展宽角对楔横轧一次成形气门毛坯心部缺陷的影响

D0I:10.13374.issn1001-053x.2011.12.013 第33卷第12期 北京科技大学学报 Vol.33 No.12 2011年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2011 展宽角对楔横轧一次成形气门毛坯心部缺陷的影响 王晓飞张康生刘晋平胡正寰 北京科技大学机械工程学院，北京100083 区通信作者，E-mail:feisty@l63.com 摘要以DEFORM-3D6.0软件为有限元模拟工具，模拟了楔横轧一次成形气门毛坯过程，对不同展宽角下轧件中心点的 应力应变场及交变次数进行了研究.在楔横轧H500轧机上进行不同展宽角轧制实验，计算了每个轧件中心孔洞面积，并对其 比较分析.结合有限元模拟和实验结果，揭示了展宽角对心部缺陷的影响规律，即相对较大的展宽角有利于改善心部缺陷. 实验结果表明：中心孔洞面积随展宽角的增大而减小：在其他参数不变的情况下展宽角取8°40有利于改善楔横轧一次成形 气门毛坯心部缺陷. 关键词楔横轧：气门：缺陷：收缩：有限元法 分类号TG335.19 Effect of stretching angle on internal defects in valve roughcasts produced by sin- gle cross wedge rolling WANG Xiao-fei,ZHANG Kang-sheng,LIU Jin-ping,HU Zheng-huan School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:feisty@163.com ABSTRACT The forming process of valve roughcasts by single cross wedge rolling was simulated with finite element software DE- FORM-3D 6.0,focusing on the stress and strain fields and alternating times of rolled pieces at the center point under different stretc- hing angles.Rolling experiments at different stretching angles were done on an H500 rolling mill,and the area of the centre hole was calculated for each rolled piece.The influence of stretching angle on internal defects in rolled pieces was analyzed on the basis of simu- lation and experimental results.It is shown that a relatively larger stretching angle can improve the internal defects.Experimental re- sults show that the area of the centre hole decreases with the stretching angle increasing.The stretching angle of 840is propitious to improve internal defects in valve roughcasts produced single cross wedge rolling when the other parameters are invariable. KEY WORDS cross wedge rolling:valves:defects:shrinkage:finite element method 发动机气门是汽车主要零部件.它的作用是 存在不同缺点，主要有设备投资大、能耗大、模具 向发动机内输入燃料并排出废气，在高压、高温和 寿命短以及对原材料表面质量要求高、废品率高 腐蚀环境中频繁往复运动，承受强烈冲击和刷烈 和生产率低等B-) 摩擦，排气门头部和气门座承受燃气高速吹刷，又 楔横轧是一种轴类零件成形新工艺，以其连续 不易散热，温度可达600~800℃，甚至900℃，同 局部的成形方式，在阶梯轴类件的制造方面显示出 时还要经受高温下侵蚀性介质腐蚀.因而气门应 特殊的优势，与传统锻造、切削工艺相比，具有效率 具有良好的刚度、强度、耐磨性、抗腐蚀性、抗氧化 高3~7倍，节约材料20%~40%，产品精度高、劳 性和导热能力，尤其是高的热强性（持久强度和高 动条件好、模具寿命长和产品成本低等优点，适合于 温疲劳强度)回.传统的气门加工主要方法有电 大批量生产回转类零件毛坯因.利用楔横轧成形气 热镦粗后模锻成形和热挤压成形.这两种方法都 门毛坯这种阶梯轴类件具有工艺上的优势.楔横轧 收稿日期：2010-1202 基金项目：广东省教有部产学研结合项目(2009A090100022:2008B090500165)

