与实际设计和数值实验相近，且经过剖面过程中，大圆处（图3中B端）的金属轴向流动较抛光处理，在4XC-三目显微镜下观察，轧件无明显多，径向压缩比小圆处（图3中A端）大.凸轮体的缺陷最终应变成对称形态，与普通圆柱轴段楔横轧轧制 3凸轮成形过程的应变分析的应变分布形态不同，这与凸轮本身的形态有关由于凸轮体本身关于Y轴对称，而且毛坯为圆钢，凸轮轴楔横轧的整个成形过程由楔入段、展宽因此凸轮左右对称位置的应变量应当相等，也成对段和精整段组成1-.图10所示为DEFORM-3D 称形态

北京科技大学学报第 32卷图 5 凸轮轴轴向视图 Fig.5 Axialviewofacamshaft 图 6 凸轮轴三维图 Fig.6 3Dprofileofacamshaft 误差为 0.067%), r=4.91 mm(图 3, 理论设计值为 5 mm, 误差为 1.8%), b=19.65 mm(图 3, 理论设计值为 20 mm, 误差为 1.75%) .以上数值均在误差允许范围之内 . 图 7 数值模拟的凸轮截面轮廓图 Fig.7 Cross-sectionprofileofacambyFEM 2.4 实验验证在模拟的基础上进行了相关的楔横轧凸轮轴成形实验 .实验是在北京科技大学高效零件轧制技术推广中心 H630 轧机上进行的, 采用的坯料为 50mm的 45号钢, 轧制温度约为 1 150 ℃.图 8、图 9所示为楔横轧凸轮轴的实验轧件. 通过对实验轧件的测量可知, 楔横轧轧件的外形和尺寸与实际设计和数值实验相近, 且经过剖面抛光处理, 在 4XC--三目显微镜下观察, 轧件无明显缺陷. 3 凸轮成形过程的应变分析凸轮轴楔横轧的整个成形过程由楔入段、展宽图 8 轧件横截面图 Fig.8 Cross-sectionofaworkpiece 图 9 轧件三维图 Fig.9 3Dprofileofaworkpiece 段和精整段组成 [ 11--12] .图 10所示为 DEFORM--3D 软件模拟的凸轮体成形过程中各个阶段的应变分布情况 . 如图 10所示, ( a) 为楔入段的应变分布状态, 在上下轧辊的斜楔起始段, 轧辊与坯料开始接触, 坯料形成小变形量;( b) 、( c) 、 ( d)和 ( e)为展宽段的应变分布形态, 在展宽过程中, 坯料在楔面和模具顶面的共同作用下逐渐成形为凸轮体, 并且总变形量逐渐变大, 凸轮体的成形主要在这个阶段完成;( f) 、 ( g)为精整段的应变分布情况, 模具对坯料基本没有大的挤压, 凸轮体的塑性变形减小, 上下模具只是局部小量的修正已成形的凸轮体 . 在整个凸轮体的成形过程中, 在展宽段轧件的应变量在坯料中心处较小, 且靠近凸轮体顶部 (对应图 3中 A端 )变形量比凸轮体底部 (对应图 3中 B 端 )变形量要小, 这是由于凸轮体本身在坯料的横截面分布状态所决定的.由于凸轮体大圆 (图 3中 B端的圆弧 )中心与坯料轴线中心重合, 因此在展宽过程中, 大圆处 (图 3中 B端 )的金属轴向流动较多, 径向压缩比小圆处 (图 3中 A端 )大.凸轮体的最终应变成对称形态, 与普通圆柱轴段楔横轧轧制的应变分布形态不同, 这与凸轮本身的形态有关. 由于凸轮体本身关于 Y1 轴对称, 而且毛坯为圆钢, 因此凸轮左右对称位置的应变量应当相等, 也成对称形态. · 652·

第5期郑振华等：凸轮轴楔横轧精确成形机理 653 a Step 5 (b) Step 55 (c) Step 115 0.799 0.533 2.23 4.10 0.266 2.05 0.0000522 0.00131 0.00415 40.0000522 a0.799 x 40.00131 ▲0.00415 o3.34 X-z 6.14 d Step 165 Step 222 Step 280 534 5.00 56 3.52 36 1.78 1.77 1.72 0.00918 0.0172 0.0830 40.00918 x-Z 534 △0.0172 X-z 40.0830 o5.26 o5.00 Step 337 4.87 0.144 △0.144 0723 图10凸轮成形过程的应变分布图.