D0L:10.13374.issn1001-053x.2013.09.013 第35卷第9期 北京科技大学学报 Vol.35 No.9 2013年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sep.2013 展宽角对楔横轧4Cr9S2气门成形质量的影响 黄江华，刘晋平区，王宝雨 北京科技大学机械工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:Liujp@ustb.edu.cn 摘要借助刚塑性有限元DEFORM-3D对4Cr9Si2马氏体耐热钢楔横轧成形过程进行了数值模拟，分析了展宽角对 楔横轧轧件成形缺陷的影响规律.在楔横轧轧制刚楔入时，轧件的心部受到三向拉应力的作用：展宽角减小，轧件在楔 入段时三向拉应力最大值和持续时间增大，使心部缺陷产生的可能性增加：而展宽角减小，金属轴向流动速度加快，使 得对称中心在楔入段完成后的直径减小，而轴向力则随着展宽角减小，其数值还有一定的增大，最终将导致对称中心横 截面拉细状况的产生：随着展宽角增大，表面螺旋痕将会增加，但展宽角对表面螺旋痕的影响不明显.通过实验验证了 有限元的正确性和模拟结果的可靠性 关键词楔横轧：气门：成形：缺陷：有限元法 分类号TG335.19 Effect of stretching angle on the forming quality of cross wedge rolling 4Cr9Si2 valves HUANG Jiang-hua,LIU Jin-ping☒，WANG Bao-yu School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China XCorresponding author,E-mail:Liujp ustb.edu.cn ABSTRACT The forming process of 4Cr9Si2 martensite heat-resistant steel during cross wedge rolling was simulated by means of rigid-plastic finite element software DEFROM-3D.The effect of stretching angle on the internal quality of work pieces was analyzed on the basis of simulated results.It is found that the center of work pieces endures three- dimensional tensile stresses at the beginning of the wedging stage.The increases of the tensile stress maxima and duration time resulting from the reduction of stretching angle lead to a higher possibility of internal defects.The axial metal flow will accelerate by decreasing the stretching angle,resulting in the decrease of work piece diameter for center symmetry after the wedging stage and the increase of axial force,and finally those factors make the central cross section of work pieces decrease.On the contrary,the surface spiral will increase by increasing the stretching angle,but the influence is not obviously.Rolling experiments were carried out to verify the correctness of the finite element method and the reliability of simulated results. KEY WORDS cross wedge rolling:valves;forming:defects;finite element method 4C9Si2是一种马氏体耐热钢，铬的质量分数及模具损坏严重等缺陷5-).随着汽车工业的发展， 达到9%左右，硅质量分数达到2%3%，其加工硬 对汽车气门的需求量也越来越大，北京科技大学零 化率比较大，是一种比较难成形的高合金钢四.一 件轧制中心提出了一种新的气门制坯方法一楔 般4C9Si2马氏体耐热钢用于制造汽车发动机的进 横轧制 气门和排气门杆部②.传统气门制坯的方法主要为 楔横轧是一种高效、低耗、绿色的先进的轴类 电热镦粗和热挤压3-4，存在着效率低、废品率高 零件成形新工艺，与传统的切削、锻造工艺相比，具 收稿日期：2012-12-16 基金项目：广东省教育部产学研重大专项一汽车及关键零部件研发与产业化资助项目(2009A090100022)
第 35 卷 第 9 期 北 京 科 技 大 学 学 报 Vol. 35 No. 9 2013 年 9 月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sep. 2013 展宽角对楔横轧 4Cr9Si2 气门成形质量的影响 黄江华，刘晋平 ，王宝雨 北京科技大学机械工程学院, 北京 100083 通信作者，E-mail: Liujp@ustb.edu.cn 摘 要 借助刚塑性有限元 DEFORM-3D 对 4Cr9Si2 马氏体耐热钢楔横轧成形过程进行了数值模拟，分析了展宽角对 楔横轧轧件成形缺陷的影响规律. 在楔横轧轧制刚楔入时，轧件的心部受到三向拉应力的作用；展宽角减小，轧件在楔 入段时三向拉应力最大值和持续时间增大，使心部缺陷产生的可能性增加；而展宽角减小，金属轴向流动速度加快，使 得对称中心在楔入段完成后的直径减小，而轴向力则随着展宽角减小，其数值还有一定的增大，最终将导致对称中心横 截面拉细状况的产生；随着展宽角增大，表面螺旋痕将会增加，但展宽角对表面螺旋痕的影响不明显. 