第 33 卷 第 12 期 2011 年 12 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 12 Dec． 2011 展宽角对楔横轧一次成形气门毛坯心部缺陷的影响 王晓飞 张康生 刘晋平 胡正寰 北京科技大学机械工程学院，北京 100083 通信作者，E-mail: feisty@ 163． com 摘 要 以 DEFORM--3D 6. 0 软件为有限元模拟工具，模拟了楔横轧一次成形气门毛坯过程，对不同展宽角下轧件中心点的 应力应变场及交变次数进行了研究． 在楔横轧 H500 轧机上进行不同展宽角轧制实验，计算了每个轧件中心孔洞面积，并对其 比较分析． 结合有限元模拟和实验结果，揭示了展宽角对心部缺陷的影响规律，即相对较大的展宽角有利于改善心部缺陷． 实验结果表明: 中心孔洞面积随展宽角的增大而减小; 在其他参数不变的情况下展宽角取 8°40'有利于改善楔横轧一次成形 气门毛坯心部缺陷． 关键词 楔横轧; 气门; 缺陷; 收缩; 有限元法 分类号 TG335. 19 Effect of stretching angle on internal defects in valve roughcasts produced by sin￾gle cross wedge rolling WANG Xiao-fei ，ZHANG Kang-sheng，LIU Jin-ping，HU Zheng-huan School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: feisty@ 163． com ABSTRACT The forming process of valve roughcasts by single cross wedge rolling was simulated with finite element software DE￾FORM-3D 6. 0，focusing on the stress and strain fields and alternating times of rolled pieces at the center point under different stretc￾hing angles． Rolling experiments at different stretching angles were done on an H500 rolling mill，and the area of the centre hole was calculated for each rolled piece． The influence of stretching angle on internal defects in rolled pieces was analyzed on the basis of simu￾lation and experimental results． It is shown that a relatively larger stretching angle can improve the internal defects． Experimental re￾sults show that the area of the centre hole decreases with the stretching angle increasing． The stretching angle of 8°40' is propitious to improve internal defects in valve roughcasts produced single cross wedge rolling when the other parameters are invariable． KEY WORDS cross wedge rolling; valves; defects; shrinkage; finite element method 收稿日期: 2010--12--02 基金项目: 广东省教育部产学研结合项目( 2009A090100022; 2008B090500165) 发动机气门是汽车主要零部件． 它的作用是 向发动机内输入燃料并排出废气，在高压、高温和 腐蚀环境中频繁往复运动，承受强烈冲击和剧烈 摩擦，排气门头部和气门座承受燃气高速吹刷，又 不易散热，温度可达 600 ～ 800 ℃ ，甚至 900 ℃ ，同 时还要经受高温下侵蚀性介质腐蚀． 因而气门应 具有良好的刚度、强度、耐磨性、抗腐蚀性、抗氧化 性和导热能力，尤其是高的热强性( 持久强度和高 温疲劳强度) ［1--2］． 传统的气门加工主要方法有电 热镦粗后模锻成形和热挤压成形． 这两种方法都 存在不同缺点，主要有设备投资大、能耗大、模具 寿命短以及对原材料表面质量要求高、废品率高 和生产率低等［3--5］． 楔横轧是一种轴类零件成形新工艺，以其连续 局部的成形方式，在阶梯轴类件的制造方面显示出 特殊的优势，与传统锻造、切削工艺相比，具有效率 高 3 ～ 7 倍，节约材料 20% ～ 40% ，产品精度高、劳 动条件好、模具寿命长和产品成本低等优点，适合于 大批量生产回转类零件毛坯［6］． 利用楔横轧成形气 门毛坯这种阶梯轴类件具有工艺上的优势． 楔横轧 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.12.013

