D0I:10.13374/i.issm1001053x.2003.06.019 第25卷第6期 北京科技大学学报 VoL.25 No.6 2003年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2003 斜轧零件应力应变特征与内部低周 疲劳损伤机制 杨海波张立杰马国华胡正襄 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要采用ANSYS/LS-DYNA软件，建立了斜轧零件基本变形过程的三维有限元分析模 型，对不同工况下的斜轧过程进行了计算机数值模拟分析.仿真结果揭示了斜轧过程中轧件 内部应力应变场的分布规律：导致Mannesmann缺陷的主要原因是在发生大塑性应变变形情 况下，金属内部在承受交变应力作用下产生低周疲劳损伤和破坏， 关键词金属成形；斜轧：低周疲劳；内部缺陷：仿其 分类号 TG335.17:TP391.9 自德国Mannesmann兄弟首先发明斜轧穿孔1斜轧过程的有限元模型 机以来，螺旋孔型斜轧技术的应用也己经有一百 多年的历史，由于斜轧是一种复杂特殊的成形方 采用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA,使 式，轧件内部易出现疏松或孔腔等缺陷. 用显式算法计算轧制过程.将在Pro/ENGINEER 近年来，人们加强了对斜轧变形机理的研 中建立的几何模型以IGES文件格式输出，然后 究.日本的粟野、落合等人用橡皮泥模拟了斜轧 在ANSYS前处理器中读入.假设轧辊为刚性辊， 钢球，川井谦一、神马敬等人应用增益云纹法研 并赋予四节点SHELL163单元，轧件采用八节点 究了轧件径向断面上的位移及应变情况，前苏 六面体单元SOLD164,轧辊和轧件单元数总和 联坦诺夫等用径向坐标网格法研究螺旋轧制中 一般在15000-25000之间.在PI866计算机上， 轧件径向变形状态s,Hayama和Saito周等应用 一个模拟方案的求解时间一般为15~30h. 滑移线法分析了斜轧轴类件，梁义维用有限元法 以轧制阶梯轴为例，斜轧零件的三维有限元 对简化为平面应变状态的斜轧球问题进行了分 模型，如图1所示.模型由一个圆棒形状的轧件 析网. 和两个互相交叉的轧辊组成，参考坐标系取轧件 但是，多数研究工作仅以轧件横截面内平面 轴线方向为z向，两轧辊之间的径向（压下方向） 变形为研究前提，没有考虑轴向变形.螺旋孔型 为y向，轧件横截面内与y向垂直的方向（宽展方 轧制是使金属径向压缩、轴向和横向流动来成形 向)为x向.轧件材质为45钢，轧制温度1150℃， 的，其变形过程是十分复杂的三维变形.特别是 对其内部疏松机理的研究还没有得到一致的结 论.为此本文建立了斜轧零件的三维有限元分析 模型，通过有限元软件分析，首次获得详尽、直 观、定量的斜轧零件的场变量分布规律，提出了 斜轧轧件内部产生疏松的原因. 图1斜轧零件三维有限元模型 收稿日期2003-02-25 杨海波男，42岁，教授 Fig.1 FEM model of skew rolled piece ★因家自然科学基金重点资助项目(No.50035010)
第 2 5 卷 第 6期 2 0仍 年 1 2 月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u r n a l o f U n vi e sr iyt o f s e i e n e e a n d 耽 e h n o l o yg B e ij ni g V b l . 2 5 N o . 6 D e e 。 2 0 0 3 斜轧零件应 力应变特征 与内部低周 疲 劳损伤机制 杨 海 波 张立 杰 马 国 华 胡正 寰 北京 科技 大学机 械工 程学 院 , 北 京 10 0 0 8 3 摘 要 采 用 A N S Y S几 S刁Y 入 A 软 件 , 建 立 了斜 轧 零件 基本 变形过 程 的三 维有 限元分 析模 型 , 对 不 同工况 下 的斜轧 过程 进行 了计 算机 数值模 拟分 析 . 仿 真结 果揭 示 了斜 轧过 程 中轧件 内部 应力 应变 场 的分布 规律 ; 导致 M an es m ~ 缺 陷的主 要原 因 是在 发 生大 塑性应 变变 形情 况下 , 金属 内部在承 受交 变应 力作 用 下产生 低周 疲劳 损伤 和破 坏 . 关键 词 金 属成 形 ; 斜 轧 ; 低周 疲劳 ; 内部缺 陷; 仿 真 分 类号 T G 3 3 5 . 1 7 : T P 3 9 1 . 9 自德 国 M ~ es m alm 兄弟 首 先发 明斜 轧 穿 孔 机 以来 , 螺 旋孔 型斜 轧技 术 的应用 也 己经 有一 百 多年 的历史 , 由于斜 轧 是一种 复 杂特殊 的成 形 方 式 , 轧件 内部 易 出现 疏 松 或孔 腔等 缺 陷 l l,jZ . 近 年 来 , 人 们 加强 了对 斜 轧 变 形 机 理 的研 究 . 日本 的粟野 、 落 合等 人用 橡皮泥 模 拟 了斜 轧 钢 球〔3] , 川井谦 一 、 神 马敬等 人应 用增 益云 纹法 研 究 了轧件 径 向断面 上 的位 移及 应变 情 况 `4] , 前 苏 联 坦 诺 夫等 用 径 向坐标 网格 法 研 究 螺旋 轧 制 中 轧件 径 向变 形状 态 `, , ` , , H ay am a { , ,和 S a i t o 〔g ,等 应 用 滑 移线 法 分析 了斜 轧轴类 件 , 梁 义维 用有 限元 法 对 简 化 为 平 面应 变 状 态 的斜 轧球 问题进 行 了分 析`91 . 但 是 , 多数研 究 工作 仅 以轧件 横 截面 内平 面 变形 为 研究 前提 , 没 有考 虑 轴 向变 形 . 螺 旋孔 型 轧制 是使 金属 径 向压缩 、 轴 向和 横 向流 动来成 形 的 , 其 变 形过 程 是十 分 复 杂的三 维 变形 . 特 别是 对 其 内部 疏 松 机 理 的研 究 还 没有 得 到 一 致 的 结 论 . 