（楔入段：（展宽段↓(9展宽段2（山展宽段3(9展宽段4(5精整缎上（号精整段2 Fig 10 Stran distrbutin during the foming process of a can knifng one by stretchirg ane l;(c ste xching ane 2 (d streiching xne3 (e strechng zmne4 (f sizing zonel:(8 sizng ane 2 位置，在楔横轧轧制过程中，自身基本上未受到上下 4轧件的金属流动规律分析模具和导板的挤压，未产生明显的自身应变，各点的为了研究凸轮轴成形过程中金属的流动规律，轴向位移主要是由轧制凸轮轴段以及圆柱轴段时坯在原始坯料的轴向位置选取七个横截面（相对于对料的轴向延伸造成的.因此各追踪点的位移基本称面的距离分别为1、23.45、6和45mm,在每个相等. 截面上选取21个跟踪点，其中C方向为成形后凸轮在C和D方向上，在1、2.3.45和6m截面，的B端（图3）指向A端（图3）方向，D方向与C方各截面整体的轴向位移量依次递增.这是由于在凸向垂直且通过轴心，如图11所示（图11(b中的虚轮轴轧制过程中，与对称面距离近的截面上的金属线为成形后的凸轮轮廓) 在模具斜楔和顶面的共同作用下会被挤压而成形为 4.1轴向流动规律凸轮体的一部分，从而导致与对称面距离远的截面从图12图13中可以看出，45m截面上各追上的金属在未变形时就已经产生一定轴向位移.所踪点的轴向位移基本上相等，位移比较曲线基本成以在成形结束时距离对称面较远处的金属总体位移一直线状态.这是由于45m截面处于坯料的余料量要大于距离对称面较近截面的位移量

。654 北京科技大学学报第32卷 3mm 5mm P5 2120甲9P18P176P16P15PW4P13P12 面 7 8 9 P10 2 mm 4 mm 6 mm 45 mm 图11追踪点分布图.（两轴向追踪截面的分布：（截面上追踪点的分布 Fig 11 Disrbution of tcked points (a distrbution of axialtced sectins (b distributin of tacked pons n every secticn 30 位移先变大后又逐渐变小，最终成稳定状态.这是 25米由于外表面与模具相啮合，模具对外表面金属的流 20F ◆一1mm截面 -4mm截面。-2mm截面一5mm截面动有一定的阻力作用，导致外层金属位移较小.离 15 ◆一3mm截面一◆一6mm截面 *45mm截面外表面较近的金属处于排挤的区域，轴向流动阻力又相对较小，轴向位移量较大.沿着轴心方向，离轴心处较近的金属区域不属于排挤的区域，只是在外 34567891011 C方向追踪点顺序层金属流动过程中会受到一定的影响，而产生一定的变形位移，且越靠近轴心这种影响越小图12各截面C方向追踪点轴向位移比较图 42径向流动规律 Fg 12 Comparison of axal disphoement of Cdirection tacked points in all sections 从图14图15中可以看出，45mm截面处各追踪点的径向压缩量基本为零，这是由于45m截面 30 25米处于轧制凸轮轴坯料的远处端部位置，在整个凸轮 +1m截面 20 4-5mm截面最一2m截面轴精确成形过程中，上下模具和导板对远处端部位 ◆6m截面一3m裁面米45mm截面一4mm裁面置的坯料的作用基本只是定位作用.当坯料有串动 g10 的趋势时，上下模具和导板对坯料的串动起一定的三三三三三三位移限制作用，使得整个坯料在轧制过程中基本保 1234567891011 D方向追踪点顺序持稳定，从而提高楔横轧轧制成品的精度.因此在整个成形过程中，上下模具对远处端部基本无明显图13各截面D方向追踪点轴向位移比较图的挤压，远处端部位置的各个追踪点的径向压缩量 Fg 13 Comparison of axal dispacement of Ddirection tacked 基本为零 ponts in all sections ◆lmm截面-4mm裁面在图12中还可以看出，沿着C方向，同一截面一2mm截面一5mm截面 3mm截面 ◆-6mm截面各追踪点的轴向位移量逐渐变小.这是由于C方向￥45mm截面为成形后凸轮的端（图3）指向端（图3）方向，而B端在凸轮轴成形过程中的金属排挤量要明显大于端的金属排挤量，所以导致了离端近的追踪点的轴向位移量要大于离B端远的追踪点的轴 12345678910 C方向追踪点顺序向位移量. 在图13中可以看出，由于D方向上各追踪点图14各截面C方向追踪点径向压缩量比较图的分布与成形后凸轮体的对称线成对称分布状态， Fg 14 Comparison of radial displaoement of C-direc tion tracked ponts in all sections 所以各追踪点的轴向位移量也成对称分布状态.另外，从图13中可以看出从外表面到轴心的追踪点的而1~6截面的各追踪点的径向压缩量与金

