D0I:10.13374/i.issnl00103x.2010.06.016 第32卷第6期 北京科技大学学报 Vo132 No 6 2010年6月 Journal ofUniversity of Science and Technobgy Bejjing Jun 2010 楔横轧凸轮轴金属流动规律的有限元分析 胡福生王宝雨胡正寰 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要通过有限元仿真楔横轧凸轮轴时在轧件上取跟踪点，跟踪这些点的位置变化情况来揭示轧件内金属的详细流动规 律.因凸轮体小圆端部分在轧制过程中所受模具挤压较小，其金属轴向流动和径向流动较其他变形区小，这种金属流动的不 均匀性会影响轧件成形质量：轧制过程中因凸轮体小圆端与模具上凸轮凹槽产生啮合作用，这一作用降低了模具对凸轮体小 圆端部分的周向扭转力.因此凸轮体小圆端部分的周向扭转相对较小.轧件凸轮体部分为非圆截面，此部分各向金属流动不 均匀，造成凸轮体部分心部金属偏移量比其他部分大. 关键词楔横轧：轴类件：金属流动：有限元法 分类号TG33519 FEM ana lysis on them etal flow rule of cross wedge rolling cam shafts HU Fu sheng WANG Baa yu HU Zheng-huan Schpol ofMechanical Engineerng University of Science and Technokgy Beijing Beijing 100083 Chna ABSTRACT The ru e ofmel flow durng crosswege rolling was studied through FEM analysis n which sone specific pontswere taken in the work piece and their positionswere tracked The squeezing amount of the small round part on the cam is smaller in he course of rolling so he amounts of axial and radialm etal flows n this area are smaller han hose n other depm aton zones Uneven metal fpw can nfluence the fom ng quality of he work piece The small round part on he cam meshes with he cam goove a the tool his k nd ofmesh ng function decreases he circum feren tial prsian applying on he small round part on the ca by the po]and so the amount of cicum ferentalmeal fow n this area is smaller han hat n other defomation xones The cen tre metl ofset of the cam pan is b gger than hat ofoter parts of he work piece because he cross section of the cam is not circular andmetal flow n his area is uneven KEY WORDS cross wedge rolling shafs meal floy fn ite ekmentmethod FEM) 楔横轧是三维连续局部成形的塑性加工过程， 轧件的金属流动做过部分的研究.金属流动规律的 金属流动规律复杂川.对轧件金属流动的研究，早 研究也是带有凸轮截面轴类零件楔横轧成形的一个 期有埋钉法、酸蚀法、简化为二维变形的滑移线 关键问题四，只有了解了整个成形过程中轧件金属 法3、采用蜡泥塑料或软钢为原材料的网格法，以 的详细流动规律，才能对凸轮轴的楔横轧成形机理 及光塑性法[等.这些研究在一定程度上加深了 有明确的认识，正确地进行模具设计，为凸轮轴的楔 对轧件金属流动规律的了解，但要获得更丰富更全 横轧近净成形提供理论参考.本文以DEFORM-3D 面的信息，这些方法都有不可逾越的局限性.近几软件为有限元模拟工具，对整个轧制过程中，凸轮轴 年适合模拟复杂三维塑性成形的有限元方法因计算 各部分金属的轴向、径向和周向流动规律进行相关 机技术的发展日益得到了更多的应用，并体现了强 的数据分析和研究.考虑到轧件的左右对称性，模 大的优势.文献「7-11]采用有限元方法对楔横轧 拟计算时取轧件的12为研究对象. 收稿日期：2009-08-07 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N950675019N950435010):北京市自然科学基金资助项目(N03082013)片国家科技支撑计划资助 项目(N92D06BAD4b3) 作者简介：胡福生(1979-)，男，博士研究生：王宝雨(1964)，男，研究员，博士生导师.Ema型bw题msem