为 此本 文建 立 了斜轧 零件 的三 维有 限元 分析 模 型 , 通过 有 限元 软件 分 析 , 首次 获 得详 尽 、 直 观 、 定量 的斜 轧零件 的场 变量 分布 规 律 , 提 出了 斜 轧 轧件 内部产 生疏 松 的 原 因 . 1 斜轧 过 程 的有 限 元模 型 采 用 大 型有 限元 软 件 A N S Y S几S一Y N A , 使 用 显 式 算法 计 算轧 制 过程 . 将 在 P or 尼N G IN E E R 中建 立 的几 何模 型 以 IG E S 文件 格 式输 出 , 然后 在 A N s y s 前 处理 器 中读 入 . 假 设 轧辊 为 刚性辊 , 并赋 予 四节 点 S H E L L 163 单 元 , 轧件 采用 八 节 点 六 面体 单元 S O IL D 16 4 , 轧辊 和 轧件 单元 数 总和 一般 在 15 0 0 0一 2 5 0 0 0 之 间 . 在 P l l l 8 6 6 计算 机 上 , 一个 模 拟 方案 的求 解 时 间一 般 为 1 5一 30 h . 以轧 制 阶梯 轴 为例 , 斜 轧 零件 的三 维 有限 元 模 型 , 如 图 1 所 示 . 模 型 由一 个 圆棒 形状 的轧件 和 两个 互相 交叉 的轧 辊组 成 , 参考 坐 标系 取轧件 轴 线方 向为z 向 , 两轧 辊 之 间 的径 向 ( 压 下方 向) 为y 向 , 轧件 横 截面 内与y 向垂 直 的方 向 ( 宽展 方 向 ) 为工 向 . 轧件 材 质 为 45 钢 , 轧制 温度 1 150 ℃ , 二泌 厂 一一 ~ 卜 、 r 公 匕 丫 戈 收稿 日 期 20 03 一2佗 5 杨 海波 男 , 42 岁 , 教授 * 国家 自然科 学基金 重 点资助项 目 ( N o . s o 3 501 0) 图 1 斜 轧零 件三维 有 限元 模型 F ig . l F E M m o d e l o f s ke w or l l e d P i e c e DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2003. 06. 019
564· 北京科技大学学 报 2003年第6期 材料参数选自文献[11]的实测数据.轧件的初始 16x10-4 直径d,为35mm.轧辊基本直径D为176mm.轧 2-5.212x10-3 辊转速n,为30rmin.确定断面收缩率、轧件最终 39.825x10 直径d、轧槽最大宽度l,、凸棱上升率k为斜轧零 4-1.4438×102 1 件成形过程的主要影响参数. 51.905×10-2 图2为一典型阶梯轴轧件的特征截面和特征 6-2.3663×10-2 点示意图.对不同工艺参数所对应的工况，分别 7-2.8275×102 研究：(1)编号为1~11特征截面（如图2(a)所示）在 8-3.2888×102 不同变形程度下的应力应变云图：(2)不同截面中 93.75×10 心点的应力应变的时序变化图：(3)轧件No.4截 (a)断面收缩率为5% 面特征点，如图2(b)所示的应力应变的时序变化 16.77×10- 规律：(4)不同工艺参数对不同截面和特征点场变 26.9175×10-1 量的影响。 37.065×101 4-7.2125×10 (a) (b) 5-7.36×101 67.5075×10 7-7.655×10-1 123 44 567891011 456 8-7.8025×101 图2轧件的特征截面和特征点示意图.(a)No.1-No.11 97.95×10-1 截面位置示意：b)No.0-No.9点位置示意 Fig.2 Sketch maps of typical cross-sections and typical b)断面收缩率为50% points of the part 图3轧件No,4戴面等效应变分布 Fig.3 Equivalent strain distributions in No.4 section of the 2斜轧阶梯轴内部应力应变分布 rolled piece 特征与低周疲劳损伤 中心将产生塑性变形.斜轧过程变形存在明显的 2.1变形分布特征 不均匀性，横截面为非圆截面.在横截面内，偏向 斜轧过程中，轧辊凸棱由低逐渐升高，由窄 轧辊转动入口方向、距表面1/41/3轧件半径处 逐渐变宽.轧件的直径被凸棱由粗逐渐压细，产 形成局部最大等效应变区，图3b)所示最大等效 生径向压缩变形.由于凸棱逐渐展宽，轧件在压 应变为0.795，在中心部位等效应变达到0.677. 细的同时，逐渐被拉长，产生轴向延伸变形.轴向 图4为轧制刚开始时（轧辊旋转5）轧件No.4横 延伸变形是由轧辊凸棱宽度变化决定的.当金属 截面内横向应变e、径向应变6，和剪应变y分布. 受到轴向拉力时，金属将优先向轴向延伸，当金 图5为阶梯轴No.2横截面中心点的各应变 属受到轴向压力时，将阻止轧件的轴向延伸变 分量的时序变化图，研究大量仿真结果后，笔者 形，迫使金属产生横向扩展变形.圆柱形的棒料 发现以下规律：轧件横截面中心点的轴向应变& 在径向压缩时，根据金属的最小阻力定律，一方 一般与应变第一主方向重合；而径向应变ε，和横 面产生轴向延伸变形，同时也产生横向扩展变 向应变ε：则以轧件每转半圈为一个周期，呈现低 形，在轧件变形过程中，轧件变形段的横截面将 周期循环变化. 经历由圆形变成椭圆又逐渐变成圆形的过程. 2,2应力分布特征 图3为断面收缩率分别为5%，50%时，轧件 斜轧刚开始，圆坯旋转角还很小时，坯料表 No.4截面的等效应变分布图.如图可见，斜轧开 层的应力状态是三向压应力，而在坯料中心区呈 始时，轧件在两个轧辊作用下产生应力和变形， 现径向受压、轴向和横向受拉的应力状态，随着 塑性变形首先在接触表面上产生.随着圆坯不断 坯料不断旋转，与轧辊接触表层附近区域的应力 旋转，压缩量在不断增加，塑性变形不断积累和 状态仍为三向压缩应力状态，但是在坯料中心 发展，由接触表面向轧件里面渗透，最终在坯料 区，附加的横向拉应力σ随着坯料的旋转前进以