通过实验验证了 有限元的正确性和模拟结果的可靠性. 关键词 楔横轧；气门；成形；缺陷；有限元法 分类号 TG335.19 Effect of stretching angle on the forming quality of cross wedge rolling 4Cr9Si2 valves HUANG Jiang-hua, LIU Jin-ping , WANG Bao-yu School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China Corresponding author, E-mail: Liujp@ustb.edu.cn ABSTRACT The forming process of 4Cr9Si2 martensite heat-resistant steel during cross wedge rolling was simulated by means of rigid-plastic finite element software DEFROM-3D. The effect of stretching angle on the internal quality of work pieces was analyzed on the basis of simulated results. It is found that the center of work pieces endures threedimensional tensile stresses at the beginning of the wedging stage. The increases of the tensile stress maxima and duration time resulting from the reduction of stretching angle lead to a higher possibility of internal defects. The axial metal flow will accelerate by decreasing the stretching angle, resulting in the decrease of work piece diameter for center symmetry after the wedging stage and the increase of axial force, and finally those factors make the central cross section of work pieces decrease. On the contrary, the surface spiral will increase by increasing the stretching angle, but the influence is not obviously. Rolling experiments were carried out to verify the correctness of the finite element method and the reliability of simulated results. KEY WORDS cross wedge rolling; valves; forming; defects; finite element method 4Cr9Si2 是一种马氏体耐热钢，铬的质量分数 达到 9%左右，硅质量分数达到 2%∼3%，其加工硬 化率比较大，是一种比较难成形的高合金钢[1] . 一 般 4Cr9Si2 马氏体耐热钢用于制造汽车发动机的进 气门和排气门杆部[2] . 传统气门制坯的方法主要为 电热镦粗和热挤压[3−4]，存在着效率低、废品率高 及模具损坏严重等缺陷[5−6] . 随着汽车工业的发展， 对汽车气门的需求量也越来越大，北京科技大学零 件轧制中心提出了一种新的气门制坯方法 —— 楔 横轧制[7] . 楔横轧是一种高效、低耗、绿色的先进的轴类 零件成形新工艺，与传统的切削、锻造工艺相比，具 收稿日期：2012–12–16 基金项目：广东省教育部产学研重大专项 —— 汽车及关键零部件研发与产业化资助项目 (2009A090100022) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2013.09.013
第9期 黄江华等：展宽角对楔横轧4Cr9S2气门成形质量的影响 ·1189· 有生产效率高、节约材料和劳动条件好等优点.其 的温度区间为10001200℃，而一般的碳钢的塑性 主要特点是两个轴心线平行的轧辊同方向旋转，轧 成形温度区间为850~1250℃，所以在模拟过程中 件在轧辊的带动下，做平行于轧辊轴心线与轧辊方 考虑温度场的作用，设轧件与模具的综合传热系数 向相反的旋转运动，从而实现径向压缩和轴向延伸 为40×103W.K-1m-215-16).坯料的模拟初始温度 变形.与楔横轧轧制普通碳素钢和低合金工具钢 为1120℃.模拟的参数如表1所示（其中轴向为z 相比，4C9Si2马氏体钢的合金含量高，塑性差，合 向，横向为y向，纵向为x向) 金在变形过程中对温度比较敏感回，心部容易出现 疏松、中间拉细和表面出现螺旋痕等缺点10-1).本 文通过刚塑性有限元软件DEFORM-3D对4Cr9Si2 马氏体耐热钢的楔横轧过程进行了数值模拟，分析 了展宽角对楔横轧轧制4Cx9S2材料成形缺陷的影 响规律，并通过实验验证了模拟的正确性. 楔入 1有限元模型的建立 精整段 展宽段 段 在楔横轧工艺参数中，展宽角是楔横轧主要参 L一轧件被轧长度；d一轧件轧后直径；ù一成形角；一展宽角 数之一（其楔横轧工艺参数如图1所示）.它影响楔 图1楔横轧模具与轧件工艺参数 横轧工艺的旋转条件和模具规格大小，并对楔横轧 Fig.1 Cross wedge rolling mould and rolling process param- 的疏松和表面螺旋痕等有着重要的影响.图2所示 eters 为楔横轧有限元模拟的模型，包括上、下轧辊和轧 件.由于轧件为对称轧制，所以在模拟时只取一半 进行计算，从而减少计算时间.本文使用刚塑性有 上模 限元DEFORM-3D有限元数值模拟时，轧辊设为刚 体，轧件材料为4Cr9Si2马氏体耐热钢.