第 32卷 第 6期 2010年 6月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.32 No.6 Jun.2010 楔横轧凸轮轴金属流动规律的有限元分析 胡福生 王宝雨 胡正寰 北京科技大学机械工程学院, 北京 100083 摘 要 通过有限元仿真楔横轧凸轮轴时在轧件上取跟踪点, 跟踪这些点的位置变化情况来揭示轧件内金属的详细流动规 律.因凸轮体小圆端部分在轧制过程中所受模具挤压较小, 其金属轴向流动和径向流动较其他变形区小, 这种金属流动的不 均匀性会影响轧件成形质量;轧制过程中因凸轮体小圆端与模具上凸轮凹槽产生啮合作用, 这一作用降低了模具对凸轮体小 圆端部分的周向扭转力, 因此凸轮体小圆端部分的周向扭转相对较小.轧件凸轮体部分为非圆截面, 此部分各向金属流动不 均匀, 造成凸轮体部分心部金属偏移量比其他部分大. 关键词 楔横轧;轴类件;金属流动;有限元法 分类号 TG335.19 FEM analysisonthemetalflowruleofcrosswedgerollingcamshafts HUFu-sheng, WANGBao-yu, HUZheng-huan SchoolofMechanicalEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China ABSTRACT TheruleofmetalflowduringcrosswedgerollingwasstudiedthroughFEManalysisinwhichsomespecificpointswere takenintheworkpieceandtheirpositionsweretracked.Thesqueezingamountofthesmallroundpartonthecamissmallerinthe courseofrolling, sotheamountsofaxialandradialmetalflowsinthisareaaresmallerthanthoseinotherdeformationzones.Uneven metalflowcaninfluencetheformingqualityoftheworkpiece.Thesmallroundpartonthecammesheswiththecamgrooveonthe tool, thiskindofmeshingfunctiondecreasesthecircumferentialtorsionapplyingonthesmallroundpartonthecambythetool, andso theamountofcircumferentialmetalflowinthisareaissmallerthanthatinotherdeformationzones.Thecentremetaloffsetofthecam partisbiggerthanthatofotherpartsoftheworkpiecebecausethecross-sectionofthecamisnotcircularandmetalflowinthisareais uneven. KEYWORDS crosswedgerolling;shafts;metalflow;finiteelementmethod( FEM) 收稿日期:2009--08--07 基金项目:国家自然科学基金资助项目 ( No.50675019, No.50435010) ;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:胡福生 ( 1979— ), 男, 博士研究生;王宝雨 ( 1964— ), 男, 研究员, 博士生导师, E-mail:bywang@me.ustb.edu.cn 楔横轧是三维连续局部成形的塑性加工过程, 金属流动规律复杂 [ 1] .对轧件金属流动的研究, 早 期有埋钉法 、酸蚀法、简化为二维变形的滑移线 法 [ 2] 、采用蜡泥塑料或软钢为原材料的网格法, 以 及光塑性法 [ 3--6] 等.这些研究在一定程度上加深了 对轧件金属流动规律的了解, 但要获得更丰富更全 面的信息, 这些方法都有不可逾越的局限性.近几 年适合模拟复杂三维塑性成形的有限元方法因计算 机技术的发展日益得到了更多的应用, 并体现了强 大的优势.文献 [ 7--11] 采用有限元方法对楔横轧 轧件的金属流动做过部分的研究 .金属流动规律的 研究也是带有凸轮截面轴类零件楔横轧成形的一个 关键问题 [ 12] , 只有了解了整个成形过程中轧件金属 的详细流动规律, 才能对凸轮轴的楔横轧成形机理 有明确的认识, 正确地进行模具设计, 为凸轮轴的楔 横轧近净成形提供理论参考 .本文以 DEFORM--3D 软件为有限元模拟工具, 对整个轧制过程中, 凸轮轴 各部分金属的轴向 、径向和周向流动规律进行相关 的数据分析和研究 .考虑到轧件的左右对称性, 模 拟计算时取轧件的 1 /2为研究对象 . DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2010.06.016