第12期 王晓飞等：展宽角对楔横轧一次成形气门毛坯心部缺陷的影响 ·1539· 工艺的缺点是轧件易出现心部缺陷团.由于气门材 料及成形形状具有以下特点：(1)高温变形抗力大， 以760℃为例，此温度下Q235钢抗拉强度为86 上轧辊 MPa,气门常用材料5Cr21Mn9Ni4N(简称21-4N) 轧件 为430MPa:(2)楔横轧一次成形气门毛坯断面收缩 下轧辊 率达到71.8%，属于大断面收缩率，材料成形前直 径仅为中16mm,与模具接触换热剧烈：(3)加工后 的气门毛坯轧件属于细长轴类件，长展宽加剧了轧 件心部缺陷.因而气门毛坯轧件相比普通材料轧件 心部缺陷更加严重. 图2楔横轧有限元模型图 Fig.2 Finite element model of cross wedge rolling 楔横轧工艺应用中的一个重要问题就是轧件的 曼乃斯曼缺陷.曼乃斯曼缺陷是轧件内部金属在变 替214N的材料模型.轧制温度T为1150℃，轧辊 形过程中产生缺陷及其发展而形成的孔洞，一般在 直径b500mm,轧辊转速n=8rmin-l.轧辊设置为 轧件的中心部位出现，称为中心开裂，如图1所示. 刚体，轧件设置为刚塑性，划分40000个网格.根据 国内外对楔横轧轧件心部缺陷产生原理，工艺参数 理论与实践，成形角大多为18°≤a≤34°，展宽角大 影响规律等进行了大量研究和总结，并取得一定的 多为4°≤B≤12°，再根据具体断面收缩率本文选取 成就一)，然而还没有涉及如气门毛坯这样集大断 成形角为26°.为了全面研究展宽角对心部缺陷的 面收缩率、长展宽、细直径和材料高温抗拉强度高这 影响规律，结合具体断面收缩率，展宽角在5°与10° 些特征于一体的心部缺陷研究.展宽角B是楔横轧 间均匀取值因.断面收缩率和轧件直径都按照实际 工艺参数中对轧件心部缺陷影响很大的一个因素， 气门毛坯尺寸取值.具体有限元模拟的工艺参数见 选取合适的展宽角参数可以有效减小轧件心部缺 表1.21-2N特殊钢有限元模拟结果见图3. 陷.对此，本文应用有限元数值模拟与实轧实验相 表1有限元模拟的工艺参数 结合的方法分析不同展宽角参数的工况，研究展宽 Table 1 Technological parameter of FEM 角对楔横轧一次成形气门毛坯心部缺陷的影响规 成形角， 断面收缩率，轧件直径， 律，为进一步探索楔横轧一次成形气门毛坯心部缺 展宽角，B a/() 山/% do/mm 陷机理及模具设计和工艺参数确定提供理论依据 540,640,740, 26 71.8 16 840°，940 图3有限元模拟结果 图1楔横轧轧件心部缺陷 Fig.3 Result of finite element simulation Fig.I Internal defect of cross wedge rolled pieces 2 展宽角B对心部缺陷的影响规律 1轧件心部缺陷影响规律的数值模拟 楔横轧属于大塑性变形，变形状态是复杂的三 数值模拟模型采用热力耦合模型，轧辊与轧件 维应力应变状态，在轧件内部具有压缩、拉伸、弯曲 的有限元模型如图2所示.两个带楔形模具的轧 和剪切等变形方式，同时轧件变形和受力又具有交 辊，以相同的方向旋转并带动圆形轧件旋转，轧件在 变的特点，使得其变形方式很复杂.根据前人对楔 楔形孔型的作用下，轧制成各种形状的阶梯轴.考 横轧心部缺陷的研究成果：轧件的中心破裂是由于 虑到结构的对称性，取模型的1/2进行计算，施加对 轧件对称横截面心部上变形较大，大的剪应变存在， 称面约束 使金属晶粒反复被大幅度滑移，形成韧性破坏的必 本文研究的气门材料是21-4N,DEFORM--3D 要条件：大的横向拉应力促使微观裂纹发展为宏观 6.0的材料库中未定义21-4N这种材料，但存在21一 断裂，并扩展成孔腔，是破坏形成的充分条件：静水 2N.21-2N与21-4N在化学成分上差别不大，力学 压力对心部破坏起重要作用，负的静水压力（正的 性能也有很大相似性，因而用21-2N材料模型来代 平均应力)降低材料塑性，易导致断裂发生：横截

第 12 期 王晓飞等: 展宽角对楔横轧一次成形气门毛坯心部缺陷的影响 工艺的缺点是轧件易出现心部缺陷［7］． 由于气门材 料及成形形状具有以下特点: ( 1) 高温变形抗力大， 以 760 ℃ 为例，此 温 度 下 Q235 钢 抗 拉 强 度 为 86 MPa，气门常用材料 5Cr21Mn9Ni4N ( 简称 21--4N) 为 430 MPa; ( 2) 楔横轧一次成形气门毛坯断面收缩 率达到 71. 8% ，属于大断面收缩率，材料成形前直 径仅为 16 mm，与模具接触换热剧烈; ( 3) 加工后 的气门毛坯轧件属于细长轴类件，长展宽加剧了轧 件心部缺陷． 因而气门毛坯轧件相比普通材料轧件 心部缺陷更加严重． 楔横轧工艺应用中的一个重要问题就是轧件的 曼乃斯曼缺陷． 曼乃斯曼缺陷是轧件内部金属在变 形过程中产生缺陷及其发展而形成的孔洞，一般在 轧件的中心部位出现，称为中心开裂，如图 1 所示． 国内外对楔横轧轧件心部缺陷产生原理，工艺参数 影响规律等进行了大量研究和总结，并取得一定的 成就［8--13］，然而还没有涉及如气门毛坯这样集大断 面收缩率、长展宽、细直径和材料高温抗拉强度高这 些特征于一体的心部缺陷研究． 展宽角 β 是楔横轧 工艺参数中对轧件心部缺陷影响很大的一个因素， 选取合适的展宽角参数可以有效减小轧件心部缺 陷． 对此，本文应用有限元数值模拟与实轧实验相 结合的方法分析不同展宽角参数的工况，研究展宽 角对楔横轧一次成形气门毛坯心部缺陷的影响规 律，为进一步探索楔横轧一次成形气门毛坯心部缺 陷机理及模具设计和工艺参数确定提供理论依据． 图 1 楔横轧轧件心部缺陷 Fig． 1 Internal defect of cross wedge rolled pieces 1 轧件心部缺陷影响规律的数值模拟 数值模拟模型采用热力耦合模型，轧辊与轧件 的有限元模型如图 2 所示． 两个带楔形模具的轧 辊，以相同的方向旋转并带动圆形轧件旋转，轧件在 楔形孔型的作用下，轧制成各种形状的阶梯轴． 考 虑到结构的对称性，取模型的 1 /2 进行计算，施加对 称面约束． 本文研究的气门材料是 21--4N，DEFORM--3D 6. 0 的材料库中未定义 21--4N 这种材料，但存在 21-- 2N． 21--2N 与 21--4N 在化学成分上差别不大，力学 性能也有很大相似性，因而用 21--2N 材料模型来代 图 2 楔横轧有限元模型图 Fig． 2 Finite element model of cross wedge rolling 替 21--4N 的材料模型． 轧制温度 T 为 1 150 ℃，轧辊 直径 500 mm，轧辊转速 n = 8 r·min － 1 ． 