北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 3 年 第 6期 材 料 参数 选 自文献 【川 的实 测 数据 . 轧件 的初始 直 径 d l为 35 m m . 轧 辊 基本 直 径 D0 为 176 m m . 轧 辊 转速 n : 为 3 0 r/m i n . 确 定 断面 收缩 率梦 、 轧 件最 终 直 径 d , 、 轧 槽 最大 宽 度 I , 、 凸棱 上 升 率 k为斜轧 零 件 成 形 过程 的主 要 影 响参 数 . 图 2 为一 典型 阶梯 轴 轧件 的特 征截 面 和特 征 点示 意 图 . 对 不 同工 艺参 数 所 对应 的工 况 , 分 别 研 究 : ( l) 编 号 为 1一 H 特 征截 面 ( 如 图 2( a) 所示 )在 不 同变 形程 度下 的应 力 应变 云 图 ; (2) 不 同截面 中 心 点 的应 力 应 变 的时 序变 化 图 ; (3) 轧件 N o . 4 截 面特 征 点 , 如 图 2 (b) 所 示 的应 力 应 变 的 时序 变化 规 律 ; (4 )不 同工艺 参数 对 不 同截 面 和特 征 点场 变 量 的 影 响 . 1一币 义 10 一 ` 2一5忍 1 2 x l o 一 3 3一9 . 8 2 5 x l 0 一 3 今一 1 . 44 3 8 义 10 一 Z 5一 1 9 05 K 1 0 一 2 吞一 2 . 3 66 3 x l o 一 2 7 - 2 . 82 7 s x l o 一 2 8一3 ` 28 8 s x l o 一 2 9- 刁 , 7 5 x l 0 一2 (a) 断面 收缩 率 为 5% 一 l 一巧 7 7 -一 一一 一 一 一一 一 2一石 . 9 1 7 5 米 1 0一 3一7 刀6 5 x l 0 一 , ( a ) 卜 · 一 卜 - - ~ 州卜- - 竺 4一 . 7 . 2 12 5 只 1 0 一 , 5一7 . 3 6 x l0 一 1 6 . 7 . 50 7 s x l o 7一7 . 6 5 5 x l 0 一 , 4 5 6 8一 ~ 7名 0 2 s x l o 一 , 图 2 轧件 的特 征 截面 和特 征 点示 意 图 . (a) N .O 1 ~N .o u 截 面位 置 示意 : 伽 N .o 0 ~ N .o , 点位置 示 意 F ig . 2 Ske t c h m a P s o f yt Pi c a l e r o s s 一 s e c it o n s a n d yt Pi c a l P o in t s o f ht e P a rt 9一 目 7乡 s x l o 一 l 2 斜 轧 阶 梯 轴 内部应 力应 变 分 布 特 征 与 低周 疲 劳损 伤 .2 1 变 形分 布 特 征 斜 轧 过 程 中 , 轧 辊 凸 棱 由低逐 渐 升 高 , 由窄 逐 渐 变 宽 . 轧件 的直 径被 凸 棱 由粗 逐 渐 压 细 , 产 生径 向压缩 变 形 . 由于 凸棱 逐渐 展 宽 , 轧件 在 压 细的 同时 , 逐渐 被拉 长 , 产 生轴 向延伸 变 形 . 轴 向 延 伸 变形 是 由 轧辊 凸棱 宽度 变 化决 定 的 . 当金属 受 到 轴 向 拉力 时 , 金 属将 优 先 向轴 向延伸 . 当金 属 受 到轴 向压 力 时 , 将 阻 止 轧 件 的轴 向延 伸 变 形 , 迫 使 金属 产 生 横 向扩 展 变形 . 圆柱 形 的棒 料 在径 向压 缩 时 , 根 据 金 属 的最 小 阻 力定 律 , 一方 面 产 生轴 向延 伸 变 形 , 同时 也 产 生 横 向扩 展 变 形 . 在 轧 件变 形 过 程 中 , 轧 件 变 形段 的横 截 面将 经历 由圆 形 变成 椭 圆 又逐 渐 变 成 圆形 的过 程 . 图 3 为 断面 收 缩率 分 别 为 5% , 5 0% 时 , 轧件 N .o 4 截 面 的等 效应 变百分 布 图 . 如 图可 见 , 斜 轧开 始 时 , 轧件 在 两个 轧 辊 作用 下 产 生应 力 和 变 形 , 塑性 变形 首 先在 接触 表 面 上产 生 . 随 着 圆坯 不 断 旋转 , 压 缩量 在 不 断 增加 , 塑 性 变形 不 断 积 累和 发展 , 由接触 表 面 向轧件 里 面 渗 透 , 最 终 在坯 料 一一一 一—一一 , 一 一一 - ~ (b ) 断 面 收缩 率为 5 0 % 图 3 轧件 N .o 4 截 面等 效应 变分 布 F ig . 3 E q u 扮a le n t s atr i n d is t r 汤u ito n s i n N o · 4 s e e t i o n o f ht e r o l e d P i e e e 中 心将 产 生塑 性变 形 . 斜 轧过 程 变形 存在 明显 的 不 均匀 性 , 横截 面 为非 圆截 面 . 在 横截 面 内 , 偏 向 轧 辊转 动 入 口 方 向 、 距表 面 14/ 一 l 3/ 轧 件 半径 处 形 成局 部最 大等 效应 变否区 , 图 3 (b )所示 最大 等效 应 变百为 .0 7 95 , 在 中 心部 位 等效 应 变百达 到 .0 6 7 . 图 4 为轧 制 刚 开 始 时 ( 轧 辊 旋 转 5 “ ) 轧 件 No . 4 横 截 面 内横 向应 变 ex 、 径 向应变 芍和 剪应 变 入分 布 . 图 5 为 阶梯 轴 N o . 2 横 截 面 中心 点 的 各应 变 分 量 的时 序 变化 图 . 研 究 大量 仿 真 结果 后 , 笔者 发现 以下 规律 : 轧件 横 截 面 中心 点 的轴 向应变 几 一 般 与应 变第 一 主 方 向重合 ; 而径 向应 变 ey 和横 向应 变` 则 以轧件 每 转 半 圈 为一 个周 期 , 呈现 低 周 期循 环 变 化 . .2 2 应 力分 布特征 斜 轧 刚开 始 , 圆坯 旋 转角 还 很 小 时 , 坯料 表 层 的应 力状 态 是三 向压 应 力 , 而在 坯 料 中心 区呈 现 径 向受 压 、 轴 向和 横 向受拉 的应 力状 态 . 随着 坯料 不 断旋 转 , 与 轧辊 接 触表 层 附近 区 域 的应 力 状 态 仍 为三 向压 缩应 力 状 态 , 但 是在 坯 料 中心 区 , 附加 的横 向拉 应 力 ax 随着 坯 料 的旋 转 前进 以