。798 北京科技大学学报 第32卷 1坯料跟踪点的选取 变化.从图中可以看出，跟踪点被轴向拉长、径向压 缩及周向扭转，且外层金属扭转角度比内层大，特别 为了研究坯料金属在凸轮轴楔横轧成形过程中 是凸轮小圆端的一列点，在接近凸轮体内侧台阶圆 的流动规律，利用DEFORM-3D后处理中的跟踪点 轴上的点被轴向拉长和周向扭转比其他部分严重. 功能进行金属流动的变化跟踪，从而为金属流动规 这是因为在轧制过程中，凸轮小圆端与轧辊接触时， 律的研究提供数据依据和参考.在轧件的原始坯料 轧辊上的凸轮凹槽会对凸轮体产生一个附加扭矩， 上选取25个跟踪截面，与对称面的距离分别为0 导致凸轮体附近扭转现象加剧.图3所示是将C方 2468m四…（跟踪截面间距2m),在每个跟踪 向所有跟踪点取出，拟合成一张曲面.从图中可以 截面上各选取21个跟踪点，如图1所示.其中C方 看出，轧制全过程的扭角大于90°且轧制过程后半 向为成形后凸轮的小圆端指向大圆端方向，D方向 段的扭转比前半段严重.这与轧圆轴时的扭转情况 与C方向垂直且通过轴心. 基本类似. 80 C'2 60 4 D 123456方89i01 8 10 YY 图1跟踪点的选取 F1 Selecticn of track points 6。一00 2跟踪点的位置变化 图2跟踪点的位置变化 Fig 2 Location change of tck points 如图2所示为凸轮轴轧制完成后跟踪点的位置 图3C方向跟踪点扭转精况 F琴3Tosi知conditions of tract ponts in the C direct ion 3轧件各向金属流动规律分析 方向金属流动较C方向均匀，各跟踪点的轴向位移 量关于轴心处跟踪点成对称分布状态，这是由于D 31金属轴向流动规律分析 方向上各跟踪点的分布与凸轮体的对称线成对称分 从图4所示C方向跟踪点轴向位移比较图看 布状态.距轧件表面1%深度处金属轴向流动比其 出，凸轮体两侧圆轴金属轴向流动较大，凸轮体小圆 他部位大，这是由于外表面与模具接触，模具对外表 端部分金属轴向流动较小.这是由于凸轮小圆端在 面金属的流动有一定的阻力作用，导致外层金属位 凸轮成形过程中模具与坯料小圆端的挤压量较小， 移较小.离外表面较近的金属处于排挤的区域，轴 需要向轴向排除的金属量较小，而大圆端与模具的 向流动阻力又相对较小，轴向位移量较大.沿着轴 挤压量较大，需要向轴向排除的金属量较大.在楔 心方向，离轴心处较近的金属区域不属于排挤的区 横轧工艺中，金属是在斜楔作用下向轴向排挤，根据 域。只是在外层金属流动过程中会受到一定的影响， 最小阻力原则，向轴向挤压金属坯料的过程中会造 而产生一定的变形位移，且越靠近轴心这种影响越 成一定的螺旋排挤方式.从图5看出：凸轮轴上D小.料头处因没有金属受到挤压，故料头处所有跟
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 1 坯料跟踪点的选取 为了研究坯料金属在凸轮轴楔横轧成形过程中 的流动规律, 利用 DEFORM--3D后处理中的跟踪点 功能进行金属流动的变化跟踪, 从而为金属流动规 律的研究提供数据依据和参考 .在轧件的原始坯料 上选取 25个跟踪截面, 与对称面的距离分别为 0, 2, 4, 6, 8 mm, … (跟踪截面间距 2 mm), 在每个跟踪 截面上各选取 21个跟踪点, 如图 1所示.其中 C方 向为成形后凸轮的小圆端指向大圆端方向, D方向 与 C方向垂直且通过轴心 . 图 1 跟踪点的选取 Fig.1 Selectionoftrackpoints 2 跟踪点的位置变化 如图 2所示为凸轮轴轧制完成后跟踪点的位置 变化 .从图中可以看出, 跟踪点被轴向拉长、径向压 缩及周向扭转, 且外层金属扭转角度比内层大, 特别 是凸轮小圆端的一列点, 在接近凸轮体内侧台阶圆 轴上的点被轴向拉长和周向扭转比其他部分严重. 这是因为在轧制过程中, 凸轮小圆端与轧辊接触时, 轧辊上的凸轮凹槽会对凸轮体产生一个附加扭矩, 导致凸轮体附近扭转现象加剧 .图 3所示是将 C方 向所有跟踪点取出, 拟合成一张曲面 .从图中可以 看出, 轧制全过程的扭角大于 90°且轧制过程后半 段的扭转比前半段严重 .这与轧圆轴时的扭转情况 基本类似 . 图 2 跟踪点的位置变化 Fig.2 Locationchangeoftrackpoints 图 3 C方向跟踪点扭转情况 Fig.3 TorsionconditionsoftractpointsintheCdirection 3 轧件各向金属流动规律分析 3.1 金属轴向流动规律分析 从图 4 所示 C方向跟踪点轴向位移比较图看 出, 凸轮体两侧圆轴金属轴向流动较大, 凸轮体小圆 端部分金属轴向流动较小 .这是由于凸轮小圆端在 凸轮成形过程中模具与坯料小圆端的挤压量较小, 需要向轴向排除的金属量较小, 而大圆端与模具的 挤压量较大, 需要向轴向排除的金属量较大.在楔 横轧工艺中, 金属是在斜楔作用下向轴向排挤, 根据 最小阻力原则, 向轴向挤压金属坯料的过程中会造 成一定的螺旋排挤方式 .从图 5看出:凸轮轴上 D 方向金属流动较 C方向均匀, 各跟踪点的轴向位移 量关于轴心处跟踪点成对称分布状态, 这是由于 D 方向上各跟踪点的分布与凸轮体的对称线成对称分 布状态.距轧件表面 10%深度处金属轴向流动比其 他部位大, 这是由于外表面与模具接触, 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.料头处因没有金属受到挤压, 故料头处所有跟 · 798·