轧辊设置为 刚体，轧件设置为刚塑性，划分 40 000 个网格． 根据 理论与实践，成形角大多为 18°≤α≤34°，展宽角大 多为 4°≤β≤12°，再根据具体断面收缩率本文选取 成形角为 26°． 为了全面研究展宽角对心部缺陷的 影响规律，结合具体断面收缩率，展宽角在 5°与 10° 间均匀取值［6］． 断面收缩率和轧件直径都按照实际 气门毛坯尺寸取值． 具体有限元模拟的工艺参数见 表 1． 21--2N 特殊钢有限元模拟结果见图 3． 表 1 有限元模拟的工艺参数 Table 1 Technological parameter of FEM 成形角， α/( °) 展宽角，β 断面收缩率， ψ/% 轧件直径， d0 /mm 26 5°40'，6°40'，7°40'， 8°40'，9°40' 71. 8 16 图 3 有限元模拟结果 Fig． 3 Result of finite element simulation 2 展宽角 β 对心部缺陷的影响规律 楔横轧属于大塑性变形，变形状态是复杂的三 维应力应变状态，在轧件内部具有压缩、拉伸、弯曲 和剪切等变形方式，同时轧件变形和受力又具有交 变的特点，使得其变形方式很复杂． 根据前人对楔 横轧心部缺陷的研究成果: 轧件的中心破裂是由于 轧件对称横截面心部上变形较大，大的剪应变存在， 使金属晶粒反复被大幅度滑移，形成韧性破坏的必 要条件; 大的横向拉应力促使微观裂纹发展为宏观 断裂，并扩展成孔腔，是破坏形成的充分条件; 静水 压力对心部破坏起重要作用，负的静水压力( 正的 平均应力) 降低材料塑性，易导致断裂发生［6］; 横截 ·1539·

·1540 北京科技大学学报 第33卷 面变形期间受到剪应力和剪应变发生的交变次数也 踪点P,在不同展宽角的横向应力σx、平均应力σm、 与心部破坏程度有关，交变次数越多，越容易造成轧 最大剪应力T和最大剪应变yx,如图5所示. 件心部缺陷可.因此本文通过分析不同展宽角下轧 由图5可见：随着展宽角B的增大，中心点的横 件中心点横向应力σx、平均应力σ、最大剪应力 向应力、平均应力值在楔入段逐渐减小但幅度不大， Tmx最大剪应变yam和交变次数这几个参数(XY面 而在展宽段明显逐渐减小：最大剪应力、最大剪应变 为对称横截面，X向为横向，Y向为纵向，Z向为轴 值整个轧制阶段逐渐减小但幅度不大.说明四个参 向)，揭示展宽角对楔横轧一次成形气门毛坯心部 数中受展宽角变化影响最大的是横向应力和平均应 缺陷的影响规律 力，受展宽角变化影响最大的阶段是展宽段.横向 DEFORM-3D6.0后处理器具有跟踪点功能， 拉应力及静水压力的存在对轧件心部孔腔的形成与 可以跟踪轧件上某点的应力、应变、位移和速度等变 发展有重大影响，它们的大小直接决定轧件心部缺 化.在轧件的原始坯料中心截面上选取两个跟踪 陷的程度.在最大剪应力及最大剪应变变化幅度不 点.选取的跟踪点如图4所示. 大的情况下，横向应力越小及静水压力越大（平均 应力越小)越有利于改善轧件心部缺陷，因此相对 较大的展宽角有利于改善心部缺陷.从图中看，展 宽角取8°40和9°40时应力应变整体值相差不大， 但940时应力应变值波动幅度较大，不稳定.综合 来看，展宽角取840中心点的横向应力、平均应力、 图4轧件跟踪点的选取 Fig.4 Trace points of a rolled piece 最大剪应力和最大剪应变值更小且整体走势相对 平稳. 2.1不同展宽角B下跟踪点的应力应变场 2.2交变次数对心部缺陷的影响规律 为清晰把握不同展宽角下轧件心部质量规律特 在楔横轧轧制过程中，轧件每旋转一周，轧 点，将表1中工况进行有限元数值模拟，得到中心跟 件心部单元的任一方位都会经历两轮应力循环， 160r 120r a 140 100 120 100 40 40 -.-640 -.-5940 -·-740 0 -.-6040 -,-840 -740 --9°40 20 =*=8940 40 =。-940 000.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0 -002040608101214161820 轧制时间/s 轧制时间⅓ 100 0.6 d 0.5 -*-540 --540 60 -·-640 0.4 -·-6940 --740 --740 --840 --9°40 0.3 --840 0 -·-9°40 0.2 20 01 全空由中待 00.20.40.60.81.0121.41.61.82.0 00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0 轧制时间 轧制时间 图5不同展宽角下P,点应力应变值对比(a=26°，山=71.8%，T=1150℃).(a)横向拉应力：(b)平均应力：(c)最大剪应力：(d)最大剪 应变 Fig.5 Stress and strain of Point P at different stretching angles (a=26,=71.8%,T=1150 C):(a)transverse tensile stress:(b)mean stress:(c)maximum shear stress:(d)maximum shear strain

