小断面收缩率楔横轧件的变形规律

工程科学学报，第37卷，第6期：777-781,2015年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,No.6:777-781,June 2015 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2015.06.015:http://journals.ustb.edu.cn 小断面收缩率楔横轧件的变形规律 刘文科2，张康生四，杨光”，胡正寰” 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥230088 ☒通信作者，E-mail:zhang.ks@me.ustb.edu.cm 摘要对楔横轧轴类零件的成形过程进行有限元数值模拟与轧制实验.从断面收缩率角度研究了轧件的金属变形特点， 发现小断面收缩率与常规断面收缩率的分界点在35%左右.对比分析了小断面收缩率与常规断面收缩率轧件的金属变形规 律.结果显示：小断面收缩率轧件的主要变形发生在轧件外层附近，而常规断面收缩率轧件的主要变形是在轧件内部：小断 面收缩率轧件比常规断面收缩率轧件存在更大的轴向拉伸不均匀变形，易导致轧件在横截面上呈现出椭圆化， 关键词轴件：楔横轧；金属流动：位移：变形 分类号TG335.19 Deformation rule of light area reduction shafts by cross wedge rolling LIU Wen-ke2》,ZHANG Kang-sheng,YANG Guang》,HU Zheng-huan》 1)School of Mechanical Engineering.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)No.38 Research Institute,China Electronics Technology Group Corporation,Hefei 230088,China Corresponding author,E-mail:zhang.ks@me.ustb.edu.cn ABSTRACT The forming process of shafts by cross wedge rolling (CWR)was presented by numerical simulation and rolling experi- ment.The metal deformation characteristics of rolled pieces were studied from the view of area reduction.It is found that the cut-off point between rolled pieces with light area reduction and conventional area reduction is roughly at 35%.Comparative analysis was mainly focused on the deformation rule of rolled pieces with light area reduction and conventional area reduction.The results show that the main deformation of rolled pieces with light area reduction is near the outer while that with conventional area reduction is inside.A more uneven axial tensile deformation exists in rolled pieces with light area reduction than in rolled pieces with conventional area re- duction,leading to a heavier cross section elliptical deformation in rolled pieces with light area reduction. KEY WORDS shafts;cross wedge rolling;metal flow:displacement:deformation 楔横轧是一种轴类零件成形新工艺，与传统的切过专门研究-刀.然而，在实际应用的阶梯轴类零件中 削和锻造工艺相比，具有生产效率高、节约材料、劳动 也经常会存在一些小台阶的情况，某些零件甚至大部 条件好等优点，被公认是当今先进制造技术的组成 分截面都属于较小的断面收缩率，而目前对于楔横轧 部分1-. 成形较小断面收缩率轴类零件技术的系统研究还相对 楔横轧成形工艺中，断面收缩率少是轴类零件的 较少，尚有一些关键问题亟待分析和解决圆，例如小断 一个重要参数.在一般情况下认为，断面收缩率中在 面收缩率与常规断面收缩率的分界点问题，即断面收 45%~65%时，轧件成形效果最好.过去关于楔横轧 缩率业为多少可以算作是小断面收缩率，一直没有给 的研究工作有很多，大多都集中在这类轴类零件 出较明确的划分：此外，对于小断面收缩率轧件的金属 上B.对于大断面收缩率轴类零件，近年来也有人做 变形特点也还未弄清楚.这些问题的存在一定程度上 收稿日期：2014-03-03 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51075030：“现代交通金属材料与加工技术北京实验室”经费资助项目