第6期 胡福生等：楔横轧凸轮轴金属流动规律的有限元分析 799 踪点位移基本相等. 32金属径向流动规律分析 +0mm位置 图6所示为C方向金属径向流动规律.从图中 +2mm位置 可以看出：凸轮轴上圆轴部分的径向位移曲线基本 4mm位置 一6mm位置 重合且对称分布，这是因为对圆轴来讲，不同截面上 +8mm位置 +10m位置 同一轴向上径向压下量基本相等且关于中心对称： →12m位置 -14mm位置 径向压下量从轧件表面到轧件中心逐步减小，且中 一16mm位置 18mm位置 心点的径向压下量为负值，这是由于在凸轮轴的成 +20mm位置 30 。22mm位置 形过程中，上下模具对坯料的径向挤压导致了轴心 -24mm位置 处跟踪点(6点)产生了位置变化，即有一定的径向 →26mm位置 30 +28mm位置 串动.但是，凸轮体部分与圆轴部分不同，从图中可 一30m位置 +32m位置 以看出，凸轮体小圆端径向压下量较小，大圆端径向 -34nm位置 →36mm位置 压下量较大，这是因为凸轮小圆端在与模具上凸轮 +38mm位置 +40m位置 凹槽啮合过程中受到的径向挤压较小，而大圆端则 12345678910ii1-42mm位置 与轧制圆轴时类似，故大圆端径向流动曲线与凸轮 限踪点颗序 +44mm位置 +46mm位置 体两边的圆轴径向流动曲线基本一致.因为料头处 一48mm位置 图4各截面C向跟踪点轴向位移 几乎未受模具挤压，因此料头处径向压下量基本 Fg 4 Axialdisp laoment ofC-direction tack ponts in each section 为零. 图7所示为D方向跟踪点的径向压下量曲线. →0mm位置 从图中看出，D方向径向压下量与轧圆轴时径向压 ·2m位置 -4nm位置 下量曲线基本一致，这是因为D方向纵截面与圆轴 一6mm位置 →8m位置 纵截面相同.从图6和图7看出，距对称面26mm 10mm位置 →12m位置 和28m处两截面上跟踪点径向压下量曲线不同于 一14m位置 16m位置 其他部位曲线，其径向压下量分布于料头和圆轴之 18m位置 间，这是因为料头处圆轴轧齐效果不好所致 20m位置 22m位置 →0m,位置 24m位置 ·2mm位置 26m位置 -4mm位置 +28m位置 6mm位置 30m位置 +8m位置 -32mm位置 +10mm位置 -34m位置 一12mm位置 -14mm 位置 -16mm位置 +40mm位置 02方45678910i-42m位 18m位置 踪点顺序 44mm位置 20mm位置 22mm位置 +46m位置 6 24 mm 一48mm位置 置 26m位置 图5各截面D向跟踪点轴向位移 +28mm位置 Fg5 Axial displacmment ofD-direction track ponts n each sectin 30mm位置 +32mm位置 -34mm位置 在CD方向上，从0m截面到26mm截面，各 +36mm位置 ·38nm位置 点位移量依次递增.这是由于在凸轮轴轧制过程 +40mm位置 ◆42mm位置 中，与对称面距离近的截面上的金属在模具斜楔和 +44nmm位置 1234567891011+46mm位置 项面的共同作用下会被挤压而成形为凸轮轴的一部 服踪点顶序 48m位置 分，从而导致与对称面距离较远的截面上的金属产 图6各截面C向跟踪点径向位移 生额外的位移假设各个截面上的金属本身在模 Fg6 Radial disp lacement of Cdirect ion track points n each section 具作用下的位移量为⑧，则各个截面总的金属位移 量为⑧=⑧十⑧.距离对称面较近的截面的额外位 33金属周向流动规律 移明显小于较远截面的额外位移，所以距离对称面 楔横轧轧制过程对金属的排挤方式为径向压缩 较远处的金属总体位移量要大于距离对称面较近截 和轴向拉伸的螺旋式排挤，而这两个过程都是坯料 面的位移量 在上下模具带动下自身旋转时同步完成的.在这个
第 6期 胡福生等:楔横轧凸轮轴金属流动规律的有限元分析 踪点位移基本相等. 图 4 各截面 C向跟踪点轴向位移 Fig.4 AxialdisplacementofC-directiontrackpointsineachsection 图 5 各截面 D向跟踪点轴向位移 Fig.5 AxialdisplacementofD-directiontrackpointsineachsection 在 C、D方向上, 从 0 mm截面到 26 mm截面, 各 点位移量依次递增 .这是由于在凸轮轴轧制过程 中, 与对称面距离近的截面上的金属在模具斜楔和 顶面的共同作用下会被挤压而成形为凸轮轴的一部 分, 从而导致与对称面距离较远的截面上的金属产 生额外的位移 δ0.假设各个截面上的金属本身在模 具作用下的位移量为 δ1, 则各个截面总的金属位移 量为 δ2 =δ0 +δ1 .