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 面变形期间受到剪应力和剪应变发生的交变次数也 与心部破坏程度有关，交变次数越多，越容易造成轧 件心部缺陷［9］． 因此本文通过分析不同展宽角下轧 件中心点横向应力 σX、平均应力 σm、最大剪应力 τmax、最大剪应变 γmax和交变次数这几个参数( XY 面 为对称横截面，X 向为横向，Y 向为纵向，Z 向为轴 向) ，揭示展宽角对楔横轧一次成形气门毛坯心部 缺陷的影响规律． DEFORM--3D 6. 0 后处理器具有跟踪点功能， 可以跟踪轧件上某点的应力、应变、位移和速度等变 化． 在轧件的原始坯料中心截面上选取两个跟踪 点． 选取的跟踪点如图 4 所示． 图 4 轧件跟踪点的选取 Fig． 4 Trace points of a rolled piece 图 5 不同展宽角下 P1点应力应变值对比( α = 26°，ψ = 71. 8% ，T = 1150 ℃ ) . ( a) 横向拉应力; ( b) 平均应力; ( c) 最大剪应力; ( d) 最大剪 应变 Fig． 5 Stress and strain of Point P1 at different stretching angles ( α = 26°，ψ = 71. 8% ，T = 1 150 ℃ ) : ( a) transverse tensile stress; ( b) mean stress; ( c) maximum shear stress; ( d) maximum shear strain 2. 1 不同展宽角 β 下跟踪点的应力应变场 为清晰把握不同展宽角下轧件心部质量规律特 点，将表 1 中工况进行有限元数值模拟，得到中心跟 踪点 P1在不同展宽角的横向应力 σX、平均应力 σm、 最大剪应力 τmax和最大剪应变 γmax，如图 5 所示． 由图 5 可见: 随着展宽角 β 的增大，中心点的横 向应力、平均应力值在楔入段逐渐减小但幅度不大， 而在展宽段明显逐渐减小; 最大剪应力、最大剪应变 值整个轧制阶段逐渐减小但幅度不大． 说明四个参 数中受展宽角变化影响最大的是横向应力和平均应 力，受展宽角变化影响最大的阶段是展宽段． 横向 拉应力及静水压力的存在对轧件心部孔腔的形成与 发展有重大影响，它们的大小直接决定轧件心部缺 陷的程度． 在最大剪应力及最大剪应变变化幅度不 大的情况下，横向应力越小及静水压力越大( 平均 应力越小) 越有利于改善轧件心部缺陷，因此相对 较大的展宽角有利于改善心部缺陷． 从图中看，展 宽角取 8°40'和 9°40'时应力应变整体值相差不大， 但 9°40'时应力应变值波动幅度较大，不稳定． 综合 来看，展宽角取 8°40'中心点的横向应力、平均应力、 最大剪应力和最大剪应变值更小且整体走势相对 平稳． 2. 2 交变次数对心部缺陷的影响规律 在楔横轧 轧 制 过 程 中，轧 件 每 旋 转 一 周，轧 件心部单元的任一方位都会经历两轮应力循环， ·1540·

第12期 王晓飞等：展宽角对楔横轧一次成形气门毛坯心部缺陷的影响 ·1541· 改变四次，交变两次.这种循环拉压应力是导致 3 楔横轧排气门制坯实验 内部裂纹产生的一个主要原因.交变次数越大， 发生疏松的趋势越大，且在大断面收缩率的情况 3.1实验方案 下，影响更明显.基于此交变性，本文研究了不同 为了进一步研究楔横轧心部质量状况，设计了 展宽角下轧件不同轧制阶段P点所受到的交变 一系列实验，通过对实验所得轧件的质量对比和分 次数. 析，最终得到比较理想的展宽角工艺参数.本实验 轧件中心截面1/2半径处也就是图4中的P2 轧件初始直径为16mm,轧后直径为8.5mm,轧件被 点的应力交变特征比较明显，尤其是第一主应力在 轧长度即模具展宽长度统一为130mm,轧件材料为 多数轧制情况下都显示了循环变化的特征.P,点部 214N钢，采用H500楔横轧机，模具顶圆直径为 分第一主应力追踪图如图6所示.从图6中可以明 500mm.实验选取5°40、6°40'、7°40和8°40这四 显看到P,点第一主应力的交变特征.以此应力循环 个不同展宽角进行了四组实验，其他实验参数与有 变化特征为基础，可以计算出交变周期，则整个轧制 限元模拟的参数相同具体见表1.试验共轧制成功 过程中的交变次数=轧制时间/交变周期.不同展 了40余件轧件.实验所得部分轧件形貌如图8 宽角下P,点受到的交变次数与P,点相同，由此可得 所示. 到不同展宽角下P,点所受到的交变次数，具体如图 7所示. L50 100 0 图8轧制实验部分轧件 0.1 020.30.40.5 Fig.8 Some rolled pieces obtained by rolling experiment 轧制时间s 3.2实验结果 图6P2点第一主应力(B=540) 为了分析轧件心部缺陷情况，选取轧件12处 Fig.6 Major principal stress of Point P(B=540) 横截面，分别对应上面模拟分析中P,点轧制完成后 30 所在横截面.截取试样，每组取试样六件共24件. 对试样截面在砂纸上打磨并在抛光机上进行抛光处 25 理，图9所示为轧件打磨抛光后的试样，并用相机进 20 行中心孔洞图片采集.运用PCCAD2007软件的计 算面积功能，具体是把孔洞图片按同比例在PC- 15 CAD2007软件里放大，用样条曲线勾勒出孔洞轮廓 再利用计算面积功能计算孔洞轮廓的面积，如图10 10 7 8 10 所示.笔者分别计算不同展宽角下轧件不同横截面 展宽角() 的中心孔洞面积并取平均值，以此为依据选取最优 图7不同展宽角下P点受到的交变次数 展宽角参数，所得轧件的中心孔洞平均面积见表2. Fig.7 Alterating times of Point P at different stretching angles 从实验分析结果看，随展宽角的增加，中心最大孔洞 从图7中可以看到，随着展宽角B增大，P,点所 面积减小，相对较大的展宽角有利于改善轧件心部 受到的交变次数相应减小，减小的幅度逐步降低 缺陷.实验分析结果与模拟后应力应变场及交变次 交变次数越小，心部应力积累时间越短，横向应力、 数的分析结果一致 平均应力、最大剪应力和最大剪应变值也相应减小. 4展宽角影响轧件心部缺陷的原理分析 因而从交变次数来看，相对较大的展宽角更能避免 轧件产生心部缺陷. 楔横轧轧制过程主要为轧件在模具带动下旋转