在Deform 软件中，并没有4Cr9Si2材料数据库，采用Gleeble- 1500热模拟机得到变形速率为0.01~10s-1,变形 下模 温度为1000~1180℃，真应变为0.8时的变形抗力 坯料导板 曲线，同4Cr9Si2材料的热性参数一起导入Deform 软件中l14.由于4C9Si2马氏体钢是一种高合金钢， 图2楔横轧有限元模型 因此对温度比较敏感，如4C9S2材料的塑性成形 Fig.2 Finite element model of cross wedge rolling 表1主要模拟参数 Table 1 Main process parameters for simulation 轧辊直径，D/mm轧机转速，n/r~min-1)坯料直径，do/mm断面收缩率，中/%成形角，a/(o)展宽角，B/(o)楔尖圆角，R/mm 500 8 25 70.84 28 5.5/6.67/7.5/8.5 0 2模拟有限元过程分析 最容易产生疏松的部位 2.1轧件心部应力 图4是在不同展宽角下，轧件对称中心横截 图3为楔横轧轧制刚楔入时轧件横截面和纵 面心部点的横向应力σ、纵向应力σz以及轴向应 截面应力场的分布状况图.从图3(a)可以看出， 力σ2随时间变化的关系曲线.在楔横轧轧制刚楔 在楔横轧轧制刚楔入时，其对称中心横截面中心 入时，轧件心部金属主要受到三向拉应力的作用. 部位受到三向拉应力的作用，其应力的数值均超过 0.2s左右时，由于变形到轧件的心部，其纵向应力 l00MP.从纵截面应力状态图可以知道，越靠近ox变为压应力，而横向应力o和轴向应力oz仍 对称中心横截面处，其三向拉应力作用越强，三向然为拉应力.在不同展宽角下，其应力变化主要体 拉应力主要体现对称中心横截面心部的周围.在塑现在0.2s变形之前的状态，在02s(即轧制变形到 性成形过程中，三向拉应力是最容易导致裂纹产生心部)后其横向应力·，和轴向应力¤：基本上保持 的应力状态，所以在轧件对称中心横截面的心部是 一致.在不同的展宽角下，纵向应力σ、横向应力
第 9 期 黄江华等：展宽角对楔横轧 4Cr9Si2 气门成形质量的影响 1189 ·· 有生产效率高、节约材料和劳动条件好等优点. 其 主要特点是两个轴心线平行的轧辊同方向旋转，轧 件在轧辊的带动下，做平行于轧辊轴心线与轧辊方 向相反的旋转运动，从而实现径向压缩和轴向延伸 变形[8] . 与楔横轧轧制普通碳素钢和低合金工具钢 相比，4Cr9Si2 马氏体钢的合金含量高，塑性差，合 金在变形过程中对温度比较敏感[9]，心部容易出现 疏松、中间拉细和表面出现螺旋痕等缺点[10−13] . 本 文通过刚塑性有限元软件 DEFORM-3D 对 4Cr9Si2 马氏体耐热钢的楔横轧过程进行了数值模拟，分析 了展宽角对楔横轧轧制 4Cr9Si2 材料成形缺陷的影 响规律，并通过实验验证了模拟的正确性. 1 有限元模型的建立 在楔横轧工艺参数中，展宽角是楔横轧主要参 数之一 (其楔横轧工艺参数如图 1 所示). 它影响楔 横轧工艺的旋转条件和模具规格大小，并对楔横轧 的疏松和表面螺旋痕等有着重要的影响. 图 2 所示 为楔横轧有限元模拟的模型，包括上、下轧辊和轧 件. 由于轧件为对称轧制，所以在模拟时只取一半 进行计算，从而减少计算时间. 本文使用刚塑性有 限元 DEFORM-3D 有限元数值模拟时，轧辊设为刚 体，轧件材料为 4Cr9Si2 马氏体耐热钢. 在 Deform 软件中，并没有 4Cr9Si2 材料数据库，采用 Gleeble- 1500 热模拟机得到变形速率为 0.01∼10 s−1，变形 温度为 1000∼1180 ℃，真应变为 0.8 时的变形抗力 曲线，同 4Cr9Si2 材料的热性参数一起导入 Deform 软件中[14] . 由于 4Cr9Si2 马氏体钢是一种高合金钢， 因此对温度比较敏感，如 4Cr9Si2 材料的塑性成形 的温度区间为 1000∼1200 ℃，而一般的碳钢的塑性 成形温度区间为 850∼1250 ℃，所以在模拟过程中 考虑温度场的作用，设轧件与模具的综合传热系数 为 40×103 W·K−1 ·m−2[15−16] . 坯料的模拟初始温度 为 1120 ℃. 模拟的参数如表 1 所示 (其中轴向为 z 向，横向为 y 向，纵向为 x 向). 图 1 楔横轧模具与轧件工艺参数 Fig.1 Cross wedge rolling mould and rolling process parameters 图 2 楔横轧有限元模型 Fig.2 Finite element model of cross wedge rolling 表 1 主要模拟参数 Table 1 Main process parameters for simulation 轧辊直径, D/mm 轧机转速, n/(r·min−1 ) 坯料直径, d0/mm 断面收缩率,ψ/% 成形角, α/(◦) 展宽角, β/(◦) 楔尖圆角, R/mm 500 8 25 70.84 28 5.5/6.67/7.5/8.5 0 2 模拟有限元过程分析 2.1 轧件心部应力 图 3 为楔横轧轧制刚楔入时轧件横截面和纵 截面应力场的分布状况图. 从图 3(a) 可以看出， 在楔横轧轧制刚楔入时，其对称中心横截面中心 部位受到三向拉应力的作用，其应力的数值均超过 100 MPa. 从纵截面应力状态图可以知道，越靠近 对称中心横截面处，其三向拉应力作用越强，三向 拉应力主要体现对称中心横截面心部的周围. 在塑 性成形过程中，三向拉应力是最容易导致裂纹产生 的应力状态，所以在轧件对称中心横截面的心部是 最容易产生疏松的部位. 图 4 是在不同展宽角下，轧件对称中心横截 面心部点的横向应力 σy、纵向应力 σx 以及轴向应 力 σz 随时间变化的关系曲线. 在楔横轧轧制刚楔 入时，轧件心部金属主要受到三向拉应力的作用. 0.2 s 左右时，由于变形到轧件的心部，其纵向应力 σx 变为压应力，而横向应力 σy 和轴向应力 σz 仍 然为拉应力. 在不同展宽角下，其应力变化主要体 现在 0.2 s 变形之前的状态，在 0.2 s (即轧制变形到 心部) 后其横向应力 σy 和轴向应力 σz 基本上保持 一致. 在不同的展宽角下，纵向应力 σx、横向应力