距离对称面较近的截面的额外位 移明显小于较远截面的额外位移, 所以距离对称面 较远处的金属总体位移量要大于距离对称面较近截 面的位移量 . 3.2 金属径向流动规律分析 图 6所示为 C方向金属径向流动规律 .从图中 可以看出 :凸轮轴上圆轴部分的径向位移曲线基本 重合且对称分布, 这是因为对圆轴来讲, 不同截面上 同一轴向上径向压下量基本相等且关于中心对称; 径向压下量从轧件表面到轧件中心逐步减小, 且中 心点的径向压下量为负值, 这是由于在凸轮轴的成 形过程中, 上下模具对坯料的径向挤压导致了轴心 处跟踪点 ( 6点 )产生了位置变化, 即有一定的径向 串动 .但是, 凸轮体部分与圆轴部分不同, 从图中可 以看出, 凸轮体小圆端径向压下量较小, 大圆端径向 压下量较大, 这是因为凸轮小圆端在与模具上凸轮 凹槽啮合过程中受到的径向挤压较小, 而大圆端则 与轧制圆轴时类似, 故大圆端径向流动曲线与凸轮 体两边的圆轴径向流动曲线基本一致.因为料头处 几乎未受模具挤压, 因此料头处径向压下量基本 为零 . 图 7所示为 D方向跟踪点的径向压下量曲线. 从图中看出, D方向径向压下量与轧圆轴时径向压 下量曲线基本一致, 这是因为 D方向纵截面与圆轴 纵截面相同.从图 6 和图 7 看出, 距对称面 26 mm 和 28mm处两截面上跟踪点径向压下量曲线不同于 其他部位曲线, 其径向压下量分布于料头和圆轴之 间, 这是因为料头处圆轴轧齐效果不好所致 . 图 6 各截面 C向跟踪点径向位移 Fig.6 RadialdisplacementofC-directiontrackpointsineachsection 3.3 金属周向流动规律 楔横轧轧制过程对金属的排挤方式为径向压缩 和轴向拉伸的螺旋式排挤, 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 · 799·
。800° 北京科技大学学报 第32卷 +0mm位置 14 ◆2mm位置 →0mm位置 +4mm位置 *2mm位置 12 一6mm位置 4mm位置 +8mm位置 -一6mm位置 160 +8mm位置 +10mm位置 10 一 →10mm位置 一12mm位置 一16mm位置 →14m位置 -16mm 位置 18 mm 22mm位量 10 18mm位置 +20mm位置 6 22m位置 24mm位置 →28mm位置 →26mm位置 4 +28mm位置 一30mm位置 一34mm位置 0 一-32mm位置 的一础 -34mm位置 +36mm位置 →40mm位置 0+ +38mm位置 一42mm位置 1234567 8910+40mm位置 +44m位置 跟踪点顺序 +42mm位置 -212寸45678910市+46m位置 +44mm位置 跟踪点顺序 一48mm位置 →46mm位置 48mm位置 图7各截面D向跟踪点径向位移 图8各截面Q向跟踪点周向位移 F7 Radial displacement ofD directin tack points n each section Fg 8 Ciraumferential displacement of C-direc tion track points in each sec tion 过程中，根据旋转理论以及排料方式可以知道，处在 外层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. 一0mm位置 →2mm位置 因为各截面上6点位于轧件轴心线上，故不对各截 160 →4mm位置 一6mm位置 面上6点作周向分析.图8所示为C向金属周向流 140 +8mm位置 *10m位置 动规律曲线.从图中可看出，因受凸轮体影响，C向 120- 巴整 金属周向流动呈非对称状态，距对称面0.2和4m 9 -16mm位置 -18am位置 截面上跟踪点在轧制完成后分布于靠近对称面的圆 20mm位置 22mm位置 轴上，三截面上1~5点扭转角度比7~11点大：这 →24mm位置 →26m位置 是因为模具在轧制凸轮体时模具上的凸轮凹槽和凸 +28mm位置 一30am位置 轮小圆之间有啮合作用，这会产生一个额外扭矩，此 一2mm位置 扭矩加剧了1~5点的扭转.图9所示为D向金属 30 →34mm位置 →36mm位置 周向流动规律曲线.从图中看出，D向金属周向流 +38mm位置 2345678910+40mm位置 动也呈非对称分布状态.越靠近心部，非对称分布状 跟踪点顺序 一蓝 态越明显：这是因为轧制过程一是受到凸轮体上金 →46mm位置 一48mm位置 属非对称流动的影响，二是轧件心部发生了偏移. 图9各截面D向跟踪点周向位移 34轧件心部点偏移规律 Fg 9 Circum ferential dispcement of Ddirection tack ponts in 图10所示为轧件各截面心部偏移量图.从图 each section 中看出：在变形区内，偏移量的总趋势是逐渐变小， 但在圆轴和凸轮体的交界面上，偏移量有突然增大 的现象：这是因为凸轮体轧制是非对称轧制，轧制过 0.8 程中轧制力分布不均匀，会在凸轮体和圆轴的交界 面处产生一个弯矩，造成交界面处中心偏移量较大. 0.4 在非变形区，偏移量的总趋势是逐渐增大：这是因为 0.2 C方向跟踪点在非变形区轴向位移不相等，凸轮大 圆端因排料多而轴向位移较大，小圆端轴向位移较 0片方方79立市市市92才2由2本 各截面顺序 小，排料不均衡会造成料头部弯曲，因此离对称面越 图10轧件各截面心部偏移量 远，非轧制区心部偏移量越大. F10 Cener offset n each section of a workPiece