第 12 期 王晓飞等: 展宽角对楔横轧一次成形气门毛坯心部缺陷的影响 改变四次，交变两次． 这种循环拉压应力是导致 内部裂纹产生的一个主要原因． 交变次数越大， 发生疏松的趋势越大，且在大断面收缩率的情况 下，影响更明显． 基于此交变性，本文研究了不同 展宽角下轧件不同轧制阶段 P1 点所受到的交变 次数． 轧件中心截面 1 /2 半径处也就是图 4 中的 P2 点的应力交变特征比较明显，尤其是第一主应力在 多数轧制情况下都显示了循环变化的特征． P2点部 分第一主应力追踪图如图 6 所示． 从图 6 中可以明 显看到 P2点第一主应力的交变特征． 以此应力循环 变化特征为基础，可以计算出交变周期，则整个轧制 过程中的交变次数 = 轧制时间/交变周期． 不同展 宽角下 P1点受到的交变次数与 P2点相同，由此可得 到不同展宽角下 P1点所受到的交变次数，具体如图 7 所示． 图 6 P2点第一主应力( β = 5°40') Fig． 6 Major principal stress of Point P2 ( β = 5°40') 图 7 不同展宽角下 P1点受到的交变次数 Fig． 7 Alternating times of Point P1 at different stretching angles 从图 7 中可以看到，随着展宽角 β 增大，P1点所 受到的交变次数相应减小，减小的幅度逐步降低． 交变次数越小，心部应力积累时间越短，横向应力、 平均应力、最大剪应力和最大剪应变值也相应减小． 因而从交变次数来看，相对较大的展宽角更能避免 轧件产生心部缺陷． 3 楔横轧排气门制坯实验 3. 1 实验方案 为了进一步研究楔横轧心部质量状况，设计了 一系列实验，通过对实验所得轧件的质量对比和分 析，最终得到比较理想的展宽角工艺参数． 本实验 轧件初始直径为 16 mm，轧后直径为 8. 5 mm，轧件被 轧长度即模具展宽长度统一为 130 mm，轧件材料为 21--4N 钢，采用 H500 楔横轧机，模具顶圆直径为 500 mm． 实验选取 5°40'、6°40'、7°40'和 8°40'这四 个不同展宽角进行了四组实验，其他实验参数与有 限元模拟的参数相同具体见表 1． 试验共轧制成功 了 40 余 件 轧 件． 实验所得部分轧件形貌如图 8 所示． 图 8 轧制实验部分轧件 Fig． 8 Some rolled pieces obtained by rolling experiment 3. 2 实验结果 为了分析轧件心部缺陷情况，选取轧件 1 /2 处 横截面，分别对应上面模拟分析中 P1点轧制完成后 所在横截面． 截取试样，每组取试样六件共 24 件． 对试样截面在砂纸上打磨并在抛光机上进行抛光处 理，图 9 所示为轧件打磨抛光后的试样，并用相机进 行中心孔洞图片采集． 运用 PCCAD2007 软件的计 算面积功能，具体是把孔洞图片按同比例在 PC￾CAD2007 软件里放大，用样条曲线勾勒出孔洞轮廓 再利用计算面积功能计算孔洞轮廓的面积，如图 10 所示． 笔者分别计算不同展宽角下轧件不同横截面 的中心孔洞面积并取平均值，以此为依据选取最优 展宽角参数，所得轧件的中心孔洞平均面积见表 2． 从实验分析结果看，随展宽角的增加，中心最大孔洞 面积减小，相对较大的展宽角有利于改善轧件心部 缺陷． 实验分析结果与模拟后应力应变场及交变次 数的分析结果一致． 4 展宽角影响轧件心部缺陷的原理分析 楔横轧轧制过程主要为轧件在模具带动下旋转 ·1541·

·1542· 北京科技大学学报 第33卷 (a) d 图9不同展宽角下中心横截面的微观孔洞照片.(a)540:(b)640:(c)740:(d)840 Fig.9 Microcosmie photographs of centre holes in the cross section at different stretching angles:(a)40;(b)640;(c)40:(d)840 瞬时展宽量S的计算公式因S=πtan B(r,为轧件 无滑动时的滚动半径，B为展宽角)可得，S在其他 条件不变情况下，尤其是在大断面收缩率情况下随 展宽角增大而增大.S的增大使得轧件变形速度加 快，轧件单位时间内轴向金属流动量加大，径向和切 向流动量减小，因而轧件变形过程中不易发生金属 图10孔洞面积计算方法 堆积情况，不易产生心部缺陷：当展宽角较小时，轧 Fig.10 Calculation methods of the area of centre holes 件变形速度降低，轧件单位时间内轴向金属流动量 表2不同展宽角下中心平均孔洞面积 降低，瞬时展宽量S相对较少，这样轧件变形过程中 Table 2 Average area of centre holes at different stretching angles 易发生金属堆积情况.可见，相对较大的展宽角更 展宽角 5°40 640 7°40 840 能加快单位时间内轴向金属流动量，对心部缺陷减 面积/mm2 0.24 0.17 0.11 0.03 小贡献较大 同时轧件金属向轴向延伸和纵向压缩的塑性成形过 5结论 程，其金属流动示意图如图11所示.从图11中可 (1)轧件心部横向应力、平均应力、最大剪应 以看出轧件金属单位时间内流动量为四边形ABCE 力、最大剪应变及交变次数随展宽角的增大而减小， 的面积SBCE·在ABDE区，如箭头所示，金属主要沿 横向应力、平均应力和交变次数减小的幅度比较大 轴向流动：BCD区金属在径向被压缩，主要向径向 相对较大的展宽角有利于改善楔横轧气门毛坯成形 和切向流动.