Vol.25 No.6 杨海波等：斜轧零件应力应变特征与内部低周疲劳损伤机制 ·565· 1一1×10 4.8 2-3.75×10 3.2 WWM 3-1.75×103 4-3,125×10 1.6 54.5×103 6-5.875x101 7-7.25x10-’ =.6 8-8.625×103 -3.2 91x10-t 00.51.01.52.0 2.53.0 tis (a)E 图5轧件No2截面中心点应变时序变化曲线 1--1.3×102 Fig.5 Strain history changing at the center in No.2 cross 9 2--1.1325×10 section of the rolled piece 3--9.65×10- 4--7.975×10-’ 80 5--6.3×10 64 6--4.625×10 7--2.95×10 48 8--1.275×10-) i炒g4 9-4×104 32 50E (b)s. 16 1-一-3.6×10-1 2--3.0625×102 0 0.51.01.52.02.53.0 3--2.525×101 tis 4--1.9875×101 图6轧件No,4横截面中心点应力时序变化曲线 5--1.45×10-2 Fig.6 Stress history changing at the center point in No.4 cross section of the rolled piece 6--9.125×10 7--3.75×10-3 160 8-1.625×10-1 % 9一7x10 50 (c)7 图4轧制初始时轧件N04截面内横向应变G、径向应 -80 变e,和剪应变y的分布 Fig.4 Strain distributions in No.4 section of the rolled -160 piece in rolling commencement -240 00.51.01.52.02.53.0 残余应力的形式不断进行积累，不断增加着三个 t/s 方向上的拉应力成分，因此可以认为，在外力作 图7轧件No,4横截面边缘点应力时序变化曲线 用下，残余应力是在不断积累不断消除过程中， Fig.7 Stress history changing at the marginal point in No. 最终导致出现径向拉伸应力0.图6，图7分别表 4 cross section of the rolled piece 示轧件No.4横截面中心点（如图2(b)所示的0 点)、边缘点（如图2(b)所示的3点）的Miss应力 轧制进程递增，但轧件截面边缘点的的平均应力 a,平均应力om和等效应变的时序变化曲线.由 0m基本为压应力， 图6可见，截面中心点的等效应变随轧制进程 横截面内的剪应力，，t皇低周循环变化， (时间)递增，轧件心部平均应力σ始终为拉伸应 如图8所示，发生在No.4横截面内的剪应力t,飞 力，而图7所示，截面边缘点的等效应变同样随 的变化幅度很小，而剪应力，变化幅度较大，从
V b l . 2 5 N o . 6 杨海 波等 : 斜轧 零件应 力 应变特 征 与 内部低周 疲 劳损伤 机制 R2 : 4 八à、 1一 1 x 1 0 一 3 2一 3 7 5 x lo 一 4 3一 1 . 7 5 \ 10 一 J 4 es一 3 . 1 25 x l o 一 J 5 es 4 . 5 火 1 0 一 3 吞 5名 7 5 x l 0 一 , 途 1 . 6 俐 侧 o 7一7 , 2 5 汉 10 一 1 6 8一8 石2 5 x l 0 一3 . 2 9一1 x l o 一 2 ( a ) 易 l一 一 1 3 x l o 2一 一 1 . 1 3 2 5 汉 1 0 图 5 轧件 N o. 2 截 面 中心 点应 变时 序变 化 曲线 F ig . 5 S t r a i n h is t o yr e h a n g in g a t t h e e e n t e r in N o . 2 e r o s s s e c it o n o f t h e r o le d P i e c e 俐侧月卜 只侧ó芝ù 3一 一 9 , 65 x l 0 一 3 闷- 一 7 . 9 7 5 x 10 一3 5一 一 6 3 x 10 一3 6 - 一 4 . 6 2 5 x l 0 3 7 一 一 2 夕s x I O 一 1 8一 一 l . 27 5 x l 0 一 , 9一 4 x l o 一 (b ) 尽 1一 一 3石 x l o 一 2 2一 一 3 . 0 6 2 s x l o 3一 一 2 . 5 2 5 洲 1 0 一 2 4一 一 1 . 9 8 7 5 \ 1 0 一2 5一 一 l . 4 5 x l o 一 2 6一 一 9 . 1 2 5 义 ]O 0 0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0 2 . 5 3 . 0 t / s 图 6 轧件 N .o 4 横 截 面中 心点应 力时序 变化 曲线 F ig . 6 S t esr s h i s t o yr e h a n ig n g a t t h e c e n t e r p o in t in N o · 4 c r o s s s e e t i o n o f t h e or l l e d P i e e e 7一 一 3 7 5 x 1 0 一 3 8一 1 . 6 2 5 x l 0 一 , n CU0 O八`U斗月 1 . 12 9一 7 只 1 0 俐例侧ó芝、只汀 一 3 ( e ) 踢 图 4 轧 制初 始时 轧件 No .4 截 面 内横 向应变 ` 、 径 向应 变芍 和剪应 变冷 的分 布 F ig . 4 S t r a in d is t ibr u t fo n s i n N O · 4 s e c t io n 0 f t h e r o ll e d Pi e c e i n or l li n g c o m ln e n c e ln e n t 残 余应 力 的形式 不 断进行 积 累 , 不断增 加着 三个 方 向上 的拉应 力 成 分 . 