工程科学学报，第 37 卷，第 6 期:777--781，2015 年 6 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，No． 6: 777--781，June 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． 06． 015; http: / /journals． ustb． edu． cn 小断面收缩率楔横轧件的变形规律 刘文科1，2) ，张康生1) ，杨 光1) ，胡正寰1) 1) 北京科技大学机械工程学院，北京 100083 2) 中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088  通信作者，E-mail: zhang． ks@ me． ustb． edu． cn 摘 要 对楔横轧轴类零件的成形过程进行有限元数值模拟与轧制实验． 从断面收缩率角度研究了轧件的金属变形特点， 发现小断面收缩率与常规断面收缩率的分界点在 35% 左右． 对比分析了小断面收缩率与常规断面收缩率轧件的金属变形规 律． 结果显示:小断面收缩率轧件的主要变形发生在轧件外层附近，而常规断面收缩率轧件的主要变形是在轧件内部;小断 面收缩率轧件比常规断面收缩率轧件存在更大的轴向拉伸不均匀变形，易导致轧件在横截面上呈现出椭圆化． 关键词 轴件; 楔横轧; 金属流动; 位移; 变形 分类号 TG335. 19 Deformation rule of light area reduction shafts by cross wedge rolling LIU Wen-ke 1，2) ，ZHANG Kang-sheng1) ，YANG Guang1) ，HU Zheng-huan1) 1) School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) No． 38 Research Institute，China Electronics Technology Group Corporation，Hefei 230088，China  Corresponding author，E-mail: zhang． ks@ me． ustb． edu． cn ABSTRACT The forming process of shafts by cross wedge rolling (CWR) was presented by numerical simulation and rolling experi￾ment． The metal deformation characteristics of rolled pieces were studied from the view of area reduction． It is found that the cut-off point between rolled pieces with light area reduction and conventional area reduction is roughly at 35% ． Comparative analysis was mainly focused on the deformation rule of rolled pieces with light area reduction and conventional area reduction． The results show that the main deformation of rolled pieces with light area reduction is near the outer while that with conventional area reduction is inside． A more uneven axial tensile deformation exists in rolled pieces with light area reduction than in rolled pieces with conventional area re￾duction，leading to a heavier cross section elliptical deformation in rolled pieces with light area reduction． KEY WORDS shafts; cross wedge rolling; metal flow; displacement; deformation 收稿日期: 2014--03--03 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51075030); “现代交通金属材料与加工技术北京实验室”经费资助项目 楔横轧是一种轴类零件成形新工艺，与传统的切 削和锻造工艺相比，具有生产效率高、节约材料、劳动 条件好等优点，被公认是当今先进制造技术的组成 部分［1--2］． 楔横轧成形工艺中，断面收缩率 ψ 是轴类零件的 一个重要参数． 在一般情况下认为，断面收缩率 ψ 在 45% ～ 65% 时，轧件成形效果最好． 过去关于楔横轧 的研究 工 作 有 很 多，大 多 都 集 中 在 这 类 轴 类 零 件 上［3--5］． 对于大断面收缩率轴类零件，近年来也有人做 过专门研究［6--7］． 然而，在实际应用的阶梯轴类零件中 也经常会存在一些小台阶的情况，某些零件甚至大部 分截面都属于较小的断面收缩率，而目前对于楔横轧 成形较小断面收缩率轴类零件技术的系统研究还相对 较少，尚有一些关键问题亟待分析和解决［8］，例如小断 面收缩率与常规断面收缩率的分界点问题，即断面收 缩率 ψ 为多少可以算作是小断面收缩率，一直没有给 出较明确的划分;此外，对于小断面收缩率轧件的金属 变形特点也还未弄清楚． 这些问题的存在一定程度上