北京科技大学学报第 32卷图 11 追踪点分布图.( a) 轴向追踪截面的分布;( b) 截面上追踪点的分布 Fig.11 Distributionoftrackedpoints:( a) distributionofaxialtrackedsections;( b) distributionoftrackedpointsineverysection 图 12 各截面 C方向追踪点轴向位移比较图 Fig.12 ComparisonofaxialdisplacementofC-directiontracked pointsinallsections 图 13 各截面 D方向追踪点轴向位移比较图 Fig.13 ComparisonofaxialdisplacementofD-directiontracked pointsinallsections 在图 12中还可以看出, 沿着 C方向, 同一截面各追踪点的轴向位移量逐渐变小.这是由于 C方向为成形后凸轮的 B端 (图 3)指向 A端 (图 3)方向, 而 B端在凸轮轴成形过程中的金属排挤量要明显大于 A端的金属排挤量, 所以导致了离 B端近的追踪点的轴向位移量要大于离 B端远的追踪点的轴向位移量. 在图 13 中可以看出, 由于 D方向上各追踪点的分布与成形后凸轮体的对称线成对称分布状态, 所以各追踪点的轴向位移量也成对称分布状态.另外, 从图 13中可以看出从外表面到轴心的追踪点的位移先变大后又逐渐变小, 最终成稳定状态 .这是由于外表面与模具相啮合, 模具对外表面金属的流动有一定的阻力作用, 导致外层金属位移较小 .离外表面较近的金属处于排挤的区域, 轴向流动阻力又相对较小, 轴向位移量较大 .沿着轴心方向, 离轴心处较近的金属区域不属于排挤的区域, 只是在外层金属流动过程中会受到一定的影响, 而产生一定的变形位移, 且越靠近轴心这种影响越小. 4.2 径向流动规律从图 14、图 15中可以看出, 45 mm截面处各追踪点的径向压缩量基本为零, 这是由于 45 mm截面处于轧制凸轮轴坯料的远处端部位置, 在整个凸轮轴精确成形过程中, 上下模具和导板对远处端部位置的坯料的作用基本只是定位作用.当坯料有串动的趋势时, 上下模具和导板对坯料的串动起一定的位移限制作用, 使得整个坯料在轧制过程中基本保持稳定, 从而提高楔横轧轧制成品的精度 .因此在整个成形过程中, 上下模具对远处端部基本无明显的挤压, 远处端部位置的各个追踪点的径向压缩量基本为零 . 图 14 各截面 C方向追踪点径向压缩量比较图 Fig.14 ComparisonofradialdisplacementofC-directiontracked pointsinallsections 而 1 ～ 6 mm截面的各追踪点的径向压缩量与金 · 654·

第5期郑振华等：凸轮轴楔横轧精确成形机理 655 12 一4m截面◆1mm截面， 5结论一5mm截面 ◆6mm截面米45mm截面 (1)数值模拟和轧制实验表明楔横轧精确轧制凸轮轴是可行的. 出。一2m截面 ◆-3mm截而 (2)凸轮体成形过程的轧件应变分布情况与传统圆柱轴段的楔横轧不相同，而与凸轮本身的形态相关. 1234567891011 D方向追踪点顺序 (3)凸轮轴成形过程的金属流动为径向压缩和图15各截面D方向追踪点径向压缩量比较图轴向螺旋状流动，凸轮体各横截面上位置相当的金 F 15 Comparison of radal displcement ofDdiection tacked 属其流动规律基本相同.对金属流动规律的研究有 points in all sections 利于分析凸轮体的具体成形过程，从而优化模具设属所处的位置相关，离成形后凸轮轮廓越远位置的计，为实际的凸轮轴精确轧制提供理论参考. 金属其径向压缩量越大，离成形后凸轮轮廓越近位 (4)凸轮轴成形过程中，金属周向流动的规律置的金属其径向压缩量越小，处在凸轮轮廓里的金研究为凸轮体在轧制过程的相位控制提供理论属其径向压缩量有所波动，但基本都在零点附近. 