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 图 7 各截面 D向跟踪点径向位移 Fig.7 RadialdisplacementofD-directiontrackpointsineachsection 过程中, 根据旋转理论以及排料方式可以知道, 处在 外层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 . 因为各截面上 6点位于轧件轴心线上, 故不对各截 面上 6点作周向分析 .图 8所示为 C向金属周向流 动规律曲线 .从图中可看出, 因受凸轮体影响, C向 金属周向流动呈非对称状态, 距对称面 0、2和 4 mm 截面上跟踪点在轧制完成后分布于靠近对称面的圆 轴上, 三截面上 1 ～ 5点扭转角度比 7 ～ 11点大 ;这 是因为模具在轧制凸轮体时模具上的凸轮凹槽和凸 轮小圆之间有啮合作用, 这会产生一个额外扭矩, 此 扭矩加剧了 1 ～ 5点的扭转.图 9所示为 D向金属 周向流动规律曲线.从图中看出, D向金属周向流 动也呈非对称分布状态, 越靠近心部, 非对称分布状 态越明显;这是因为轧制过程一是受到凸轮体上金 属非对称流动的影响, 二是轧件心部发生了偏移. 3.4 轧件心部点偏移规律 图 10所示为轧件各截面心部偏移量图 .从图 中看出 :在变形区内, 偏移量的总趋势是逐渐变小, 但在圆轴和凸轮体的交界面上, 偏移量有突然增大 的现象 ;这是因为凸轮体轧制是非对称轧制, 轧制过 程中轧制力分布不均匀, 会在凸轮体和圆轴的交界 面处产生一个弯矩, 造成交界面处中心偏移量较大 . 在非变形区, 偏移量的总趋势是逐渐增大 ;这是因为 C方向跟踪点在非变形区轴向位移不相等, 凸轮大 圆端因排料多而轴向位移较大, 小圆端轴向位移较 小, 排料不均衡会造成料头部弯曲, 因此离对称面越 图 8 各截面 C向跟踪点周向位移 Fig.8 CircumferentialdisplacementofC-directiontrackpointsin eachsection 图 9 各截面 D向跟踪点周向位移 Fig.9 CircumferentialdisplacementofD-directiontrackpointsin eachsection 远, 非轧制区心部偏移量越大. 图 10 轧件各截面心部偏移量 Fig.10 Centeroffsetineachsectionofaworkpiece · 800·
第6期 胡福生等：楔横轧凸轮轴金属流动规律的有限元分析 ·801° (纪良波.光塑性在楔横轧工步分析中的应用研究[学位论 4结论 文1.南昌南昌大学，200340) [月 Zheng R Zhou TR BaoZ et al Pocessing of Phoxplastic (1)凸轮体两侧圆轴和凸轮体大圆端金属轴向 mages based on neural nework and genetic agoritm J Exp 流动较大，凸轮体小圆端部分金属轴向流动较小，由 Mec42004194片513 于凸轮体小圆端未受楔面挤压，因此造成凸轮体大 (郑荣，周天瑞，包忠诩，等.基于神经网络和遗传算法的光塑 圆端与小圆端金属轴向流动不均衡，这会对凸轮成 性图像处理.实验力学.200419(4)：513) 型质量造成一定影响. [6 RenG LiD P Sun ZG et al Phoxplstic smultion pr3- di ensionalde poma tion in crosswedge rolling J Jilin Un Tedhn (2)因凸轮小圆端和料头部分径向变形量很 o199222(2):86 小，轧件金属的径向流动规律表现为凸轮小圆端部 (任广生，李东平，孙智刚，等.楔横轧三维变形光塑性模拟研 分和料头部分的压下量几乎为零，其他部分与轧制 究.吉林工业大学学报，199222(2片86) 圆轴时金属流动规律类似. [7 Ma ZH Yang C P Hu ZH Studly a effect acors of end con (3)轧件轧制前后发生了较大的周向扭转，且 cavit in cosswedge oolling Fog Stmp Tethnol 2002 27(1} 29 扭转角度成非对称状分布，这是因为轧制凸轮时凸 (马振海，杨翠苹，胡正囊.楔横轧轧件端头凹心影响因素的研 轮体小圆端与模具发生啮合作用，此啮合作用产生 究.锻压技术，200227(1片29) 的扭矩降低了凸轮小圆端部分的周向扭转. [8 Ma ZH Hu ZH Yang C P et al Defmatin charac er ad (4④)轧件中心金属在轧制过程中发生偏移，越 ana psis ofstress and strain during stretching sige for cosswedge 靠近轧制对称面，偏移量越大：并且因为凸轮体是非 rolling JUniv Sci TechnolBeijing 2002 24(3):309 圆截面，造成凸轮体部分心部金属偏移量比其他部 (马振海，胡正囊，杨翠苹，等.