·778 工程科学学报，第37卷，第6期 制约了小断面收缩率楔横轧轴类产品的广泛应用.在 轧件的材料模型选用分段线性塑性模型.该模型 此背景下，开展对小断面收缩率轴类零件的楔横轧成 是一个非常通用的塑性模型，特别适用于钢材料，其非 形技术研究显得很有必要. 线性特性采用Cowper-Symbols模型.考虑应变率的影 本文试图通过研究楔横轧件的金属流动，对小断 响，其本构方程如下： 面收缩率与常规断面收缩率的分界点进行划分，分析 小断面收缩率轧件的变形规律，为进一步研究其精确 2)=e+()广] (1) 成形提供依据国 式中：o(e)为没有考虑应变率时的屈服应力，MPa: 1模型的建立及特征点选取 e为等效塑性应变：为等效应变速率：C和P为应 变率参数 1.1有限元模型 轧件的材料选择45钢.该材料属于碳素结构钢， 利用Pro/Engineer完成轧辊模具的三维模型设 材料密度p=7800kg·m3,弹性模量E=90GPa,泊松 计，并将其保存为IGES格式，导入到ANSYS/ 比=0.3.材料的应力一应变关系曲线如图2所示. LS-DYNA有限元分析软件中，建立小断面收缩率轴类 其他模拟工艺参数如表1所示 零件的楔横轧有限元模型.该模型由轧辊上、下模具 211.9 和轧件构成，如图1所示. 应变速率 -75.008 -70.007 -65.013 179.2 -60.020 上轧辊 55.027 -50.033 -45.040 40.040 35.050 146.6 -30.060 25.060 轧件 -20.070 -15.000 19.000 下轧辊 114.0 .093 =0.10D0 814 图1楔横轧有限元模型 Fig.1 Finite element model of cross wedge rolling 48.8 0.05000.24950.44900.48500.84801.0470 轧制过程中，由于模具相对于轧件来说塑性变形量 应变 极小，为节约模拟计算时间，选用刚体材料模型.材料密 图2材料应力一应变关系曲线 度p=7800kgm3,弹性模量E=210GPa,泊松比v=0.3. Fig.2 Stress-strain curves of the rolled-piece material 表1模拟工艺参数 Table 1 Process parameters of this simulation 模具直径，D/mm 轧件轧前直径，do/mm 成形角，a/()展宽角，B1() 轧辊转速，n/(r"s1) 轧制温度，T/℃ 500 40 28 5 10 1100 1.2特征点选取 所示为相同模具参数条件下，不同断面收缩率的轧件 如图3(a)所示，在原始坯料上选取平行于坯料对 在各截面上特征点的金属轴向相对位移情况 称横截面的等间距(5mm)的六个特征截面A、B、C、D、 通过对比可以看到：当断面收缩率山较小时，轧 E和F,特征截面A与对称截面之间的距离也为5mm. 件各截面特征点的轴向相对位移均为正值，表明此时 在每个横截面上从轧件中心到表面沿纵向等距选取 外层金属的轴向流动量是大于心部的：随着断面收缩 11个特征点，其具体位置分布如图3(b)所示 率的不断增大，从山=35%开始，靠近对称面的A截面 2模拟结果与讨论 上的特征点的轴向相对位移均出现了负值，也就是说， 此时金属的轴向流动量已经开始小于心部 2.1楔横轧小断面收缩率界限 其次，当断面收缩率较小时，在轧件同一截面内轴 定义轴向相对位移为在相同特征截面上各个特征 向相对位移最大值即流动最快点处于特征点P。点附 点的轴向位移与中心点的轴向位移之间的差值.图4 近位置，而随着断面收缩率的增大，轧件同一截面内轴

工程科学学报，第 37 卷，第 6 期 制约了小断面收缩率楔横轧轴类产品的广泛应用． 在 此背景下，开展对小断面收缩率轴类零件的楔横轧成 形技术研究显得很有必要． 本文试图通过研究楔横轧件的金属流动，对小断 面收缩率与常规断面收缩率的分界点进行划分，分析 小断面收缩率轧件的变形规律，为进一步研究其精确 成形提供依据［9--13］． 1 模型的建立及特征点选取 1. 1 有限元模型 利用 Pro /Engineer 完成轧辊模具的三维模 型 设 计，并 将 其 保 存 为 IGES 格 式，导 入 到 ANSYS / LS-DYNA有限元分析软件中，建立小断面收缩率轴类 零件的楔横轧有限元模型． 该模型由轧辊上、下模具 和轧件构成，如图 1 所示． 图 1 楔横轧有限元模型 Fig． 1 Finite element model of cross wedge rolling 轧制过程中，由于模具相对于轧件来说塑性变形量 极小，为节约模拟计算时间，选用刚体材料模型． 材料密 度 ρ =7800 kg·m－3 ，弹性模量 E =210 GPa，泊松比 v =0. 3． 轧件的材料模型选用分段线性塑性模型． 该模型 是一个非常通用的塑性模型，特别适用于钢材料，其非 线性特性采用 Cowper--Symbols 模型． 考虑应变率的影 响，其本构方程如下［14］: σ(εP eff，ε ·P eff) = σ(εP eff [ ) ( 1 + ε ·P eff ) C 1 ] P ． (1) 式中:σ(εP eff)为没有考虑应变率时的屈服应力，MPa; εP eff为等效塑性应变;ε ·P eff为等效应变速率;C 和 P 为应 变率参数． 轧件的材料选择 45# 钢． 该材料属于碳素结构钢， 材料密度 ρ = 7800 kg·m － 3 ，弹性模量 E = 90 GPa，泊松 比 v = 0. 3． 材料的应力--应变关系曲线如图 2 所示． 其他模拟工艺参数如表 1 所示． 图 2 材料应力--应变关系曲线 Fig． 2 Stress-strain curves of the rolled-piece material 表 1 模拟工艺参数 Table 1 Process parameters of this simulation 模具直径，D/mm 轧件轧前直径，d0 /mm 成形角，α/ (°) 展宽角，β /(°) 轧辊转速，n /(r·s － 1 ) 轧制温度，T /℃ 500 40 28 5 10 1100 1. 2 特征点选取 如图 3(a)所示，在原始坯料上选取平行于坯料对 称横截面的等间距(5 mm)的六个特征截面 A、B、C、D、 E 和 F，特征截面 A 与对称截面之间的距离也为 5 mm． 在每个横截面上从轧件中心到表面沿纵向等距选取 11 个特征点，其具体位置分布如图 3(b)所示． 2 模拟结果与讨论 2. 1 楔横轧小断面收缩率界限 定义轴向相对位移为在相同特征截面上各个特征 点的轴向位移与中心点的轴向位移之间的差值． 图 4 所示为相同模具参数条件下，不同断面收缩率的轧件 在各截面上特征点的金属轴向相对位移情况． 通过对比可以看到:当断面收缩率 ψ 较小时，轧 件各截面特征点的轴向相对位移均为正值，表明此时 外层金属的轴向流动量是大于心部的;随着断面收缩 率的不断增大，从 ψ = 35% 开始，靠近对称面的 A 截面 上的特征点的轴向相对位移均出现了负值，也就是说， 此时金属的轴向流动量已经开始小于心部． 其次，当断面收缩率较小时，在轧件同一截面内轴 向相对位移最大值即流动最快点处于特征点 P8 点附 近位置，而随着断面收缩率的增大，轧件同一截面内轴 ·778·