参考. 4.3周向流动规律参考文献楔横轧轧制过程对金属的排挤方式为径向压缩【刂Hu ZH ZhargK W ang B Y et al (WR Fom ing Technology 和轴向的螺旋式排挤，而这两个过程都是坯料在上 and Smultion Be ijng Meallugical Industry Press 2004 下模具带动下自身旋转时同步完成的.在这个过程 (胡正囊，张康生，王宝雨等。楔横轧零件成形技术与模拟仿中根据旋转理论以及排料方式可以知道，处在外层真.北京：治金工业出版社，2004) 的金属的周向流动要明显快于内层金属的周向流 [2 ZhangX C Outcome of camshaft om ing by CWR Fog Stmp 动，这也是楔横轧轧制产品产生一定扭转的原因. Techno]199015(5):64 (张绪成.楔横轧凸轮轴取得效果.锻压技术，199015(5 同样，在凸轮轴楔横轧精确成形过程中也存在 64) 这种现象.根据追踪点位置变化情况可以看出，前 3 Camshaft roughcast pmed by CWR in diesel engine J Univ Sci 六个截面整体有周向的位移，而在凸轮轴段后的圆 Technol Beijng 1991 13(6):543 柱轴段轧制时，也会产生一定的周向位移，这两方面 (楔横轧柴油机凸轮轴毛坯.北京科技大学学报，199113 形成了凸轮体相对于余料位置的整体周向位移.如 (6):543) [9 LiuY J CWR techno kgy of6102 camshaft poming Fog Stmp 图16所示，各追踪点的周向位移导致了整个凸轮体 Techno1999241):36 与原始坯料的相位发生变化，整体的凸轮体相位变 (刘英杰.6102凸轮轴的楔横轧工艺.锻压技术，1999.24 化为65°左右；而在余料位置的45m位置截面上 (1):36 由于基本无金属流动，各点基本无周向位移产生 [5 ZhangKS Wang BY L u J P et al Technokgy of crosswedge rolling p Produce camshaft bknk Fog Stamp Technol 2000 25 (3):28 (张康生.王宝雨.刘晋平.等.楔横轧工艺在内燃机凸轮轴制坯上的应用.锻压技术，200025(3)：28) [6 LiH Gao JH Analsisofcause p m nner hole in bknk of ca shaft pr cosswede rollng HeiMeta ll 2005(5):67 (李汉生，高建华.楔横轧凸轮轴毛坯中心孔洞成因分析.河北治金，2005(5)：67) [7 W ang B Y Hu ZH Zhang K et al Precise Fom ing Methal orCamsha ftby CosWedgeRolling China CN1907587 2007- 02-07 (王宝雨，胡正囊，张康生.等.凸轮轴的辊式楔横轧精密成形 Pu/ 方法：中国.CN9075872007-02-07 图6凸轮体部分追踪点轧制前后的位置变化图 [8 HuK I.Theory Researh of theRolling Cure for thesquareShaft F 16 Locatins tnsfomation of tacked points in a cam bepre on CrossW ege Rollng[Dissenatin.Beijing University of Sci and after olling ence and Technopgy Beijing 2008