.1190 北京科技大学学报 第35卷 0y和轴向应力σ2在楔入段的应力都随着展宽角的 向拉应力大小和展宽角为7°30时基本上一致，即 增大而减小.当3=5°30时，其楔入段三向将受到 当展宽角为7°30和830时，心部应力状况基本上 300MPa以上的拉应力作用：而当B=7°30时，其 一致.考虑楔横轧心部缺陷以及轧件旋转条件，取 楔入段时的三向拉应力仅为50MPa左右，三向拉 展宽角为730时比较合理. 应力作用将明显减少：当展宽角增大到830时，三 (a)z向应力/MPa 向应力/MPa (b)z向应力/MPa y向应力/MPa 200 200 150 150, 100 100 100 100 0 0 50 100 -100 0 0 200 -200 50 -50 向应力/Pa 等效应力/MPa 向应力/MPa 等效应力/MPa 200 200 150 1200 100 150 100 150 0 100 50 100 50 0 50 100 5 0 200 0 图3楔横轧刚楔入时应力场分布.(a)横截面：(b)纵截面 Fig.3 Stress distribution at the beginning of the wedging stage in cross wedge rolling:(a)cross section;(b)vertical section 400 450 300 -3=530 350 -6=5°30' -3=640 -6=6°40 200 3=730 250 -3=730 3=830 -6=830 100 50 -100 -50 0.2 0.4 0.6 0.8 0 0.2 0.4 0.6 0.8 时间/s 时间/s 500 400 -6=530' -3=640' 300 -0=730' -3=830' 200 100 0.2 0.4 0.6 0.8 时间/s 图4不同展宽角下的点跟踪应力分布图 Fig.4 Stress distribution of tracking points at different stretching angles 2.2对称中心横截面拉细 轧工艺参数选择不当，轧件的对称中心横截面处由 4Cr9Si2马氏体耐热合金钢是一种高合金钢， 于轴向拉力F过大而容易产生拉细状况，拉细将 楔横轧工艺塑性成形的特点主要是轴向延伸和径向 导致轧件尺寸不一致，轻微拉细导致加工余量加大 压缩，气门的轧制属于细长杆，展宽长度过长则意 而降低材料利用率，严重拉细将导致轧件报废，因 味着对称中心截面承受拉力的时间增加，如果楔横 此有必要分析展宽角对对称中心横截面拉细的影响
· 1190 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 σy 和轴向应力 σz 在楔入段的应力都随着展宽角的 增大而减小. 当 β = 5◦300 时，其楔入段三向将受到 300 MPa 以上的拉应力作用；而当 β = 7◦300 时，其 楔入段时的三向拉应力仅为 50 MPa 左右，三向拉 应力作用将明显减少；当展宽角增大到 8 ◦300 时，三 向拉应力大小和展宽角为 7 ◦300 时基本上一致，即 当展宽角为 7 ◦300 和 8 ◦300 时，心部应力状况基本上 一致. 考虑楔横轧心部缺陷以及轧件旋转条件，取 展宽角为 7 ◦300 时比较合理. 图 3 楔横轧刚楔入时应力场分布. (a) 横截面；(b) 纵截面 Fig.3 Stress distribution at the beginning of the wedging stage in cross wedge rolling: (a) cross section; (b) vertical section 图 4 不同展宽角下的点跟踪应力分布图 Fig.4 Stress distribution of tracking points at different stretching angles 2.2 对称中心横截面拉细 4Cr9Si2 马氏体耐热合金钢是一种高合金钢， 楔横轧工艺塑性成形的特点主要是轴向延伸和径向 压缩，气门的轧制属于细长杆，展宽长度过长则意 味着对称中心截面承受拉力的时间增加，如果楔横 轧工艺参数选择不当，轧件的对称中心横截面处由 于轴向拉力 Fz 过大而容易产生拉细状况，拉细将 导致轧件尺寸不一致，轻微拉细导致加工余量加大 而降低材料利用率，严重拉细将导致轧件报废，因 此有必要分析展宽角对对称中心横截面拉细的影响
第9期 黄江华等：展宽角对楔横轧4Cr9S2气门成形质量的影响 ·1191· 规律.图5是展宽角对对称中心横截面拉细和表面 螺旋痕的影响不是很明显.当展宽角较小时，螺旋 螺旋痕有限元模拟示意图.从模拟示意图明显看 痕的间距短和拉细使其表面螺旋痕不是很明显：当 出，随着展宽角增大，轧件对称中心拉细现象明显 展宽角在6°408°30时，轧件表面螺旋痕基本上差 得到了改善.图6是不同展宽角下轴向力F,和轧件 不多 半径变化曲线图.当楔入段刚完成时，展宽角越小， 轧件对称中心横截面半径值越小.这是因为随着展 (a) 宽角变小，金属轴向流动容易，对称中心横截面金 6 属能够较快“赶”出中心横截面，而在楔入段完成 后，其轴向力F2则随着楔横轧时间的延续还有所 ⊙ 增大，因此导致对称中心横截面直径越来越小，直 至拉断. 2.3表面螺旋痕 表面螺旋痕是采用楔横轧工艺成形时，轧件表 图5不同展宽角对称中心拉细和表面螺旋痕模拟示意图 面不可避免的一个表面缺陷.表面螺旋痕会导致楔 (a)6=5°30'：(b)6=6°40：(c)B=7°30：(d)3=8°30 横轧轧件表面加工余量增大，降低材料利用率，从 Fig.5 Sketch map of reduction in central cross section and 而提高生产成本，因此有必要分析展宽角对表面螺 surface spiral at different stretching angles:(a)B=530';(b) 旋痕的影响规律.从图5可以看出，展宽角对表面 3=6°40；(c)B=730':(d)B=8°30' 9.5m (a) (b) +3=530' 8.5 +8=6°40 +6=730 7.5 +6=530' +3=830 3 +6=640' 2 6.5 →3=730' 1 +6=830' 5.5 0.5 0.7 0.91.11.3 1.5 07 0.9 1.1 1.3 1.5 时间/s 时间/s 图6不同展宽角下的轧件半径(a)及轴向力对比(b) Fig.6 Comparison of work piece radius (a)and axis force (b)at different stretching angles 为了定量分析轧件表面螺旋痕的大小，采用点 汽车配件公司提供的中16mm冷拔退火材料，然后 跟踪的方法，其中乃点在两个螺旋痕之间，而P2 分别改变展宽角B的大小，B为5°30、6°40、7°30 点在螺旋痕的凹槽底部图7是展宽角对横截面半 和8°30.