刘文科等：小断面收缩率楔横轧件的变形规律 ·779 (a) A B C D E F (b) 51%时最大值仅为0.4m左右.这充分说明大致在山= 35%时出现了拐点，即金属的轴向流动在此时达到最大 可以看出：断面收缩率较小的轧件与常规断面收 、 缩率轧件在变形特点上已有了较为显著的差别.对于 断面收缩率较小的轧件，其特点是变形集中于表面，金 属的主要塑性流动发生在轧件偏外层部分：而对于常 AB C DE F 规断面收缩率轧件，其特点是金属主要塑性流动变形 图3特征点位置示意图.(a)横截面选取：(b)各截面特征点 发生于轧件内部.我们以断面收缩率为依据将成形轧 分布 件进行划分.综合以上三个方面的结果分析，建议大 Fig.3 Location sketch of tracking points:(a)selected cross sec- 致可认为山=35%是一个较合理的分界点，即断面收 tions:(b)tracking points 缩率山在35%以下的轧件可界定为小断面收缩率 1.0 (a) -b) 0.8 0.6 08 0.4 0.2 0.2 0 0 P Po P EPPP,P。E,PP,Po 特征点 特征点 8 1.6 14 (d) 8 02 0 0.2 0.2 0.4 PPP2P3P4 PP.P:Ps P。P P。PP2PP4 PP.P PP,Po 特征点 特征点 0.8 0.6 0.6 0.4 0. 0 0.2 -0. -0.4 0.2 -0.6 -0.8 0.4 -1.0 0.6 -12 14 P。PPPPPP P,PPPo 特征点 特征点 图4不同断面收缩率的轧件轴向相对位移.(a)山=9.75%：()业=19%：(c)山=27.75%：(d)山=35%：()山=43.75%：(0出= 51% Fig.4 Axial relative displacement of rolled pieces under different area reductions:(a)=9.75%:(b)=19%(c)=27.75%;(d)= 35%:(e)山=43.75%：(0山=51% 向相对位移的最大值即最大变形位置有逐渐向内部转 轧件 移的趋势，在山=51%时轧件的轴向相对位移最大值 2.2小断面收缩率轧件金属变形规律 即最大变形位置已经转移到了中部特征点P,点附近. 为了更清晰地把握小断面收缩率轧件的金属变形 从图中还可以发现，靠近料头位置的各截面上的特 特点，选择山=19%的小断面收缩率轧件，与业=51% 征点的轴向相对位移最大值呈现出先增大后减小的趋 的常规断面收缩率轧件进行对比分析.如图5所示， 势，在山=9.75%时最大值为0.8mm左右，在山=35%时 在模具参数成形角：为28°、展宽角B为5°及展宽长 最大值达到1.4m左右，随后其数值又开始减小，在业= 度L为80mm条件下，获得小断面收缩率和常规断面

刘文科等: 小断面收缩率楔横轧件的变形规律 图 3 特征点位置示意图． (a) 横截面选取; (b) 各截面特征点 分布 Fig． 3 Location sketch of tracking points: ( a) selected cross sec￾tions; (b) tracking points 图 4 不同断面收缩率的轧件轴向相对位移． (a) ψ = 9. 75% ; (b) ψ = 19% ; (c) ψ = 27. 75% ; (d) ψ = 35% ; (e) ψ = 43. 75% ; ( f) ψ = 51% Fig． 4 Axial relative displacement of rolled pieces under different area reductions: (a) ψ = 9. 75% ; (b) ψ = 19% ; ( c) ψ = 27. 75% ; ( d) ψ = 35% ; (e) ψ = 43. 75% ; (f) ψ = 51% 向相对位移的最大值即最大变形位置有逐渐向内部转 移的趋势，在 ψ = 51% 时轧件的轴向相对位移最大值 即最大变形位置已经转移到了中部特征点 P5点附近． 从图中还可以发现，靠近料头位置的各截面上的特 征点的轴向相对位移最大值呈现出先增大后减小的趋 势，在 ψ =9. 75%时最大值为 0. 8 mm 左右，在 ψ = 35% 时 最大值达到1. 4 mm 左右，随后其数值又开始减小，在 ψ = 51%时最大值仅为0. 4 mm 左右． 这充分说明大致在 ψ = 35%时出现了拐点，即金属的轴向流动在此时达到最大． 可以看出:断面收缩率较小的轧件与常规断面收 缩率轧件在变形特点上已有了较为显著的差别． 对于 断面收缩率较小的轧件，其特点是变形集中于表面，金 属的主要塑性流动发生在轧件偏外层部分;而对于常 规断面收缩率轧件，其特点是金属主要塑性流动变形 发生于轧件内部． 我们以断面收缩率为依据将成形轧 件进行划分． 综合以上三个方面的结果分析，建议大 致可认为 ψ = 35% 是一个较合理的分界点，即断面收 缩率 ψ 在 35% 以下的轧件可界定为小断面收 缩 率 轧件． 2. 2 小断面收缩率轧件金属变形规律 为了更清晰地把握小断面收缩率轧件的金属变形 特点，选择 ψ = 19% 的小断面收缩率轧件，与 ψ = 51% 的常规断面收缩率轧件进行对比分析． 如图 5 所示， 在模具参数成形角 α 为 28°、展宽角 β 为 5°及展宽长 度 L 为 80 mm 条件下，获得小断面收缩率和常规断面 ·779·

