圆坯一次性横锻时的应力应变场

D0I:10.13374/i.issm1001-053x.2002.01.043 第24卷第1期 北京科技大学学报 VoL24 No.1 2002年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2002 圆坯一次性横锻时的应力应变场 李胜祗”陈大宏》孙中建”李连诗) 1)安徽1业大学冶金工程系，马蔽山2430022)北京科技大学乐力加工系北京100083 情要用MARC/Autoforge有限元软件，对圆坯一次横锻过程进行了三维热一力耦合数值模 拟，研究了金属变形的发展、流动规律，其结果与物理棋拟研究的结果相吻合还分析了工件的 应力分布以及工具与工件的接触应力分布形态.通过分析发现：在圆坯一次性横锻过程中，尽 管工件端部静水压力不大，但存在较大的横向拉应力， 关鱸调圆坯：横锻；塑性变形；应力与应变：数值模拟：有限元法 分类号TG335.61 研究圆坯横锻过程的应力应变场对防止锻 形程度、变形速度和变形温度)的函数.这些材 件破裂产生，提高产品质量具有重要意义关于 料数据均由MARC/AutoForge的材料库中读取. 平板间压缩圆坯和横轧圆坯时的应力、应变，德 国的捷贝尔(Siebe)曾研究了平板间压缩圆柱体 平板 时的应力状态，定性地得出的结论为，在圆柱 体的中心产生压应力和拉应力，沿外力作用方 圆坯 向为压应力，垂直于外力方向为拉应力；日本的 加藤健三(Kato)所做的光塑性实验也得出同样 的结论.张作梅等研究了圆坯在横轧和一次性 横锻时的应变强度分布，结果表明：变形强度沿 圆坯断面直径的分布呈“两头大中间小”的形态 很显然，这两项实验研究仅仅是定性的，不能 给出具体的数据，因为物理模拟作为一种常规 研究手段无法确定工件在任意变形时空的真实 图1平板间压缩圆还 应力和应变因此，有必要用数值棋拟的手段对 Flg.1 Copressed round billet between Planes 平板间压缩圆坯和圆坯横轧时的应力、应变分 1.1单元划分 布作进一步的研究.本文用MARC/AutoForge软 利用轧件和变形区几何形状的对称性，取 件，对圆坯一次性横锻过程进行热力耦合分析， 坐标系第1象限内圆坯的1/8进行分析，如图2 研究应力、应变分布 1分析模型的建立 用平锤头横锻圆坯相当于在平板间快速压 缩圆坯，如图1.基本参数：上平板下压速度 -=700mm/s;圆坯尺寸d%×le=178mm×240mm, 材质为St45.材料的导热系数、热容、热膨胀系 数是随温度变化的，变形抗力是热力学参数（变 收稿日期2001-02-12李胜柢男，46岁，博士，散授 图2变形体的1/8在坐标系中的位量 ★安敢省教青厅置点科研计划项目资助(99R0178ZD) Flg.2 Position of 1/8 forging object

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 口勺 肠 时 忱卜 叫岁 跳 皿 匕 的 圆坯一次性横锻时的应力应变场 李胜抵 ” 陈大宏 ” 孙 中建 ” 李连诗 ” 安徽 业大学冶金工程系 马鞍山 北京科技大学压力加工系 ，北京 摘 要 用 哪 有限元软件 ， 对圆坯一 次横锻过程进行 了三 维热一力藕合数值模 拟 研究了金属变形 的发展 、 流动规律 ， 其结果 与物理棋拟研究的结果相吻合 还分析了 一 件的 应力分布以 及 工具与工件的接触应力分 布形 态 通 过分析发现 在 圆坯一 次性横锻过程 中 ， 尽 管工件端部静水压 力不 大 但存在较大的横向拉应力 关位词 圆坯 横锻 塑性变形 应力 与应 变 数值模拟 有限元法 分类号 一 研究圆坯横锻过程 的应 力应变场对 防止锻 件破 裂产生 ， 提高产 品 质量 具有重要意义 关于 平板 间压缩 圆坯和横轧圆坯 