在轧制过程中若轧件轴向金属流动越 的心部缺陷 快，残留在变形区的金属就越少，越有利于轧件成 (2)轧件心部受展宽角变化影响较大的是横向 形，不易产生心部缺陷.若轧件轴向金属流动不顺 应力、平均应力及交变次数，受展宽角变化影响较大 利，会在变形区内有较多残留金属，残留金属在模具 的阶段是展宽段.最大剪应力和最大剪应变受展宽 间被交替揉搓，容易使轧件中心产生大的横向拉应 角变化影响不大. 力，大的横向拉应力作用在多次交变循环运动的轧 (3)21-4N材料比普通钢更难成形，且更易出 件心部金属上易使心部缺陷扩展.因此，轧件轴向 现轧件心部缺陷，在其他参数己定的情况下轧制 金属流动越快越有利于改善心部缺陷. 21-4N轧件时展宽角取8°40更有利于改善楔横轧 气门毛坯心部缺陷. 参考文献 [1]Wang B,Zhao Q,Wang P.Motoreycle valve materials and heat treatment.Motoreycle Technol,2003(5):19 (王冰，赵强，王萍.摩托车气门材料及热处理.摩托车技术， 图11楔横轧金属流动示意图 2003(5):19) Fig.11 Metal flow of cross wedge rolling 2]Zhao L.Work on compound plastic forming of exhaust.China 楔横轧气门毛坯属于大断面收缩率轧制，一个 Metalforming Equip Manuf Technol,2004,39(6):57 (赵龙.排气门复合塑性成形工艺的研究.锻压装备与制造技 明显的特征就是图11中的轧件变形区比较大，轧件 术，2004,39(6)：57) 变形比较均匀彻底，金属流出比较容易.由变形区 [Ye Y.Improvement on electric upset forging technology of automo-

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 图 9 不同展宽角下中心横截面的微观孔洞照片 . ( a) 5°40'; ( b) 6°40'; ( c) 7°40'; ( d) 8°40' Fig． 9 Microcosmic photographs of centre holes in the cross section at different stretching angles: ( a) 5°40'; ( b) 6°40'; ( c) 7°40'; ( d) 8°40' 图 10 孔洞面积计算方法 Fig． 10 Calculation methods of the area of centre holes 表 2 不同展宽角下中心平均孔洞面积 Table 2 Average area of centre holes at different stretching angles 展宽角 5°40' 6°40' 7°40' 8°40' 面积/mm2 0. 24 0. 17 0. 11 0. 03 同时轧件金属向轴向延伸和纵向压缩的塑性成形过 程，其金属流动示意图如图 11 所示． 从图 11 中可 以看出轧件金属单位时间内流动量为四边形 ABCE 的面积 SABCE ． 在 ABDE 区，如箭头所示，金属主要沿 轴向流动; BCD 区金属在径向被压缩，主要向径向 和切向流动． 在轧制过程中若轧件轴向金属流动越 快，残留在变形区的金属就越少，越有利于轧件成 形，不易产生心部缺陷． 若轧件轴向金属流动不顺 利，会在变形区内有较多残留金属，残留金属在模具 间被交替揉搓，容易使轧件中心产生大的横向拉应 力，大的横向拉应力作用在多次交变循环运动的轧 件心部金属上易使心部缺陷扩展． 因此，轧件轴向 金属流动越快越有利于改善心部缺陷． 图 11 楔横轧金属流动示意图 Fig． 11 Metal flow of cross wedge rolling 楔横轧气门毛坯属于大断面收缩率轧制，一个 明显的特征就是图 11 中的轧件变形区比较大，轧件 变形比较均匀彻底，金属流出比较容易． 由变形区 瞬时展宽量 S 的计算公式［6］S = πrk tan β( rk为轧件 无滑动时的滚动半径，β 为展宽角) 可得，S 在其他 条件不变情况下，尤其是在大断面收缩率情况下随 展宽角增大而增大． S 的增大使得轧件变形速度加 快，轧件单位时间内轴向金属流动量加大，径向和切 向流动量减小，因而轧件变形过程中不易发生金属 堆积情况，不易产生心部缺陷; 当展宽角较小时，轧 件变形速度降低，轧件单位时间内轴向金属流动量 降低，瞬时展宽量 S 相对较少，这样轧件变形过程中 易发生金属堆积情况． 可见，相对较大的展宽角更 能加快单位时间内轴向金属流动量，对心部缺陷减 小贡献较大． 5 结论 ( 1) 轧件心部横向应力、平均应力、最大剪应 力、最大剪应变及交变次数随展宽角的增大而减小， 横向应力、平均应力和交变次数减小的幅度比较大． 相对较大的展宽角有利于改善楔横轧气门毛坯成形 的心部缺陷． ( 2) 轧件心部受展宽角变化影响较大的是横向 应力、平均应力及交变次数，受展宽角变化影响较大 的阶段是展宽段． 最大剪应力和最大剪应变受展宽 角变化影响不大． ( 3) 21--4N 材料比普通钢更难成形，且更易出 现轧件心部缺陷，在其他参数已定的情况下轧制 21--4N 轧件时展宽角取 8°40'更有利于改善楔横轧 气门毛坯心部缺陷． 参 考 文 献 ［1］ Wang B，Zhao Q，Wang P． Motorcycle valve materials and heat treatment． Motorcycle Technol，2003( 5) : 19 ( 王冰，赵强，王萍． 摩托车气门材料及热处理． 摩托车技术， 2003( 5) : 19) ［2］ Zhao L． Work on compound plastic forming of exhaust． China Metalforming Equip Manuf Technol，2004，39( 6) : 57 ( 赵龙． 排气门复合塑性成形工艺的研究． 锻压装备与制造技 术，2004，39( 6) : 57) ［3］ Ye Y． Improvement on electric upset forging technology of automo- ·1542·