780 工程科学学报，第37卷，第6期 收缩率轧件成形时的轴向位移分布比较.可以看出： 件横截面的金属流动不均，同一横截面位置轴向位移 小断面收缩率轧件的压下量小，因此沿轴向的延伸变 数值存在较大差异，而常规断面收缩率轧件横截面金 形量小，表现为轴向位移数值小：而常规断面收缩率轧 属变形均匀，同一横截面位置轴向位移数值基本相当. 件的压下量相对较大，因而沿轴向的延伸变形量较大， 这说明轧件的断面收缩率越小，金属沿轴向的流动差 表现为轴向位移数值也较大.此外，小断面收缩率轧 异性就越明显 位移mm 位移mm (a) -9539 -25124 -8.479 -22.333 -7.419 -19.451 6350 -16.749 -5.299 -13.958 4.240 -11.166 -3.180 8375 -2.120 5.583 -1.06 -2.792 00 图5轴向位移分布.(a)山=19%：(b)山=51% Fig.5 Axial displacement distributions:(a)=19%:(b)=51% 由图4(b)小断面收缩率轧件各截面上特征点的 形，靠近轧件表面区域的轴向位移最大，轧件表面最外 轴向相对位移中可以看出，各截面位置上的特征点的 层略为滞后，中心附近区域轴向位移量则最小.这说 轴向相对位移均为正值。其中，离轧件对称横截面较 明小断面收缩率轧件的轴向金属流动与常规断面收缩 近的横截面A位置上的特征点的轴向相对位移数值较 率轧件相比更困难，难以向外排挤出的金属会随着轧 小，离轧件对称横截面越远，特征点轴向相对位移越 制过程的进行在外层逐渐滞留聚积，到达一定程度时 大，距离对称横截面较远的F截面上的特征点的轴向 导致轧件在横截面上呈现出椭圆化趋势 相对位移最大，数值达到1.15mm左右. 引入椭圆度作为评价指标，考察轧件横截面椭圆 由于小断面收缩率轧件的压下量较小，变形不易 化状况.通过对轧件中心截面最大直径和最小直径进 渗透到心部，造成其轴向变形主要发生在外层附近区 行测量，然后采用椭圆度计算公式，即可计算得出轧件 域，心部的轴向变形很小.从同一横截面上各特征点 的椭圆度四.表2为在相同模具参数下得到的模拟轧 的相对位移看：轧件外层附近的金属轴向流动较大，而 件的椭圆度结果比较.可以看出，与常规断面收缩率 轧件中心附近的金属轴向流动较小：特征点轴向相对 相比，小断面收缩率轧件中心横截面处的椭圆度更大 位移的最大值发生在轧件偏外侧P。点处，而在轧件最 表2模拟轧件的椭圆度比较(a=28°，B=5°，L=80mm) 外层P。点处金属由于受到模具的摩擦作用影响轴向 Table 2 Comparison between the ovalities of simulated rolled pieces 相对位移略有减小 (a=28°，B=5°，L=80mm) 从图4()中常规断面收缩率轧件各截面上特征 最大直径， 最小直径， 椭圆度， 点的轴向相对位移可以看出，此类轧件在变形区的轴 山/% D /mm Duie/mm A/% 向金属流动特点为：离轧件对称横截面较近的A截面 19 36.479 35.291 3.30 位置上的特征点的轴向相对位移均为负值，而横截面 51 27.275 26.870 1.44 B~D上的特征点的轴向相对位移的数值则有正有负， 离轧件对称横截面较远的E和F截面位置上的特征 3 实验验证 点的轴向相对位移均为正值 另外还可以看出，与小断面收缩率轧件相比，常规 在成形角α为28°、展宽角B为5°、展宽长度L为 断面收缩率轧件压下量较大，变形已渗透到心部，轧件 80mm、断面收缩率中分别为19%和51%的模具参数 心部的轴向变形较大，再加上轧件最外层金属受到模 条件下，进行了轧制实验.图6所示为实验模具展开 具摩擦力的阻碍作用，因此表现为在同一横截面上，轧 图.成形的实验轧件横截面照片如图7所示. 件外层特征点的轴向位移要滞后于内部，即主变形区 参照有限元模拟，对实验轧件的椭圆化变形进行 轧件外层特征点的轴向相对位移为负值，最小值为 了比较分析，结果如表3所示.从表中可以看出：小断 -1.2mm. 面收缩率轧件中心横截面处的椭圆度较大，达到 综合比较小断面收缩率轧件和常规断面收缩率轧 2.67%:而常规断面收缩率轧件中心横截面的椭圆度 件的轴向金属变形特点可以发现：小断面收缩率轧件 相对较小，为1.36%.实验数值比较与前文模拟预测 比常规断面收缩率轧件存在更大的轴向拉伸不均匀变 结果大致吻合，验证了模拟结果的可靠性

工程科学学报，第 37 卷，第 6 期 收缩率轧件成形时的轴向位移分布比较． 可以看出: 小断面收缩率轧件的压下量小，因此沿轴向的延伸变 形量小，表现为轴向位移数值小;而常规断面收缩率轧 件的压下量相对较大，因而沿轴向的延伸变形量较大， 表现为轴向位移数值也较大． 此外，小断面收缩率轧 件横截面的金属流动不均，同一横截面位置轴向位移 数值存在较大差异，而常规断面收缩率轧件横截面金 属变形均匀，同一横截面位置轴向位移数值基本相当． 这说明轧件的断面收缩率越小，金属沿轴向的流动差 异性就越明显． 图 5 轴向位移分布． (a) ψ = 19% ; (b) ψ = 51% Fig． 5 Axial displacement distributions: (a) ψ = 19% ; (b) ψ = 51% 由图 4(b)小断面收缩率轧件各截面上特征点的 轴向相对位移中可以看出，各截面位置上的特征点的 轴向相对位移均为正值． 其中，离轧件对称横截面较 近的横截面 A 位置上的特征点的轴向相对位移数值较 小，离轧件对称横截面越远，特征点轴向相对位移越 大，距离对称横截面较远的 F 截面上的特征点的轴向 相对位移最大，数值达到 1. 15 mm 左右． 由于小断面收缩率轧件的压下量较小，变形不易 渗透到心部，造成其轴向变形主要发生在外层附近区 域，心部的轴向变形很小． 从同一横截面上各特征点 的相对位移看:轧件外层附近的金属轴向流动较大，而 轧件中心附近的金属轴向流动较小;特征点轴向相对 位移的最大值发生在轧件偏外侧 P8点处，而在轧件最 外层 P10点处金属由于受到模具的摩擦作用影响轴向 相对位移略有减小． 