时的应力 、 应变 ， 德 国 的捷贝尔 曾研究 了平板间压缩圆柱体 时 的应 力状态 ‘，，， 定性地 得 出的结论为 ， 在 圆柱 体 的 中心 产生 压应 力和拉应 力 ， 沿外力作用 方 向为压应力 ， 垂直于外力方 向为拉应力 日本的 加藤健三 所做的光塑性实验冈也得 出同样 的结论 张作梅等研究 了 圆坯在横轧和一 次性 横锻 时 的应变强度 分布 ， 结果表明 变形强度 沿 圆坯 断面直径 的分布呈 “ 两头 大 中间小 ” 的形态 很 显 然 ， 这两项实 验研究 仅仅是定性 的 ， 不 能 给 出具体的数据 ， 因 为物理模拟作为一种 常规 研究手段无法确定工 件在任意变形时空的真实 应力 和应变 因此 ， 有必要 用数值模拟的手段 对 平板 间压缩 圆坯 和 圆坯横轧时的应力 、 应变分 布作进一 步的研究 本 文用 从 吨 软 件 ， 对 圆坯一次性横锻过 程进行热力祸合分析 ， 研究 应 力 、 应变分 布 形 程度 、 变形 速度 和变 形温度 的 函数 这些材 料数据均 由 人 。 的材料库 中读取 平板 圆坯 ︸ ︸ 、 、·… 。·，， 再· ，，，。 冲 、、，、‘ 圈 平 板 间压绷 口坯 细 ，目“ 姆 亡加柳 加 ， 单元划分 利用 轧件和变形 区几何形 状 的对称性 ， 取 坐 标 系第 象限 内圆坯 的 进行分析 ， 如 图 分析模型的建立 用平锤头横锻 圆坯相 当于在平板间快速压 缩 圆坯 ， 如 图 ， 基本 参数 上 平板下 压速度 订 圃坯 尺 寸硫 。 中 ， 材质 为 材料 的导 热 系数 、 热容 、 热膨胀 系 数是 随温度变化的 ， 变形抗 力是热力学参数 变 收稿 日期 刁 一 李胜 抵 男 ， 岁 ， 博士 ， 教授 安 徽省救育厅 点科研计划项 目资助 望刀 日日 户目口口尸 厂广 仁厂厂 广广「仁厂乙厂 日广碑叫 厂口口口口 口口口口 二 口 口 口口 口 口 口个 圈 变形体的 在坐标 系 中的位 姐 加 花 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2002．01．043

50 北京科技大学学报 2002年第1期 所示.用632个单元使其离散化，横断面单元数 (a)端头 为79，纵向单元数为8. 1,2初始及边界条件 圆坯初始温度为1250℃. 位移边界条件：XOY平面上位移，=0：VOZ 平面上位移4，=0：XOZ平面上位移4，=0. 摩擦条件：变形工具与工件接触面间遵循 库仑摩擦定律，平板与圆坯间摩擦系数为。= 0.3. b)中间 传热边界条件：求解金属塑性加工过程中 的热传导的有关理论描述详见文献[4]，边界条 件见文献[51.平板视作温度为150℃恒温刚性体. 压缩时，工件的自由表面存在热传导、对流和热 辐射3类热边界条件.对于辐射和对流换热情 况，边界条件统一表示为： g=H(t-te) (1) 1-0.0487:20.0923:30.136:40.1798: 式中，g为热流密度；H为等效换热系数，H=+h, 5-0.2232:60.2888:7-0.3104:8-0.354 h对流换热系数，取h=0.02kW/(m2.℃)；h,为辐 图3圆还压罐时断面上等效应变E(变形强度)分布 射换热系数 Fig.3 Equivalent distrybution on cross-forging h,=Ea(tHt)(p+f-) (2) 态沿圆坯长度方向不同横截面上，变形强度分 式中，E为黑度，这里取E=0.6;σ为波尔兹曼常 布的差别是显而易见的.图3(a)为圆坯端面上的 数；t,t。分别为工件表面和环境温度， 变形分布，可以看到：接触表层和中心部分的变 接触热传导可描述为 形大于过渡层，此即为“两头大中间小”的情形： 9.=h(t-t) (3) 从图3(6)中看出，在中间断面上，接触面（上下 式中，h为接触导热系数，h。