因此可 以认 为 , 在 外 力 作 用 下 , 残 余 应 力是 在 不断 积 累不 断消 除过 程 中 , 最 终 导致 出现 径 向拉伸 应 力ay . 图 6 , 图 7 分 别 表 示轧 件 N o . 4 横截 面 中心 点 ( 如 图 2 ( b) 所 示 的 0 点 ) 、 边 缘 点 ( 如 图 2 ( b ) 所 示 的 3 点 ) 的M i s e s 应 力 于 , 平均 应 力氏 和 等效 应变 万的 时序 变 化 曲线 . 由 图 6 可 见 , 截 面 中心 点 的等 效 应变葱随轧 制进 程 ( 时 间) 递 增 , 轧件 心部 平 均应 力几始 终 为拉伸 应 力 . 而 图 7 所 示 , 截 面边 缘 点 的等效 应 变百同样 随 0 0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0 2 . 5 3 . 0 t s/ 图 7 轧件 N .o 4 横 截面 边缘 点 应 力时序 变化 曲线 F i g · 7 S t r e s s b i s t o yr c h a n ig n g a t t h e m a r g i n a l P o i n t in N O · 4 e or s s s e e iot n o f tb e r o ll e d Pic c e 轧 制进程 递 增 , 但 轧件截 面边 缘 点 的的平 均应 力 氏基 本 为 压应 力 . 横截 面 内 的剪应 力场 , 今 , ` 呈低 周循 环变 化 , 如 图 8 所 示 , 发 生在 N .o 4 横截 面 内的剪 应 力xzT , 称 的变化 幅 度 很小 , 而剪 应 力几变 化幅 度 较 大 . 从
·566· 北京科技大学学报 2003年第6期 ,的变化幅度很小这一规律上可以看出：截面 变形由接触表面向内部渗透，最终在坯料中心产 内的轴向应力a的方向与第二主应力一致，截面 生塑性变形.轧件横截面中心点的轴向应变8一 内的点处于近似纯剪切的应力状态 般与该点应变的第一主方向重合：而径向应变6 75 和横向应变ε则以轧件每转半圈为一个周期，呈 50 现低周期循环变化，横截面边缘点的振幅最大， (2)在斜轧零件过程中，各点的正应力分量 35 和剪应力呈低周期循环变化，轧件中心点有时会 处于三向拉伸应力状态.轧件横截面中心区域与 表层附近区域的平均应力σ的差别很大；在表层 附近区域的平均应力o是压缩应力，而在中心区 域的平均应力o却为拉伸应力. -50 0 0.51.01.52.02.5 3.0 (3)斜轧阶梯轴轴心部位较大的累计应变和 t/s 拉伸平均应力是导致内部低周疲劳损伤产生 图8轧件N0,4横截面剪应力时序变化曲线 Mannesmann缺陷的主要因素， Fig.8 Shear stress history changing in No.4 cross section of the rolled piece 参考文献 23轧件内部低周疲劳损伤 1胡正寰.斜轧与楔横轧一原理、工艺及设备M 根据对斜轧20余种工况分析，对斜轧实心坯 北京：冶金工业出版社，1985 2 Vaughan C.Transverse rolling for the production for fin- 中心可能产生疏松和破坏的机理有了新的认识. ished and semi finished components [J].Iron Steel,1969 轧件横截面内不同点（如图2(b)所示）的等 (6):1 效应力ō基本相同，不同点的正应力分量和剪应 3粟野泰吉，落合正男.钢球转造口一北仁加力石转 力呈低周期循环变化.剪应力和正应力反复不断 造力仁℃[】，精密机械，1961,27(2)少：1 变换方向的作用，在一定程度上削弱了金属的强 4川井谦一.转造仁书计石心寸示分布上残留应力场 度. 解析人)7寸口子).塑性加工，1978,19(205)： 低周期循环变化的剪应力可以使金属的这 141 一部分和另一部分彼此间进行滑移，而当剪应力 5 IMaIOB HH,JomyXHHΠM.MCCJIEJOBAHNE IIEΦO PMMP OBAHO COCTOSHHA IIPH BHHT OBOHnC 还未超过材料的断裂强度，也就是还没有把整块 OKATKEC IIOMOLI bOKOPIINHATA IIXCETOK 材料切断时，金属各部分之间还存在一定的联 [J].H3B Bye YepH Mer,1974(11):65 系.而垂直于微裂缝的拉应力使微裂缝两侧的金 6 Skinner K C.Method and apparatus for producing rolled 属迅速离开，加大裂缝面积，对裂缝的形成和发 metal balls from bars or rods [P].United States Patent,No. 展起着重大作用：破裂之所以在中心区域而不在 38378801 表层附近，正是由于在这两个区域的平均应力om 7 Hayama H.Optimum working conditions in the cross-rol- 的差别很大：在表层附近区域尽管塑性变形达到 ling of stepped shaft [J].J Mech Work Technol,1979,17 最大，但该区域的平均应力σm却是压缩应力，在 (3:31 中心区域塑性变形仍然很大，而平均应力σ。却为 8 Saito Y,Higashino T.Stress analysis in plane-strain rotary compression of cylindrical billet [J].J JSTP,1979(18):120 拉伸应力，拉伸的平均应力a促进了裂缝的发生 9梁义维.斜轧216mm铝球及孔型设计与变形规律 和发展，使金属这一部分和另一部分彼此之间完 的研究[D]北京：北京科技大学，1998 全失掉联系，裂缝相连接后最终形成孔腔 10杨海波.零件斜轧成形建模和应力应变特征[A].第 4结论 七届全国塑性加工理论会议一金属塑性成形过 程计算机模拟(CAE)专题会议论文[C).武汉，2002 (1)首次获得详尽、定量的斜轧阶梯轴内部 11周纪华金属塑性变形阻力M.北京：机械工业出 的场变量分布规律；在斜轧过程中，轧件的塑性 版社，1989