从图 4(f) 中常规断面收缩率轧件各截面上特征 点的轴向相对位移可以看出，此类轧件在变形区的轴 向金属流动特点为:离轧件对称横截面较近的 A 截面 位置上的特征点的轴向相对位移均为负值，而横截面 B ～ D 上的特征点的轴向相对位移的数值则有正有负， 离轧件对称横截面较远的 E 和 F 截面位置上的特征 点的轴向相对位移均为正值． 另外还可以看出，与小断面收缩率轧件相比，常规 断面收缩率轧件压下量较大，变形已渗透到心部，轧件 心部的轴向变形较大，再加上轧件最外层金属受到模 具摩擦力的阻碍作用，因此表现为在同一横截面上，轧 件外层特征点的轴向位移要滞后于内部，即主变形区 轧件外层特征点的轴向相对位移为负值，最小值为 － 1. 2 mm． 综合比较小断面收缩率轧件和常规断面收缩率轧 件的轴向金属变形特点可以发现:小断面收缩率轧件 比常规断面收缩率轧件存在更大的轴向拉伸不均匀变 形，靠近轧件表面区域的轴向位移最大，轧件表面最外 层略为滞后，中心附近区域轴向位移量则最小． 这说 明小断面收缩率轧件的轴向金属流动与常规断面收缩 率轧件相比更困难，难以向外排挤出的金属会随着轧 制过程的进行在外层逐渐滞留聚积，到达一定程度时 导致轧件在横截面上呈现出椭圆化趋势． 引入椭圆度作为评价指标，考察轧件横截面椭圆 化状况． 通过对轧件中心截面最大直径和最小直径进 行测量，然后采用椭圆度计算公式，即可计算得出轧件 的椭圆度［15］． 表 2 为在相同模具参数下得到的模拟轧 件的椭圆度结果比较． 可以看出，与常规断面收缩率 相比，小断面收缩率轧件中心横截面处的椭圆度更大． 表 2 模拟轧件的椭圆度比较(α = 28°，β = 5°，L = 80 mm) Table 2 Comparison between the ovalities of simulated rolled pieces (α = 28°，β = 5°，L = 80 mm) ψ/% 最大直径， Dmax /mm 最小直径， Dmin /mm 椭圆度， λ/% 19 36. 479 35. 291 3. 30 51 27. 275 26. 870 1. 44 3 实验验证 在成形角 α 为 28°、展宽角 β 为 5°、展宽长度 L 为 80 mm、断面收缩率 ψ 分别为 19% 和 51% 的模具参数 条件下，进行了轧制实验． 图 6 所示为实验模具展开 图． 成形的实验轧件横截面照片如图 7 所示． 参照有限元模拟，对实验轧件的椭圆化变形进行 了比较分析，结果如表 3 所示． 从表中可以看出:小断 面收缩 率 轧 件 中 心 横 截 面 处 的 椭 圆 度 较 大，达 到 2. 67% ;而常规断面收缩率轧件中心横截面的椭圆度 相对较小，为 1. 36 % ． 实验数值比较与前文模拟预测 结果大致吻合，验证了模拟结果的可靠性． ·780·

刘文科等：小断面收缩率楔横轧件的变形规律 ·781· B]Pater Z.Numerical simulation of the cross wedge rolling process including upsetting.JMater Process Technol,1999.92-93:468 4]Dong Y M.Analysis of interfacial slip in cross-wedge rolling:a numerical and phenomenological investigation.Mater Process Technol,2000,97:44 图6轧制实验模具展开图 5]Du H P.Study of the Key Subjects on the Accurate Shaping of Fig.6 Expanded view of the experimental mould Workpiece for Cross Wedge Rolling [Dissertation].Beijing:Univer- sity of Science and Technology Beijing,2006 a b (杜惠萍.楔横轧精确成形关键问题的研究[学位论文].北 京：北京科技大学，2006) [6]Lou Y Z,Zhang K S,Yang C P,et al.Effect of process parameters on axial parts with super large area reduction during twice cross wedge rolling.J Unir Sci Technol Beijing,2008,30(4):432 (娄依志，张康生，杨翠苹，等.工艺参数对楔横轧二次楔轧 制超大断面收缩率轴类件的影响.北京科技大学学报，2008 30(4):432) ]Jia Z,Zhang K S,Yang C P,et al.Forming principle of heavy 图7实验轧件轧后横截面.(a)山=51%：(b)w=19% Fig.7 Cross sections of experimental rolled picces:(a)=51% section shrinkage cross wedge rolling by single wedge.I Unie Sci Technol Beijing,2009,31(8)1046 (b)山=19% (贾震，张康生，杨翠苹，等.楔横轧一次楔大断面收缩率成 表3实验轧件的椭圆度比较(a=28°，B=5°，L=80mm） 形机理.北京科技大学学报，2009,31(8)：1046) Table 3 Comparison between the ovalities of experimental rolled pieces (8] Mahayama J.Set of Cross Wedge Rolling.Changchun:Jilin Uni- (a=28°，B=5°，L=80mm) versity of Technology,1982 (叶山益次啷.楔横轧译文集.