=20kW/(m2.℃)：t,4 面)中间邻近区域内的塑性变形很小，并向着中 分别为工件表面和与之接触的变形工具表面温 心逐渐增大.这是由于压下量增大到一定程度 度 后，该部分金属在各方向的流动受阻所致. 接触面上的摩擦边界条件为 图4为不同变形阶段即不同的直径压下率 9=F·△v (4) (△DD)情况下圆坯端面上变形强度分布，这反 式中，F为接触面上摩擦力；△接触面上相对滑 映了变形的发展.压下率为0.98%时，只有局部 动速度、 变形，见图4(a):当压下率达到1.97%时，变形已 本模拟忽略了圆坯端面向环境的传热.关 深透到圆坯中心，见图4(b).虽然直径压下率达 于变形热效应的影响，Wertheimer i认为对于大多 到了7.87%，从接触表面到中心，等效应变仍然 数金属，变形功的90%转化为热量 是逐渐减小的，见图4(d:但压下率达到13.7% 2模拟结果 时，等效应变的分布呈现为“两头大中间小”的 形态，见图4©.随着压下量的继续增大，塑性区 用MARC/AutoForge分析软件，对平板间压 逐渐向横向扩展，“中间大两头小”的分形态愈 缩圆坯过程进行了热力耦合弹塑性分析，时间 加明显. 步长为△-0.0005s.,计算了150个增量步，圆 22圆坯压缩时的应力场 坯直径压下率达到29.49%. 图5为轴上各节点的应力，圆坯侧边及 2.1圆坯压缩时的应变场 邻近区域内为拉应力，其余为压应力.图6为X 图3为圆坯压缩终了时横截面上变形强度 轴上各节点的a,图7为直径压下率13.76%时， ()分布.可以看出，变形是很不均匀的，在近30% 圆坯中间截面(XOY平面)处接触应力a这些应 的直径压缩率条件下，圆坯侧面仍处在弹性状 力分布形态与加藤健三的研究结果大体上一致

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 所示 用 个单元使其离散化 ， 横断面单元数 为 ， 纵 向单元数为 初始及边界条件 圆坯初始温度为 ℃ 位移边 界条件 汾 了平面上 位移 。 口习 平面上位移 火刃忆平面上位移 摩擦条件 变形 工具与工件接触面间遵循 库仑摩擦定律 ， 平板与 圆坯间摩擦系数为尸。 传热边界条件 求解金属塑性加工过程 中 的热传导 的有关理论描述详见 文献 ， 边界条 件见文献 平板视作温度为 ℃ 恒温刚性体 压缩时 ， 工件的 自由表面存在热传导 、 对流和热 辐射 类热边界条件 对于辐射和对流换热情 况 ， 边界条件统一 表示 为 ， 一 式中 ， 为热流密度 万为等效换热系数 ， 卜， 对流换热系数 ， 取 ， · ℃ 为辐 射换热系数 五试什‘ 护 几 式 中 ， 为黑度 ， 这里取 二 。 为波尔兹曼常 数 ， 分别为工件表面 和 环境温度 接触热传导可 描述为 。 气 一 式 中 ， 。 为接触导 热系数 ， ‘ ， · ℃ ， 分别为工件表面和与之接触的变形工具表面温 度 接触面 上 的摩擦边界条件 为 叮 只 · 八 式 中 ， 只为接触面 上摩擦力 △ 接触 面 上相对滑 动速度 本模拟忽略 了圆坯端面 向环境 的传热 关 于变形热效应的影响 爪触 五 认为对于大多 数金属 ， 变形功的 转化为热量队 盯 纂芬 ‘ 厅 琐 ， 、 、 以 咬 驯 、 一 货 端头 髓 一‘ 户护梦例 声 习别 瓢 犯 伪 中间 模拟结果 用 分析软件 ， 对平板间压 缩 圆坯 过程进行 了热力辐合弹塑性分析 时间 步长为△卜 ， 计箕 了 个增量步 ， 圆 坯直径压 下率达到 ， 圆坯压缩时的应变场 图 为圆坯压缩终 了时横截面上 变形强 度 司分布 可 以看 出 ， 变形是很不均匀的 ， 在近 的直径压缩率条件下 ， 圆坯侧 面仍处 在弹性状 刁 一刁 一 刃 一刁 刁 圈 口坯压抽时断面上等效应变否 变形 强度》分布 峪 湘 了 肠 