楔横轧展宽段的变形特征与应 力应变分析.北京科技大学学报，2002243：309) 分大 I9 Ma Z H The Numerical Smulatin of Basic Couse of the Cross WedgeRolling and theResearch of Defomm at ion ofTem nal Surace 参考文献 of Roll Par[Disserntion.Beijng Universit of Science and 1]Yang CP ZhagK DuH P et a]hfluence of area reduction Technopgy Beijing 2002 45 of pant on metal flov in coss wedge olling China Mech Eng (马振海.楔横轧基本轧制过程的数值模拟及轧件端面变形研 200415(20片1868 究[学位论文].北京：北京科技大学，200245 (杨翠苹，张康生，杜惠萍，等.楔横轧轧件断面收缩率对金 [10 YanH J Lu JP Hu ZH Research an key parameters of die 属流动的影响.中国机械工程，200415(20)：1868) rolling thread shaft in cross wedge rolling Forg Stamp Technol 【】Hu ZH Xu XH ShaDY et a]ThePrncple Techmokgy and 200833(5):98 Eqiment of Cos Rolling and Cross Wedge Rolling Beijng (闫华军，刘晋平，胡正寰.楔横轧梯形螺纹轴模具关键参数 Memlugical hdustoy Press 1985 的研究.锻压技术，200833(5：98) (胡正意，许协和.沙德元.等.斜轧与楔横轧原理、工艺及设 【I刂LiCM Shu X D Hu ZH Feasbility study anmultiweds您coss 备.北京：治金工业出版社，1985) wedge rolling of miway ax es with fnite e kment analysis China 【3引JiL B Warg LJ ZHpu TR eta到The analysis and data po Me4Eng200617(19:2017 cessing of photoplastic ity based on MATIAB J Nanchang Univ (李传民，束学道，胡正寰.楔横轧多楔轧制铁路车轴可行性 Eng Techno]200426(3):19 有限元分析.中国机械工程，200617(19：2017) (纪良波，王丽娟.周天瑞，等.基于MATLAB的光塑性分析及 【12 Zheng ZH Wang BY HuZH Smulation and analysis of cam 数据处理南昌大学学报：工科版，200426(3：19 shaft Prec ise foming by fat tpe cosswedge rolling Fog Stamp 4 JiL B The APplication and Reseath of the CrossWedge Rollng Techno]2009,343):81 Processing wih Phorplastic Am lysis[Disseration.Nanchang (郑振华，王宝雨，胡正寰.凸轮轴板式楔横轧精确成形过程 NanchangUn iversity 2003 40 仿真.锻压技术，2009343：81)
第 6期 胡福生等:楔横轧凸轮轴金属流动规律的有限元分析 4 结论 ( 1) 凸轮体两侧圆轴和凸轮体大圆端金属轴向 流动较大, 凸轮体小圆端部分金属轴向流动较小, 由 于凸轮体小圆端未受楔面挤压, 因此造成凸轮体大 圆端与小圆端金属轴向流动不均衡, 这会对凸轮成 型质量造成一定影响 . ( 2) 因凸轮小圆端和料头部分径向变形量很 小, 轧件金属的径向流动规律表现为凸轮小圆端部 分和料头部分的压下量几乎为零, 其他部分与轧制 圆轴时金属流动规律类似 . ( 3) 轧件轧制前后发生了较大的周向扭转, 且 扭转角度成非对称状分布, 这是因为轧制凸轮时凸 轮体小圆端与模具发生啮合作用, 此啮合作用产生 的扭矩降低了凸轮小圆端部分的周向扭转 . ( 4) 轧件中心金属在轧制过程中发生偏移, 越 靠近轧制对称面, 偏移量越大;并且因为凸轮体是非 圆截面, 造成凸轮体部分心部金属偏移量比其他部 分大. 参 考 文 献 [ 1] YangCP, ZhangKS, DuHP, etal.Influenceofareareduction ofpartonmetalflowincrosswedgerolling.ChinaMechEng, 2004, 15( 20 ):1868 (杨翠苹, 张康生, 杜惠萍, 等.楔横轧轧件断面收缩率对金 属流动的影响.