5 6 6 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 3 年 第 6期 ` , ` 的 变化 幅 度很 小 这 一规 律 上可 以看 出 : 截 面 内 的轴 向应 力 az 的 方 向与 第 二主 应 力 一致 , 截 面 内 的点 处 于近 似 纯 剪切 的应 力状 态 . 嘛 `J0 工工O , 少ù、 ù,` 只侧白乏火. ō、 ù 屯巧0 0 0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0 2 . 5 3 . 0 t / s 图 8 车L件 N .o 4 横 截面 剪应 力时序 变化 曲线 F ig · 8 S h e a r s t er s s h i s ot 口 e h a n g i n g 10 N o · 4 e or s s s e e it o n o f t h e or l l e d P i e e e 变形 由接触 表面 向 内部 渗透 , 最终 在坯 料 中心产 生 塑性 变 形 . 轧件 横 截 面 中心 点 的轴 向应变 ez 一 般 与该 点 应 变 的第 一主 方 向重 合 ; 而 径 向应 变耳 和横 向应 变凡则 以轧 件每 转 半 圈 为一 个 周期 , 呈 现低 周 期 循 环变 化 , 横截 面 边 缘 点 的振 幅最 大 . (2 ) 在斜 轧零 件 过程 中 , 各 点 的正 应 力分 量 和 剪应 力呈 低 周期 循环 变 化 , 轧件 中心 点有 时会 处 于三 向拉 伸应 力 状态 . 轧件 横截 面 中心 区 域 与 表层 附近 区域 的平均 应 力氏 的差 别 很 大 ; 在表 层 附近 区 域 的平 均 应力 am 是压 缩应 力 , 而 在 中心 区 域 的平 均 应 力 am 却 为 拉伸 应 力 , . (3 ) 斜 轧 阶 梯轴 轴 心 部位较大 的 累 计 应变 和 拉 伸 平 均 应 力 是 导 致 内部 低 周 疲 劳 损 伤 产 生 M a n n e s r 以a n n 缺 陷 的主 要 因 素 . .2 3 车L件 内部 低 周疲 劳损 伤 根 据 对斜 轧 20 余 种工 况 分析 , 对 斜 轧实 心坯 中心 可 能产 生疏 松 和破 坏 的机 理有 了新 的认 识 . 轧件横 截 面 内不 同点 ( 如 图 2 (b) 所 示 ) 的等 效应 力 云基本 相 同 , 不 同 点 的正 应 力分 量 和剪 应 力呈 低 周期 循环 变 化 . 剪应 力 和 正应 力 反复 不断 变 换 方 向的作用 , 在 一定程 度 上 削弱 了金 属 的强 度 . 低 周 期 循环 变 化 的 剪 应 力 可 以使 金 属 的这 一部 分和 另 一部 分 彼此 间进 行 滑移 , 而 当剪应 力 还 未超 过 材料 的断 裂 强度 , 也 就 是还 没有 把整 块 材料 切 断 时 , 金 属 各 部 分 之 间 还存 在 一 定 的联 系 . 而 垂直 于微 裂缝 的拉应 力 使微 裂缝 两 侧 的金 属 迅 速 离 开 , 加 大裂 缝 面 积 , 对 裂 缝 的 形成 和 发 展 起着 重 大作 用 ; 破 裂 之所 以在 中心 区域 而不 在 表 层 附近 , 正是 由于在 这 两个 区域 的平 均 应 力氏 的差别 很 大 : 在表 层 附近 区 域尽 管 塑性 变 形达 到 最 大 , 但 该 区域 的平 均 应 力am 却 是压 缩 应 力 , 在 中心 区 域 塑性 变 形 仍然 很 大 , 而 平均 应 力氏却 为 拉 伸应 力 , 拉 伸 的平 均 应 力几促进 了裂 缝 的发 生 和 发展 , 使 金 属这 一 部分 和 另一 部 分彼 此之 间 完 全 失掉 联 系 , 裂 缝 相 连 接后 最 终 形成 孔 腔 . 4 结 论 ( l) 首 次获 得 详 尽 、 定量 的 斜 轧阶 梯 轴 内部 的场 变 量 分布 规 律 ; 在斜 轧过 程中 , 轧 件 的 塑性 参 考 文 献 1 胡 正寰 . 斜 轧与 楔横 轧— 原 理 、 工 艺及 设 备【M I . 北 京 : 冶 金 工业 出版 社 , 1 9 8 5 2 Va u hg an C . 肠a n s v e r s e r o ll i n g fo r th e P r o d u e ti o n fo r if n - i s h e d an d s e m i if n i s h e d e o m P o n e nst 口] . I or n S t e e l , 19 6 9 (6 ) : l 3 粟野 泰 吉 , 落 合 正男 . 钢球 转 造 口 一 片 仁 加 h 石 转 造 力 l二 ” ` · f [ J ] . 精 密机 械 , 1 9 6 1 , 2 7 ( 2 ) : l 4 川井 谦 一 转 造 忆 打 汁 石 沙 才 办 分 布 七 残 留应 力场 解 析 入 。 , 了 口 头 [ J ] . 塑 性 巴 加工 , 1 9 7 8 , 19 (20 5 ) : 14 1 5 IJ M即o s H H , 几。 月 yx H H fl H . M C C IJ E八O B A H H E 及E中0 PM } I P O B A H O C O C T O 只H 】1月 l P H B M H T O B 0 n fl C O K A T K E C fl 0 M O m 毛 助K O P八M H A T A fl X C E T O K [J} . H 3 B B y e q e P H M盯 , 1 9 7 4 ( 1 1) : 6 5 6 Sk i n n e r K C . M e th o d a n d 叩Par a t u s fo r Por du e i n g r o l l e d m e at l b a l l s for m basr o r r o ds (P l . U n i et d s t aet s P a t e n t , N o . 