叮卜 目皿 皿 ，卜肠叼 态 沿圆坯长度方 向不 同横截面 上 ， 变形强度分 布 的差别是显而 易见 的 图 为 圆坯端面 上 的 变形分布 ， 可 以着到 接触表层和 中心 部分的变 形大于过渡层 ， 此 即为 “ 两头大 中间小 ” 的情形 从 图 伪 中看 出 ， 在 中间断面上 ， 接触面 上 下 面 中间邻近区域 内的塑性变形很小 ， 并 向着中 心 逐渐增大 这是 由于 压下 增大到一定程度 后 ， 该部分金属在各方 向的流动受阻所致 图 为不 同变形 阶段 即不 同的直径压下率 八〕 口 情况下 圆坯端面上 变形强度分布 ， 这反 映 了变形 的发展 压 下 率为 时 ， 只 有局部 变形 ， 见图 《 当压 下率达到 时 ， 变形 已 深透到圆坯 中心 ， 见 图 虽 然 直径压下率达 到了 ， 从接触表面 到 中心 ， 等效应变仍然 是逐渐减小 的 ， 见 图 咐 但压下率达到 时 ， 等效应变 的分布呈 现为 “ 两头大中间小 ” 的 形态 ， 见图 随着压下量的继续增大 ， 塑性区 逐渐 向横向扩展 ， “ 中间大两头小 ” 的分形态 愈 加 明显 ， 圆坯压缩时的应力场 图 为 轴上各节点 的应 力氏 ， 圆坯侧边及 邻近 区域 内为拉应 力 ， 其余 为压应 力 图 为 轴上各节点的休 ， 图 为直径压下率 ， 时 ， 圆坯 中间截面娜口 平面 处接触应力久 这些应 力分布形态与加藤健三 的研究结果大体上一致

Vol.24 No.1 李胜衹等：圆坏一次性横锻时的应力应变场 51· (a)c=0.98% 57 (b)e=1.97% (c)c=3.93% 10.0041:20.0082:3-0.0123:40.0164: 1-0.0054:2-0.0108;30.0183:40.0217； 10.008:20.0188:30.0293:40.0399 50.0205:60.0246:7-0.0287:80.0328 50.0271:60.0325:7-0.0380:8-0.0434 50.0505:60.0612:7-0.0718:80.0825 dε=7.87% (©)8=13.76% (f)e=29.49% 10.0169:2-0.0335:30.0501:40.0666；1-0.0261:2-0.0504:3-0.0746:40.0988； 10.0665;2-0.1267;30.1868:4-0.2469 50.0832:60.0998;70.1163:80.1329 5-0.1230:60.1472:70.1714:80.1956 50.3070:60.3672:70.4273:80.4874 图4圆还横搬时工件横截面上的变形分布及其发展 Fig.4 Distribution and development of forging deformation on cross section of round billet during cross forging 1.148ae=3.93% 838 1.601 (b)e=7.87% 838 0 0 802 6> 775 2174g 676703 721748775 3.341576 802 -5.38857658676703 0 y/mm 89 0 y/mm 89 图5轴上各节点应力a,分布（右半支），图中数值为节点号 Fig.5 Stress o,(right branch)distribution in Yaixil 2.288 57758 595604 (a)e=3.93% 2.111577586 .595 (b)e=7.87% 604 0 613 613 622 0 622 631 6 6 631 640 640 6.386 649 -5.566 649 0 x/mm 89 0 x/mm 89 图6X轴上各节点应力可，分布（右半支，图中数值为节点号 Fig.6 Stress o,(right branch)distribution in X aixil 0.165 7307 649 667 图7x=0横藏面上工具与圆坯还间接触应力沿y方向分布 684 (右半支) 685 Fig.7 Distribution of a,along y direction between tools and round billet on x=0 cross section 712 -1.761 39 0 x/mm 54.3