中国机械工程, 2004, 15 ( 20) :1868) [ 2] HuZH, XuXH, ShaDY, etal.ThePrinciple, Technologyand EquipmentofCrossRollingandCrossWedgeRolling.Beijing: MetallurgicalIndustryPress, 1985 (胡正寰, 许协和, 沙德元, 等.斜轧与楔横轧原理、工艺及设 备.北京:冶金工业出版社, 1985) [ 3] JiLB, WangLJ, ZhouTR, etal.TheanalysisanddataprocessingofphotoplasticitybasedonMATLAB.JNanchangUniv EngTechnol, 2004, 26( 3) :19 (纪良波, 王丽娟, 周天瑞, 等.基于 MATLAB的光塑性分析及 数据处理.南昌大学学报:工科版, 2004, 26 ( 3) :19) [ 4] JiLB.TheApplicationandResearchoftheCrossWedgeRolling ProcessingwithPhotoplasticAnalysis[ Dissertation] .Nanchang: NanchangUniversity, 2003:40 (纪良波.光塑性在楔横轧工步分析中的应用研究 [ 学位论 文] .南昌:南昌大学, 2003:40) [ 5] ZhengR, ZhouTR, BaoZX, etal.Processingofphotoplastic imagesbasedonneuralnetworkandgeneticalgorithm.JExp Mech, 2004, 19( 4 ):513 (郑荣, 周天瑞, 包忠诩, 等.基于神经网络和遗传算法的光塑 性图像处理.实验力学, 2004, 19( 4 ):513) [ 6] RenGS, LiDP, SunZG, etal.Photoplasticsimulationfor3- dimensionaldeformationincrosswedgerolling.JJilinUnivTechnol, 1992, 22 ( 2) :86 (任广生, 李东平, 孙智刚, 等.楔横轧三维变形光塑性模拟研 究.吉林工业大学学报, 1992, 22( 2 ):86) [ 7] MaZH, YangCP, HuZH.Studyoneffectfactorsofendconcavityincrosswedgerolling.ForgStampTechnol, 2002, 27 ( 1 ): 29 (马振海, 杨翠苹, 胡正寰.楔横轧轧件端头凹心影响因素的研 究.锻压技术, 2002, 27( 1 ):29) [ 8] MaZH, HuZH, YangCP, etal.Deformationcharacterand analysisofstressandstrainduringstretchingstageforcrosswedge rolling.JUnivSciTechnolBeijing, 2002, 24 ( 3) :309 (马振海, 胡正寰, 杨翠苹, 等.楔横轧展宽段的变形特征与应 力应变分析.北京科技大学学报, 2002, 24( 3 ):309 ) [ 9] MaZH.TheNumericalSimulationofBasicCourseoftheCross WedgeRollingandtheResearchofDeformationofTerminalSurface ofRollParts[ Dissertation] .Beijing:UniversityofScienceand TechnologyBeijing, 2002:45 (马振海.楔横轧基本轧制过程的数值模拟及轧件端面变形研 究[ 学位论文] .北京:北京科技大学, 2002:45) [ 10] YanHJ, LiuJP, HuZH.Researchonkeyparametersofdie rollingthreadshaftincrosswedgerolling.ForgStampTechnol, 2008, 33( 5) :98 (闫华军, 刘晋平,胡正寰.楔横轧梯形螺纹轴模具关键参数 的研究.锻压技术, 2008, 33( 5 ):98) [ 11] LiCM, ShuXD, HuZH.Feasibilitystudyonmulti-wedgecross wedgerollingofrailwayaxleswithfiniteelementanalysis.China MechEng, 2006, 17( 19) :2017 (李传民, 束学道, 胡正寰.楔横轧多楔轧制铁路车轴可行性 有限元分析.中国机械工程, 2006, 17( 19 ):2017) [ 12] ZhengZH, WangBY, HuZH.Simulationandanalysisofcam shaftpreciseformingbyflat-typecrosswedgerolling.ForgStamp Technol, 2009, 34( 3) :81 (郑振华, 王宝雨,胡正寰.凸轮轴板式楔横轧精确成形过程 仿真.锻压技术, 2009, 34( 3 ):81) · 801·