3 8 3 7 8 8 0 1 7 H ay am a H . 0 Pt im u m w o irk gn c o n d i ti o n s i n ht e c or s s 一r o l - l i n g o f s t e P P e d s h a ft [J ] . J M e e h V入〕 rk eT e hn o l , 19 7 9 , 1 7 ( 3 ) : 3 1 8 S a i t o Y, H ig a s h i n o T . S ter s s an a ly s i s i n Plan e 一 s tr a i n or t恻 e o m Per s s i o n o f e y lin idr e a l b i llet t J] . J JS T P, 19 7 9 ( 18 ) : 12 0 9 梁 义 维 . 斜 轧中ZI . 6 m m 铝 球 及孔 型设 计 与变形 规律 的研 究 [D ] . 北京 : 北 京科 技 大学 , 1 9 9 8 10 杨海 波 . 零件 斜 轧成 形 建模 和应 力应 变特 征 [ A ] . 第 七届 全 国 塑性 加 工 理 论 会议 — 金 属 塑性 成 形过 程 计 算机 模拟 ( C A E ) 专 题会 议 论文 [C] . 武 汉 , 2 0 02 1 周 纪华 . 金属 塑 性变 形 阻力 [M ] . 北京 : 机械 工 业 出 版 社 , 1 9 8 9
Vol.25 No.6 杨海波等：斜轧零件应力应变特征与内部低周疲劳损伤机制 ·567· Characteristic Stress-Strain and Damage Mechanism of Workpiece Due to Low Cycle Fatigue in Skew Rolling YANG Haibo,ZHANG Lijie,MA Guohua,HU Zhenghuan Mechanical Engineering School,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT The 3-dimension finite element models of tool and workpiece in the skew rolling process were built up with ANSYS/LS-DYNA.Computer simulations on the ladder shaft in skew rolling under different parameters were conducted.According to the simulation results,the stress and strain of workpiece in the skew rolling were ob- tained and the forming mechanism of interior defects in the billet were studied.A explanation to the mechanism of Mannesmann effect is that low cycle fatigue damage,in the condition of deformation with large plastic strain,oc- curs inside the workpiece due to the alternately-changing stress and strain. KEY WORDS metal forming;skew rolling;low cycle fatigue;interior defect;simulation $2as父sas望es望as堂as业aorc6童eo管s里Poror堂o里wss堂es理e望ee里o星eoTeo望ee里es望ooFooPoot望Too?ao9eoTeoToo6o堂tos里u7 Tooeo父so望oo堂on望c6 (上接第562页) 3金晓光，刘玉礼，张文志，等.H型钢万能轧制过程 综合实验研究[).重型机械，1998(1)：22 Computer Simulation of Rolling for H Beam WANG Xin",WANG Changsong",YIN Zuoyong,TAO Dengkui",MA Guangting" 1)Mechanical Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Laiwu Iron Steel Incorporation,Laiwu 271104,China ABSTRACT Rolling model of H beam was established through MSC Marc/AutoForge FEA software and rolling process was simulated to solve the defect problem for H beam.The metal flow in rolling process was simulated by thermo-mechanical coupled elastic-plastic element and the pressure distribution on web was given.The simulating results are agreeable with the measureed data. KEY WORDS H beam;rolling;finite element;metal flow