长春：吉林工业大学，1982) 最大直径， 最小直径， 椭圆度， 中1% 9] D/mm Din/mm Atasushi D,Tanaka T,Taikichi A.Set of Cross Wedge Rolling A/% Changchun:Jilin University Press of Technology,1982 19 36.68 35.72 2.67 (团野敦，田中利秋，粟野泰吉.楔横轧译文集.长春：吉林工 51 28.24 27.86 1.36 业大学，1982) 1o] Taikichi A,Atasushi D.Set of Cross Wedge Rolling.Chang- chun:Jilin University of Technology,1982 4结论 (粟野泰吉，团野敦.楔横轧译文集.长春：吉林工业大学， (1)以断面收缩率35%为界限，断面收缩率较小 1982) 的轧件与常规断面收缩率轧件在变形特点上有了较为 [11]Yang C P,Zhang K S,Hu Z H,et al.Study on axial deforma- tion of work piece in cross wedge rolling.J Mech Eng,2004,40 显著的差别.将成形轧件以断面收缩率为依据来进行 (9):80 统一划分，建议以山=35%作为较合理的分界点. (杨翠苹，张康生，胡正寰，等.楔横轧轧件轴向变形研究 (2)小断面收缩率轧件的主要变形发生在轧件外层 机械工程学报，2004,40(9)：80) 附近，常规断面收缩率轧件的主要变形是在轧件内部 02] Wang J M,Yu K F,Hu M,et al.Simulation of hollow shafts (3)小断面收缩率轧件比常规断面收缩率轧件存 rolled by cross wedge rolling and regularity of wall thickness 在更大的轴向拉伸不均匀变形，易导致轧件在横截面 change.Hot Work Technol,2008,37(23):73 (汪建敏，余凯飞，胡密，等.空心轴类件楔横轧仿真及壁厚 上呈现出椭圆化 变化规律.热加工工艺，2008,37(23)：73) 03] Yang C P,Zhang K S,Du H P,et al.Influence of area reduc- 参考文献 tion of part on metal flow in cross wedge rolling.China Mech Eng,2004,15(20):1868 Hu Z H,Zhang K S,Wang B Y,et al.Theory and Application of (杨翠苹，张康生，杜惠萍，等.楔横轧轧件断面收缩率对金 Cross Wedge Rolling.Beijing:Metallurgical Industry Press,1996 属流动的影响.中国机械工程，2004,15(20)：1868) (胡正寰，张康生，王宝雨，等.楔横轧理论及应用.北京：治 [14]Hallquist J 0.LS-DYNA Theoretical Manual.Livermore:Liver- 金工业出版社，1996) more Software Technology Corporation,1998 Hu Z H.Zhang KS,Wang B Y,et al.The Forming Technology 15]Liu W K.Theoretical and Experimental Research on Forming Light and Simulation of Parts with Cross Wedge Rolling.Beijing:Metal- Area Reduction Shafis by Cross Wedge Rolling [Dissertation].Bei- lurgical Industry Press,2004 jing:University of Science and Technology Beijing,2013 (胡正襄，张康生，王宝雨，等.横轧零件成形技术与模拟仿 (刘文科.小断面收缩率轴类零件楔横轧成形理论及实验研 真.北京：治金工业出版社，2004) 究[学位论文].北京：北京科技大学，2013)

刘文科等: 小断面收缩率楔横轧件的变形规律 图 6 轧制实验模具展开图 Fig． 6 Expanded view of the experimental mould 图 7 实验轧件轧后横截面． (a) ψ = 51% ; (b) ψ = 19% Fig． 7 Cross sections of experimental rolled pieces: (a) ψ = 51% ; (b) ψ = 19% 表 3 实验轧件的椭圆度比较(α = 28°，β = 5°，L = 80 mm) Table 3 Comparison between the ovalities of experimental rolled pieces (α = 28°，β = 5°，L = 80 mm) ψ/% 最大直径， Dmax /mm 最小直径， Dmin /mm 椭圆度， λ/% 19 36. 68 35. 72 2. 67 51 28. 24 27. 86 1. 36 4 结论 (1) 以断面收缩率 35% 为界限，断面收缩率较小 的轧件与常规断面收缩率轧件在变形特点上有了较为 显著的差别． 将成形轧件以断面收缩率为依据来进行 统一划分，建议以 ψ = 35% 作为较合理的分界点． (2) 小断面收缩率轧件的主要变形发生在轧件外层 附近，常规断面收缩率轧件的主要变形是在轧件内部． (3) 小断面收缩率轧件比常规断面收缩率轧件存 在更大的轴向拉伸不均匀变形，易导致轧件在横截面 上呈现出椭圆化． 参 考 文 献 ［1］ Hu Z H，Zhang K S，Wang B Y，et al． Theory and Application of Cross Wedge Rolling． Beijing: Metallurgical Industry Press，1996 (胡正寰，张康生，王宝雨，等． 