第12期 王晓飞等：展宽角对楔横轧一次成形气门毛坯心部缺陷的影响 ·1543· tive air valve.China Metalforming Equip Manuf Technol,2003, 缺陷的影响.北京科技大学学报，2006,28(5)：464) 38(4):39 [9]Cao F,Yang C P,Zhang K S,et al.Effect of alternating times on (叶杨.汽车气门电镦工艺的改进.锻压装备与制造技术， the interal rarefaction of cross wedge rolling.Forg Stamp Techn- 2003,38(4):39) al,2005,30(4):39 [4]Wang H J,Xia JC,Wang X Y,et al.Process numerical simula- (曹芳，杨翠苹，张康生，等。交变次数对楔横轧心部疏松的影 tion on hot extrusion preforming and final forging of automobile 响.锻压技术，2005,30(4)：39) valves.China Metalforming Equip Manuf Technol,2006,41(3):50 [1O]Chen S Y.Analysis of the Experimental Data and the Influence (王海江，夏巨湛，王新云，等.气门热挤压预成形和终锻成形 Rule of the Process Parameter on the Central Rarefaction of Cross 过程模拟.锻压装备与制造技术，2006,41(3)：50) Wedge Rolling [Dissertation].Beijing:University of Science and [5]Chen KJ.The numerical simulation on hot extrusion of automobile Technology Beijing,2006 valve.Mech Res Appl,2007,20(1):47 (陈素莹.楔横轧心部缺陷实验数据分析及工艺参数影响规 (陈凯俊.气门挤压成型过程的数值模拟.机械研究与应用， 律研究[学位论文].北京：北京科技大学，2006) 2007,20(1):47) [11]Lou Y Z,Zhang K S,Hu Z H,et al.Analysis of the cause for [6]Hu Z H,Zhang K S,Wang B Y,et al.The Forming Technology the intemal defect by twice cross wedge rolling.I Plast Eng, and Simulation of Shafts with Cross Wedge Rolling.Beijing:Met- 2008,15(3):160 allurgical Industry Press,2004 (娄依志，张康生，胡正襄，等.楔横轧二次楔轧制内部孔腔 (胡正實，张康生，王宝雨，等。楔横轧零件成形技术与模拟仿 产生原因分析.塑性工程学报，2008,15(3)：160) 真.北京：治金工业出版社，2004) 12] Cai Y N,Zhang K S,Lou Y Z,et al.Effect of forming angle on ]Pan B G.Analysis of Workpiece Defects Mechanism in Wedge Cross central defect of twice cross wedge rolling.Forg Stamp Technol, Wedge Rolling [Dissertation].Beijing:University of Science and 2008,33(3):68 Technology Beijing,1983 (蔡亚宁，张康生，娄依志，等.成形角对楔横轧二次楔轧制 (潘必刚.楔横轧轧件缺陷机理研究[学位论文].北京：北京 心部缺陷的影响，锻压技术，2008,33(3)：68) 科技大学，1983) [13]He WW,Zhang K S,Jia Z,et al.Experimental study on inter- [8]Yang C P,Zhang K S,Liu J P,et al.Internal defects in rolled nal defect of heavy section shrinkage workpiece under one cross pieces during three-oll cross wedge rolling.J Unir Sci Technol wedge rolling.Forg Stamp Technol,2009,34(2):27 Beijing,2006,28(5):464 (何巍巍，张康生，贾震，等.大断面收缩率对一次楔入轧件 (杨翠萍，张康生，刘晋平，等.三辊楔横轧应力应变场对内部 心部缺陷的实验研究.锻压技术，2009,34(2)：27)

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