第 5期郑振华等:凸轮轴楔横轧精确成形机理图 15 各截面 D方向追踪点径向压缩量比较图 Fig.15 ComparisonofradialdisplacementofD-directiontracked pointsinallsections 属所处的位置相关, 离成形后凸轮轮廓越远位置的金属其径向压缩量越大, 离成形后凸轮轮廓越近位置的金属其径向压缩量越小, 处在凸轮轮廓里的金属其径向压缩量有所波动, 但基本都在零点附近. 4.3 周向流动规律楔横轧轧制过程对金属的排挤方式为径向压缩和轴向的螺旋式排挤, 而这两个过程都是坯料在上下模具带动下自身旋转时同步完成的 .在这个过程中根据旋转理论以及排料方式可以知道, 处在外层的金属的周向流动要明显快于内层金属的周向流动, 这也是楔横轧轧制产品产生一定扭转的原因. 同样, 在凸轮轴楔横轧精确成形过程中也存在这种现象.根据追踪点位置变化情况可以看出, 前六个截面整体有周向的位移, 而在凸轮轴段后的圆柱轴段轧制时, 也会产生一定的周向位移, 这两方面形成了凸轮体相对于余料位置的整体周向位移.如图 16所示, 各追踪点的周向位移导致了整个凸轮体与原始坯料的相位发生变化, 整体的凸轮体相位变化为 65°左右 ;而在余料位置的 45 mm位置截面上由于基本无金属流动, 各点基本无周向位移产生. 图 16 凸轮体部分追踪点轧制前后的位置变化图 Fig.16 Locationstransformationoftrackedpointsinacambefore andafterrolling 5 结论 ( 1) 数值模拟和轧制实验表明楔横轧精确轧制凸轮轴是可行的. ( 2) 凸轮体成形过程的轧件应变分布情况与传统圆柱轴段的楔横轧不相同, 而与凸轮本身的形态相关 . ( 3) 凸轮轴成形过程的金属流动为径向压缩和轴向螺旋状流动, 凸轮体各横截面上位置相当的金属其流动规律基本相同 .对金属流动规律的研究有利于分析凸轮体的具体成形过程, 从而优化模具设计, 为实际的凸轮轴精确轧制提供理论参考 . ( 4) 凸轮轴成形过程中, 金属周向流动的规律研究为凸轮体在轧制过程的相位控制提供理论参考 . 参考文献 [ 1] HuZH, ZhangKS, WangBY, etal.CWRFormingTechnology andSimulation.Beijing:MetallurgicalIndustryPress, 2004 (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 ) [ 2] ZhangXC.OutcomeofcamshaftformingbyCWR.ForgStamp Technol, 1990, 15( 5 ) :64 (张绪成.楔横轧凸轮轴取得效果.锻压技术, 1990, 15 ( 5 ): 64) [ 3] CamshaftroughcastformedbyCWRindieselengine.JUnivSci TechnolBeijing, 1991, 13( 6) :543 (楔横轧柴油机凸轮轴毛坯.北京科技大学学报, 1991, 13 ( 6 ) :543) [ 4] LiuYJ.CWRtechnologyof6102 camshaftforming.ForgStamp Technol, 1999, 24( 1 ) :36 (刘英杰.6102凸轮轴的楔横轧工艺.锻压技术, 1999, 24 ( 1 ) :36) [ 5] ZhangKS, WangBY, LiuJP, etal.Technologyofcrosswedge rollingtoproducecamshaftblank.ForgStampTechnol, 2000, 25 ( 3 ) :28 (张康生, 王宝雨, 刘晋平, 等.楔横轧工艺在内燃机凸轮轴制坯上的应用.锻压技术, 2000, 25 ( 3) :28 ) [ 6] LiHS, GaoJH.Analysisofcausetoforminnerholeinblankof camshaftforcrosswedgerolling.HebeiMetall, 2005( 5 ) :67 (李汉生, 高建华.楔横轧凸轮轴毛坯中心孔洞成因分析.河北冶金, 2005( 5) :67 ) [ 7] WangBY, HuZH, ZhangKS, etal.PreciseFormingMethod forCamshaftbyCrossWedgeRolling:China, CN1907587.2007-- 02- 07 (王宝雨, 胡正寰, 张康生, 等.凸轮轴的辊式楔横轧精密成形方法:中国, CN1907587.2007-02-07) [ 8] HuKL.TheoryResearchoftheRollingCurvefortheSquareShaft onCrossWedgeRolling[ Dissertation] .Beijing:UniversityofScienceandTechnologyBeijing, 2008 · 655·