其中当展宽角为6=8°30时，轧件旋转已 径值对比图.当展宽角6=530'时，其半径差值为 经比较困难，导致轧制实验失败.所以以下主要分 0.12mm左右，并且随着楔横轧轧制过程的进行， 析展宽角为530、6°40和7°30的情况.部分楔横 半径值将越来越小，这是因为轴向力F。造成的横轧轧制成品如图8所示. 截面拉细状况所造成的：当展宽角=6°40时，其 3.1心部缺陷 半径差值为0.15mm左右；而展宽角6=7°30和 在不同的展宽角下，心部缺陷情况如图9所示. 3=830时的半径差值基本相等，其值为0.18mm 从图中可以看出，当展宽角增大到7°30后，轧件 左右：同时，随着展宽角增大，其半径值减小的幅 心部缺陷已经用肉眼无法看到.为定量分析轧件心 度越来越小，这是因为轧件对称中心横截面拉细状 部缺陷大小，采用PCCAD2007和Photoshop软件 况随着展宽角的增大而得到了明显的改善 分别计算宏观孔洞和微观孔洞面积.微观孔洞采用 显微镜放大后，然后拍照，最后在Photoshop算出 3实验分析 其孔洞大小，分别测量各工艺条件下五个轧件，然 参照有限元数值模拟情况，在H500楔横轧 后取五个轧件的平均值大小.图10是轧件心部琉 轧机上完成了轧制实验.楔横轧轧制实验中参数 松面积随着展宽角的变化情况.当展宽角6=5°30' 为：成形角a=28°，断面收缩率b=70.84%,楔尖圆时，轧件心部孔洞面积约为0.689mm2:而当展宽 角R=8mm,4Cr9Si2马氏体耐热钢材料为广东某 角6=7°30'时，其孔洞面积为0.0008mm2
第 9 期 黄江华等：展宽角对楔横轧 4Cr9Si2 气门成形质量的影响 1191 ·· 规律. 图 5 是展宽角对对称中心横截面拉细和表面 螺旋痕有限元模拟示意图. 从模拟示意图明显看 出，随着展宽角增大，轧件对称中心拉细现象明显 得到了改善. 图 6 是不同展宽角下轴向力 Fz 和轧件 半径变化曲线图. 当楔入段刚完成时，展宽角越小， 轧件对称中心横截面半径值越小. 这是因为随着展 宽角变小，金属轴向流动容易，对称中心横截面金 属能够较快 “赶” 出中心横截面，而在楔入段完成 后，其轴向力 Fz 则随着楔横轧时间的延续还有所 增大，因此导致对称中心横截面直径越来越小，直 至拉断. 2.3 表面螺旋痕 表面螺旋痕是采用楔横轧工艺成形时，轧件表 面不可避免的一个表面缺陷. 表面螺旋痕会导致楔 横轧轧件表面加工余量增大，降低材料利用率，从 而提高生产成本，因此有必要分析展宽角对表面螺 旋痕的影响规律. 从图 5 可以看出，展宽角对表面 螺旋痕的影响不是很明显. 当展宽角较小时，螺旋 痕的间距短和拉细使其表面螺旋痕不是很明显；当 展宽角在 6 ◦40∼8 ◦30 时，轧件表面螺旋痕基本上差 不多. 图 5 不同展宽角对称中心拉细和表面螺旋痕模拟示意图. (a) β=5◦300；(b) β=6◦400；(c) β=7◦300；(d) β=8◦300 Fig.5 Sketch map of reduction in central cross section and surface spiral at different stretching angles: (a) β=5◦300 ; (b) β=6◦400 ; (c) β=7◦300 ; (d) β=8◦300 图 6 不同展宽角下的轧件半径 (a) 及轴向力对比 (b) Fig.6 Comparison of work piece radius (a) and axis force (b) at different stretching angles 为了定量分析轧件表面螺旋痕的大小，采用点 跟踪的方法，其中 P1 点在两个螺旋痕之间，而 P2 点在螺旋痕的凹槽底部. 图 7 是展宽角对横截面半 径值对比图. 当展宽角 β=5◦300 时，其半径差值为 0.12 mm 左右，并且随着楔横轧轧制过程的进行， 半径值将越来越小，这是因为轴向力 Fz 造成的横 截面拉细状况所造成的；当展宽角 β=6◦400 时，其 半径差值为 0.15 mm 左右；而展宽角 β=7◦300 和 β=8◦300 时的半径差值基本相等，其值为 0.18 mm 左右；同时，随着展宽角增大，其半径值减小的幅 度越来越小，这是因为轧件对称中心横截面拉细状 况随着展宽角的增大而得到了明显的改善. 3 实验分析 参照有限元数值模拟情况，在 H500 楔横轧 轧机上完成了轧制实验. 楔横轧轧制实验中参数 为：成形角 α=28◦，断面收缩率 ψ=70.84%，楔尖圆 角 R=8 mm，4Cr9Si2 马氏体耐热钢材料为广东某 汽车配件公司提供的 φ16 mm 冷拔退火材料，然后 分别改变展宽角 β 的大小，β 为 5 ◦300、6 ◦400、7 ◦300 和 8 ◦300 . 其中当展宽角为 β=8◦300 时，轧件旋转已 经比较困难，导致轧制实验失败. 所以以下主要分 析展宽角为 5 ◦300、6 ◦400 和 7 ◦300 的情况. 部分楔横 轧轧制成品如图 8 所示. 3.1 心部缺陷 在不同的展宽角下，心部缺陷情况如图 9 所示. 从图中可以看出，当展宽角增大到 7 ◦30 后，轧件 心部缺陷已经用肉眼无法看到. 为定量分析轧件心 部缺陷大小，采用 PCCAD2007 和 Photoshop 软件 分别计算宏观孔洞和微观孔洞面积. 微观孔洞采用 显微镜放大后，然后拍照，最后在 Photoshop 算出 其孔洞大小，分别测量各工艺条件下五个轧件，然 后取五个轧件的平均值大小. 图 10 是轧件心部疏 松面积随着展宽角的变化情况. 当展宽角 β=5◦300 时，轧件心部孔洞面积约为 0.689 mm2；而当展宽 角 β=7◦300 时，其孔洞面积为 0.0008 mm2