李胜 抵等 圆坯 一 次性横锻 时的应 力应 变场 ￡ ‘ 二 ￡ 、 火气 、 、 一 乃 刀 刁 习 刁 刁 习 刁 刁 刁 刁 戒 刁 刁 刁 刁 刁 刁 刁 一 刁 刁 ￡ 性 ’ 一 碍气 ‘ 让厂 介 。 壤牙对 《厂 ‘ 动 刁 刁 刁 乃 习 刁 一 圈 刁 刁 ， 刁 刁 刁 ‘ 刁 刁 刁 刁 刁 刁 刁 毛 刁 回坯橄锻 时工 件橄截面上的变形 分布及 其发展 川 芝、一 ‘ 沁” ” ’ ’ ， 乍 嶙甘 ‘ ，“ ” ‘ ， 沙 一 ﹄芝一、 一 一 到 圈 犷轴上各节点 应 力氏分 布 右半 支 ， 圈 中傲值为 节 点 号 ， 氏 ， ，， · 戮妙 ‘ ·，一 ’ · ，， ， · 布命 ， 刃 、 ︸﹄芝一好 一 圈 · 矛轴上各节点应 力巧分布 右半支 ， 圈中傲值 为节点号 ， 久 卜 纽 圈 橄截面上工具与圆坯 间接触 应 力氏 沿 方 向分布 右半支 · 氏 川 ， 气 刁 ，少︸扩矛少夕卜引一夕、少右才声、一片月，才沙 、 夕一 义派 、﹄芝一月‘ 一

52· 北京科技大学学报 2002年第1期 3工件中心线上应力分布形态 劈”作用，使其产生强迫横向流动，从而使中心 产生较大的横向附加拉应力；随着压缩过程的 31压缩方向的应力o,与横向应力o,的变化 继续，变形逐渐向中心渗透，中心也产生塑性变 图8为不同变形阶段（直径压下率）圆坯中 形，且不断增大，当增大到一定程度后，金属横 心线上应力分布情况.图中节点585在圆坯端 向流动受阻，结果使横向拉应力有所减小.当压 部，节点577在中间截面KOY坐标平面)上.在 下率达到某一数值时，靠近工件中心部位横向 整个变形过程中，除圆坯侧边以外总体上呈 应力转变为压应力，如图8)所示. 现为压应力且其数值是不断增大的，见图8()， 3.2轴向应力a,的变化 但横向应力©，却有所不同，在靠近坐标原点附 由于圆坯端部为自由表面，，为零，如 近，当压下量不够大时σ，呈现为拉应力并随着 图8（©）所示，但在其他横截面上，o,在变形的开 变形进程逐渐减小，最后呈现为压应力：而在靠 始阶段呈现为拉应力且随着变形进程逐渐减小， 近工件端部，·，经历了先增大后减小的过程.在 越靠近圆坯中间部位，变化幅度越显著，并且很 变形的开始阶段，平板对圆坯的压力具有集中 快就转变为压应力，这是由于金属轴向流动受 载荷的性质，横断面上的变形分布呈现局部变 阻所致由于轴向阻力越来越大，因此轴向压应 形的特点.已变形区域的金属对周围金属有“楔 力的强度也逐渐增大， -20B。- 50 C。 30 B 60 D 10 LD- -100 -10 E (a) -140L -30[E (b) 0 2 4 6 10 g 6 10 z/mm z/mm 10B- 0 -10 Co D -10 D -30 201 -30 350 (c) -70LE- (d) 0 2 4 6 8 10 0 4 8 10 z/mm z/mm 图8圆还中心线上正应力与静水压力分布（右半支）B3.93%:C-7.86%:D-13.76%;E-29.5% Fig.8 Dlstribution of stress and hydrostatle pressure(right branch)along center of round billet 33平均应力的发晨 从圆坯中心平均应力的分布及其发展来 图8(d为平均应力（或静水压力）加m沿圆坯 看，因平均应力基本上呈现为负值，圆坯中心出 中心线上的变化情况如图中所见，除圆坯端部 现裂纹的倾向性是很小的.