楔横轧理论及应用． 北京: 冶 金工业出版社，1996) ［2］ Hu Z H，Zhang K S，Wang B Y，et al． The Forming Technology and Simulation of Parts with Cross Wedge Rolling． Beijing: Metal￾lurgical Industry Press，2004 (胡正寰，张康生，王宝雨，等． 横轧零件成形技术与模拟仿 真． 北京: 冶金工业出版社，2004) ［3］ Pater Z． Numerical simulation of the cross wedge rolling process including upsetting． J Mater Process Technol，1999，92 － 93: 468 ［4］ Dong Y M． Analysis of interfacial slip in cross-wedge rolling: a numerical and phenomenological investigation． J Mater Process Technol，2000，97: 44 ［5］ Du H P． Study of the Key Subjects on the Accurate Shaping of Workpiece for Cross Wedge Rolling［Dissertation］． Beijing: Univer￾sity of Science and Technology Beijing，2006 (杜惠萍． 楔横轧精确成形关键问题的研究［学位论文］． 北 京:北京科技大学，2006) ［6］ Lou Y Z，Zhang K S，Yang C P，et al． Effect of process parameters on axial parts with super large area reduction during twice cross wedge rolling． J Univ Sci Technol Beijing，2008，30(4): 432 (娄依志，张康生，杨翠苹，等． 工艺参数对楔横轧二次楔轧 制超大断面收缩率轴类件的影响． 北京科技大学学报，2008， 30(4): 432) ［7］ Jia Z，Zhang K S，Yang C P，et al． Forming principle of heavy section shrinkage cross wedge rolling by single wedge． J Univ Sci Technol Beijing，2009，31(8): 1046 (贾震，张康生，杨翠苹，等． 楔横轧一次楔大断面收缩率成 形机理． 北京科技大学学报，2009，31(8): 1046) ［8］ Mahayama J． Set of Cross Wedge Rolling． Changchun: Jilin Uni￾versity of Technology，1982 (叶山益次郎． 楔横轧译文集． 长春: 吉林工业大学，1982) ［9］ Atasushi D，Tanaka T，Taikichi A． Set of Cross Wedge Rolling． Changchun: Jilin University Press of Technology，1982 (团野敦，田中利秋，粟野泰吉． 楔横轧译文集． 长春:吉林工 业大学，1982) ［10］ Taikichi A，Atasushi D． Set of Cross Wedge Rolling． Chang￾chun: Jilin University of Technology，1982 (粟野泰吉，团野敦． 楔横轧译文集． 长春:吉林工业大学， 1982) ［11］ Yang C P，Zhang K S，Hu Z H，et al． Study on axial deforma￾tion of work piece in cross wedge rolling． J Mech Eng，2004，40 (9): 80 (杨翠苹，张康生，胡正寰，等． 楔横轧轧件轴向变形研究． 机械工程学报，2004，40(9): 80) ［12］ Wang J M，Yu K F，Hu M，et al． Simulation of hollow shafts rolled by cross wedge rolling and regularity of wall thickness change． Hot Work Technol，2008，37(23): 73 (汪建敏，余凯飞，胡密，等． 空心轴类件楔横轧仿真及壁厚 变化规律． 热加工工艺，2008，37(23): 73) ［13］ Yang C P，Zhang K S，Du H P，et al． Influence of area reduc￾tion of part on metal flow in cross wedge rolling． China Mech Eng，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) ［14］ Hallquist J O． LS-DYNA Theoretical Manual． Livermore: Liver￾more Software Technology Corporation，1998 ［15］ Liu W K． Theoretical and Experimental Research on Forming Light Area Reduction Shafts by Cross Wedge Rolling［Dissertation］． Bei￾jing: University of Science and Technology Beijing，2013 (刘文科． 小断面收缩率轴类零件楔横轧成形理论及实验研 究［学位论文］． 北京: 北京科技大学，2013) ·781·