.1192. 北京科技大学学报 第35卷 8.6 8.6 (a) (b) 8.2 8.2 P1 P 7.4 +P2 +P2 7.0 6.6 9 6.6 4 6.2 6.2 .31.41.51.61.71.8 1.92.0 .01.1 1.21.31.41.51.6 时间/s 时间/s 8.6r 8.6r 8.2 (c) 8.2 (d) +P1 +P +P2 ·P 70 年7六 6.6 出 6.6 62 6 .7 0.80.91.01.1 1.2 1.3 0.9 1.0 1.1 1.21.3 1.41.5 时间/s 时间/s 图7 不同展宽角下横截面半径对比.(a)B=530:(b)3=6°40：(c)B=7°30'；(@)3=830 Fig.7 Comparison of cross section radius under different stretching angles:(a)B=5°30；(b)3=6°40'；(c)3=7°30；(d)B=8°30' 去对称中心横截面处直径的数值，分别测量各工艺 条件下五个轧件，并取五个轧件的平均值.图12是 展宽角对对称中心横截面拉细状况的影响规律图. 从图中可以看出，随着展宽角增大，其拉细状况得 到了明显的改善，当展宽角6=5°30和3=6°40时 其直径差为1.82mm左右，而当展宽角3=7°30时 其直径差为0.18mm. 图8部分实验轧件 0.8m 0.7 Fig.8 Parts of experimental work pieces 目.6 0.5 (b) 0.3 0.1 5.0 5.5 6.06.57.07.58.0 展宽角，3/() 图9不同展宽角下心部疏松对比图.(a)B=530:(b) 3=640':(c)B=7°30' 图10展宽角对心部疏松的影响 Fig.9 Comparison of central porosity at different stretching Fig.10 Influence of streching angle on the central porosity angles::(a)B=530':(b)B=6°40；(c)6=730 尺寸测量点 3.2对称中心横截面拉细缺陷 图11是不同展宽角下，轧件对称中心横截面 拉细状况示意图.随着展宽角增大至7°30，轧件 心部拉细状况得到明显的改善.为了定量分析拉细 图11展宽角对横截面拉细和表面螺旋痕的影响.(a)B= 状况，用直径差来表示轧件对称中心横截面拉细状 5°30：(b)B=6°40：(c)3=7°30 况，即对轧制后的展宽部分进行测量，每个轧件的 Fig.11 Influence of streching angle on the reduction in cross 测量点为七个，测量部位如图11所示，然后用除对 section and surface spiral:(a)8=530';(b)B=640';(c) 称中心横截面外其他六个部位直径数值的平均值减 3=7°30
· 1192 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 图 7 不同展宽角下横截面半径对比. (a) β=5◦300 ; (b) β=6◦400 ; (c) β=7◦300 ; (d) β=8◦300 Fig.7 Comparison of cross section radius under different stretching angles: (a) β=5◦300 ; (b) β=6◦400 ; (c) β=7◦300 ; (d) β=8◦300 图 8 部分实验轧件 Fig.8 Parts of experimental work pieces 图 9 不同展宽角下心部疏松对比图. (a) β=5◦300；(b) β=6◦400；(c) β=7◦300 Fig.9 Comparison of central porosity at different stretching angles: (a) β=5◦300 ; (b) β=6◦400 ; (c) β=7◦300 3.2 对称中心横截面拉细缺陷 图 11 是不同展宽角下，轧件对称中心横截面 拉细状况示意图. 随着展宽角增大至 7 ◦300，轧件 心部拉细状况得到明显的改善. 为了定量分析拉细 状况，用直径差来表示轧件对称中心横截面拉细状 况，即对轧制后的展宽部分进行测量，每个轧件的 测量点为七个，测量部位如图 11 所示，然后用除对 称中心横截面外其他六个部位直径数值的平均值减 去对称中心横截面处直径的数值，分别测量各工艺 条件下五个轧件，并取五个轧件的平均值. 图 12 是 展宽角对对称中心横截面拉细状况的影响规律图. 从图中可以看出，随着展宽角增大，其拉细状况得 到了明显的改善，当展宽角 β=5◦300 和 β=6◦400 时 其直径差为 1.82 mm 左右，而当展宽角 β=7◦300 时 其直径差为 0.18 mm. 图 10 展宽角对心部疏松的影响 Fig.10 Influence of streching angle on the central porosity 图 11 展宽角对横截面拉细和表面螺旋痕的影响. (a) β= 5 ◦300 ; (b) β=6◦400 ; (c) β=7◦300 Fig.11 Influence of streching angle on the reduction in cross section and surface spiral: (a) β=5◦300 ; (b) β=6◦400 ; (c) β=7◦300
第9期 黄江华等：展宽角对楔横轧4Cr9S2气门成形质量的影响 ·1193· 2.0 (3)对称中心横截面拉细状况随着展宽角增大 1.6t 得到改善.当展宽角在7°30时，轧件对称中心横截 面拉细已经得到了明显改善. (④)轧件表面螺旋痕受展宽角影响不明显.当 楔尖圆角为8mm时，轧件表面螺旋痕直径差为 0.4 0.15mm左右. 5.05.5 6.06.57.07.58.0 展宽角，3/() 参考文献 图12展宽角对横截面拉细的影响 Fig.12 Influence of streching angle on the reduction in cross [1]Zhu R Z.Heat resistant Alloy and High Temperature Al- section loys.Beijing:Chemical Industry Press,1996 (朱日彰.耐热合金和高温合金.北京：化学工业出版社， 3.3表面螺旋痕缺陷 1996) 从图11中可以看出，在各展宽角下，其表面 [2]Wu X C,Shen W J.The application and development of 螺旋痕基本上一致.为了定量分析轧件表面螺旋痕 engine valve materials.Chin Intern Combust Engine Eng, 的程度，分别测量轧件的表面螺旋痕凹槽的中间部 1999(1):33 分和凹槽底部，然后由最高点数值减去最低点数值 (吴旭初，沈文君.发动机气门材料应用及进展.