V o l . 5 2 o N . 杨 海波 等 6 : 斜 轧零 件应 力应 变特 征与 内部 低周疲 劳 损伤机 制 7 6 5 h r a C e a t r e i s i t e r S t e 一 s s r S t a i n n a d D m a a g e M e e h n a i s m o f O 认 / r i P k u e e e c D t o L o w C y e l e i g F a t u e i n S k i e ll g n R o w i 改 A b Y H N G o , 2 2去咬八Z G L 扩ie, 几侧 G ou hu a, H 乙了 hZ e 刀 gk ~ M e e h an i e a l Egn in e e r i n g S e h o o l , nU iv e rs ity o f s e i e n e e an d eT e hn o l o gy B e ij i n g , B e ij 雌 10 0 0 8 3 , C h in a A B S T R A C T hT e 3 一 d im e n s i o n if in t e e l e m ent m o d e l s o f t o o l an d w 0 r k Pi e e e i n ht e s k e w r o l l i n g P r o e e s s w e re b u i l t 即 w i t h A N s Y S几s 一 D Y N A . C o卿ut e r s im ul at i o n s o n hte l a dd e r s h a ft i n s k e w r o lli n g un d e r d i fe r e n t p ar am e t e r s w e r e e o n du e t e d . A c e o r d i n g t o ht e s im u lat i o n r e s ul t s , ht e s tr e s s a n d s tr a i n o f w or kP i e e e i n th e s k e w or l l i n g w e er o b - iat en d an d ht e fo mr in g m e e h an i sm o f iin e ir o r d e fe e t s i n ht e b i ll e t w e r e s ut d i e d . A e x P l an at i o n t o t h e m e e h an i s m o f M a n n e s m an e fe e t 1 5 th at l o w cy e l e fat igu e d am ag e , i n th e e o n id t i o n o f d e fo mr at i o n w iht l a gr e P las t i e s atr i n , o e - e usr i n s id e ht e w o r k Pi e e e d u e t o ht e a l t e nr at e ly 一 c h a n g i n g s etr s s a n d s t r a l n · K玉 Y W O R D S m e ta l fo mr i n g ; s k e w r o ll i n g ; l o w e y e l e aft i g u e ; iin e ir o r d e fe c t: s im ul at i on (上 接 第 5 6 2 页 ) 3 金晓 光 , 刘 玉 礼 , 张 文志 , 等 . H 型钢万 能轧 制过 程 综 合实 验研 究 [J] . 重型机 械 , 1 9 98 (:1) 2 C o m P u t e r S im u l a t i o n o f R o lli n g fo r H B e am 恻 N G j 介刀 1), 洲刃 G hC an gs o衅 , I了八 护 uZ 口y o n g l 户, TA 口 eD 矛替饭iz), 舫叼 Gau 月 gt i n犷 夕 l ) M e e h an i e a l E n g i n e e r i n g S e h o o l , U n i v e rs ity o f s e i e n e e an d eT e hn o l o gy B e ij i n g , B e ij ign I 00 0 83 , C h i n a 2 ) L a iwu Ior n & S te e l I n e o rp o 花t jon , L a iwu 2 7 1 10 4 , C h i n a A B S T R A C T R o llign m o d e l o f H b e am w a s e s atb l i s h e d htr o u gh M S C M acr A/ ut 0 F o gr e F E A s o ft w ar e an d r o lli n g P r o c e s s w a s s im u l at e d t o s o l v e hte d e fe e t rP ob l e m of r H b e am . T h e m e t a l fl o w i n or l li n g P r o e e s s w a s s im u lat e d 妙 hte rm o 一 m e e h an i e al e o u P l e d e l a s t i e 一 P l a s t i e e l e m e nt an d t h e P r e s s ure d i s树b ut i o n o n we b aw s g i ve n , hT e s i m u l a t i n g re s u l t s ar e a gr e e a b l e w iht ht e m e as ure e d d a at . K E Y W O R D S H b e am ; r o l l i n g : if n i t e e l e m e in ; m e t a l fl o w