内燃机工 即得到每根轧件的表面螺旋痕的大小，用△d表 程，1999(1)：33) 示.对同一个工艺条件下，总共测量五根轧件，再 [3]Wang H J,Xia J C,Wang X Y,et al.Process numerical 取五根轧件的平均值.图13是不同展宽角下，△d simulation on hot extrusion preforming and final forging of 随展宽角的变化图.当展宽角B=530时，△d为 automobile valves.China Met Form Equip Manuf Tech- nol,2006(3:50 0.13mm:而6=7°30'时，△d为0.168mm.因此， (王海江，夏巨谌，王新云，等。气门热挤压预成形和终锻成 展宽角增大，对表面螺旋痕的影响不是很大 形过程模拟.锻压装备与制造技术，2006(3)：50) 0.17 [4 Xia J C,Wang X Y,Hu G A,et al.Process optimization and simulation on the perform and part forming during 0.16 electro-thermal upsetting of valve.Therm Process Tech- 0.15 nol,2004(9):25 昌 (夏巨谌，王新云，胡国安，等。气门电热镦制还与终成形过 程模拟及工艺优化.热加工工艺，2004(9)：25) (5]Chen K J.The numerical simulation on hot extrusion of 0.13 automobile valve.Mech Res Appl,2007,20(1):50 (陈凯俊.气门挤压成型过程的数值模拟.机械研究与应 00 5.5 6.06.57.07.58.0 用.2007,20(1)：50) 展宽角，0/() (6]Painter B,Shivpuri R.Altan T.Prediction of die wear 图13展宽角对轧件表面螺旋痕的影响 during hot-extrusion of engine valves.J Mater Process Fig.13 Influence of streching angle on the surface spiral Technol,1996.59(1/2:132 [7]Liu J P.Hu Z H,Long S X,et al.An Automobile Engine 4结论 Valve Blank Precise Forming Method with Cross Wedge Rolling:China Patent..201010107843.3.2010-07-28 (1)在楔横轧轧制刚楔入时，轧件对称中心横 (刘晋平，胡正寰，龙思习，等.一种汽车发动机气门毛坯楔 截面心部受到三向拉应力作用，三向拉应力将诱发 横轧精确成形方法：中国专利，201010107843.3.2010-07- 心部缺陷的产生 28) [8]Hu Z H,Zhang K S,Wang B Y,et al.The Forming Tech- (2)随着展宽角增大，轧件对称中心横截面心 nology and Simulation of Parts with Cross Wedge Rolling. 部三向拉应力最大值以及三向拉应力的持续时间明 Beijing:Metallurgical Industry Press,2004 显减小，从而降低了心部缺陷产生的可能性.经过 (胡正箕，张康生，王宝雨，等.楔横轧零件成形技术与模拟 轧制实验，当展宽角6=730、成形角a=28°时，完 仿真.北京：治金工业出版社，2004) 全可以避免心部缺陷的产生 [9]Confederation of Chinese Metalforming Industry.Special
第 9 期 黄江华等：展宽角对楔横轧 4Cr9Si2 气门成形质量的影响 1193 ·· 图 12 展宽角对横截面拉细的影响 Fig.12 Influence of streching angle on the reduction in cross section 3.3 表面螺旋痕缺陷 从图 11 中可以看出，在各展宽角下，其表面 螺旋痕基本上一致. 为了定量分析轧件表面螺旋痕 的程度，分别测量轧件的表面螺旋痕凹槽的中间部 分和凹槽底部，然后由最高点数值减去最低点数值 即得到每根轧件的表面螺旋痕的大小，用 ∆d 表 示. 对同一个工艺条件下，总共测量五根轧件，再 取五根轧件的平均值. 图 13 是不同展宽角下，∆d 随展宽角的变化图. 当展宽角 β=5◦300 时，∆d 为 0.13 mm；而 β=7◦300 时，∆d 为 0.168 mm. 因此， 展宽角增大，对表面螺旋痕的影响不是很大. 图 13 展宽角对轧件表面螺旋痕的影响 Fig.13 Influence of streching angle on the surface spiral 4 结论 (1) 在楔横轧轧制刚楔入时，轧件对称中心横 截面心部受到三向拉应力作用，三向拉应力将诱发 心部缺陷的产生. (2) 随着展宽角增大，轧件对称中心横截面心 部三向拉应力最大值以及三向拉应力的持续时间明 显减小，从而降低了心部缺陷产生的可能性. 经过 轧制实验，当展宽角 β=7◦30、成形角 α=28◦ 时，完 全可以避免心部缺陷的产生. (3) 对称中心横截面拉细状况随着展宽角增大 得到改善. 当展宽角在 7 ◦30 时，轧件对称中心横截 面拉细已经得到了明显改善. (4) 轧件表面螺旋痕受展宽角影响不明显. 当 楔尖圆角为 8 mm 时，轧件表面螺旋痕直径差为 0.15 mm 左右. 参 考 文 献 [1] Zhu R Z. Heat resistant Alloy and High Temperature Alloys. Beijing: Chemical Industry Press, 1996 (朱日彰. 耐热合金和高温合金. 北京: 化学工业出版社, 1996) [2] Wu X C, Shen W J. The application and development of engine valve materials．Chin Intern Combust Engine Eng, 1999(1): 33 (吴旭初, 沈文君. 发动机气门材料应用及进展. 内燃机工 程, 1999(1): 33) [3] Wang H J, Xia J C, Wang X Y, et al. Process numerical simulation on hot extrusion preforming and final forging of automobile valves. China Met Form Equip Manuf Technol, 2006(3): 50 (王海江, 夏巨谌, 王新云, 等. 气门热挤压预成形和终锻成 形过程模拟. 锻压装备与制造技术, 2006(3): 50) [4] Xia J C, Wang X Y, Hu G A, et al. Process optimization and simulation on the perform and part forming during electro-thermal upsetting of valve. Therm Process Technol, 2004(9): 25 (夏巨谌, 王新云, 胡国安, 等. 气门电热镦制坯与终成形过 程模拟及工艺优化. 热加工工艺, 2004(9): 25) [5] Chen K J. The numerical simulation on hot extrusion of automobile valve. Mech Res Appl, 2007, 20(1): 50 (陈凯俊. 气门挤压成型过程的数值模拟. 机械研究与应 用, 2007, 20(1): 50) [6] Painter B, Shivpuri R, Altan T. Prediction of die wear during hot-extrusion of engine valves. J Mater Process Technol, 1996, 59(1/2): 132 [7] Liu J P, Hu Z H, Long S X, et al. An Automobile Engine Valve Blank Precise Forming Method with Cross Wedge Rolling: China Patent, 201010107843.3. 2010-07-28 (刘晋平, 胡正寰, 龙思习, 等. 一种汽车发动机气门毛坯楔 横轧精确成形方法: 中国专利, 201010107843.3. 2010-07- 28) [8] Hu Z H, Zhang K S, Wang B Y, et al. The Forming Technology and Simulation of Parts with Cross Wedge Rolling. Beijing: Metallurgical Industry Press, 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) [9] Confederation of Chinese Metalforming Industry. Special
.1194 北京科技大学学报 第35卷 Alloys and Forging.Beijing:National Defense Industry (梁继才，付沛福，李义，等.用楔横轧工艺成形阶梯轴类件 Press.2009 的防止拉细和加工界限研究.吉林工业大学自然科学学报 (中国锻压协会.特种合金及其锻造.北京：国防工业出版 2000,30(4):17) 社.2009) [11]He WW,Zhang K S,Jia Z,et al.Experimental study [8 Chen S Y.Analysis of the Erperimental Data and the on internal defect of heavy section shrinkage workpiece Influence Rule of the Process Parameter on the Central under one cross wedge rolling.Forg Stamping Technol Rarefaction of Cross Wedge Rolling [Dissertation].Bei- 2009,34(2):27 jing:University of Science and Technology Beijing,2006 (何巍巍，张康生，贾震，等.大断面收缩率对一次楔入轧件 (陈素莹.楔横轧心部缺陷实验数据分析及工艺参数影响规 心部缺陷的实验研究.锻压技术，2009,34(2)：27) 律研究[学位论文].北京：北京科技大学，2006) [12]Li C S,Huang D B.Metal Material Manual Beijing: [9]Zhang K S,Du H P,Yang C P,et al.Study on the cause Chemical Industry Press,2005 of spiral groove in cross wedge rolling.J Mech Eng,2011, (李春胜，黄德彬.金属材料手册。北京：化学工业出版社， 47(8):93 2005) (张康生，杜惠萍，杨翠苹，等.楔横轧件螺旋痕产生原因分 [13]Li Q,Michael R L,William S,et al.Investigation of the 析.机械工程学报，2011,47(8)：93) morphology of internal defects in cross wedge rolling.J [10]Liang J C.Fu P F,Li Y,et al.Study on working lim- Mater Process Technol,2002,125/126:248 its about forming axial symmetry spare parts with cross- [14]Ying F Q,Pan B S.Analysis on temperature distribution wedge rolling technique.Nat Sci J Jilin Univ Technol in cross wedge rolling process with finite element method. 2000,30(4):17 J Mater Process Technol,2007,187/188:392
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