但从横向应力的分 以外，其余部位的平均应力呈现为负值，且随着 布和发展来看，即便直径压下率达到70%，圆坯 乐下量的增大，平均应力的强度也越大 中心线上的横向应力仍呈现为拉应力，且数值 较大(>50MPa.),故圆坯端部（变形区外端）出现 4 圆还一次性横锻破裂的倾向性 破裂的可能性较大， 圆坯在横锻过程中是否会产生破裂，这与 多种因素有关，除材料本身的塑性以外，工具和 5结论 圆坯的尺寸（直径和长度）有关在本文的数值模 (1)圆坯一次性横锻时，应力分布形态与变 拟条件下，仅能通过应力的分布情况作一粗浅 形阶段（不同的直径压下率）有关.外作用力方向 的分析. 上的应力总体上呈现为压应力，横向应力在压

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 工件中心线上应力分布形态 压缩方向的应力氏与橄向应力巧的变化 图 为不 同变形 阶段 直径 压下 率 圆坯 中 心 线 上 应力分布情况 图中节点 在 圆坯 端 部 ， 节点 在 中间截面〔玫万坐 标平面 上 在 整个变形过程 中 ， 除圆坯侧边 以外氏 总体上 呈 现为压应力且其数值是不断增大的 ， 见 图 ， 但横 向应力味却有所不 同 ， 在靠近 坐 标原点附 近 ， 当压下量不够大时坏呈现为拉应力并随着 变形进程逐渐减小 ， 最后呈现为压应力 而在靠 近 工件端部 ， 环经历 了先增大后 减小 的过程 ， 在 变形 的开始阶段 ， 平板对 圆坯 的压力具有集 中 载荷的性质 ， 横断面上 的变形分布呈现局部变 形 的特点 已变形 区域 的金属 对周 围金 属有 “ 楔 劈 ” 作用 ， 使其产生 强 迫横 向流 动 ， 从 而使 中心 产生较大 的横向附加拉应力 随着压缩过程的 继续 ， 变形逐渐向中心 渗透 ， 中心 也产生塑性变 形 ， 且 不 断增大 ， 当增大到一定程度后 ， 金属 横 向流动受阻 ， 结果使横向拉应力有所减小 当压 下 率达 到某一 数值时 ， 靠近 工件 中心 部位横 向 应力转变为压应力 ， 如 图 伪 所示 轴向应 力氏的变化 由 于 圆 坯 端 部 为 自由 表 面 ， 为 零 ， 如 图 所示 ， 但在其他横截面上 ， 氏在变形 的开 始阶段呈 现为拉应力且随着变形进程逐渐减小 越靠近圆坯 中间部位 ， 变化幅度越显著 ， 并且很 快就转变为压应力 ， 这是 由于金属轴 向流动受 阻所致 ， 由于轴 向阻力越来越大 ， 因此轴向压应 力 的强 度 也逐渐增 大 声厂 …节 一 一 丫产 一 一 一…吧二寸二鑫多脚同 二一户二二 产方 产 … ” 一 二一一尸才 二 ， 几︸尸、 “几︸ 甘 声﹄仑 弓﹄公 一 一 ︸ 巧 凡﹄生口匕 一一 一。 一州卜 闷卜一弓一 ‘ 一 一一 一州卜一今一甲 “ 一 丫二二一丁 一 一 洲尸 一 了 、 卜一尸洲尸 … 、叼 之匕江二 幸 盏 一 一 一妥二二卜少川 下产声 … 加 ﹄芝仓月 刁 圈 回坯 中心 线上正应 力与静水压力分布 右半支 耳 肠 一 忍 细 亡 加目仙 时” 阳 加血 ， 作 血七亡 ，配 目。 ‘ ‘ 。 拍 川 平均应力的发展 图 为平均应力 或静水压力 氏沿圆坯 中 』合线上 的变化情况 如图 中所见 ， 除圆坯端部 以外 ， 其余部位的平均应力呈 现为 负值 ， 且随着 压下量 的增大 ， 平均应 力 的强度 也越 大 团坯一次性横锻破裂的倾 向性 圆坯 在横锻过程 中是否会产生破裂 ， 这与 多种因素有关 ， 除材料本身的塑性 以外 ， 工具和 圆坯 的尺 寸 直径 和长度 有关 在本文 的数值模 拟条件下 ， 仅能通 过应力的分布情况 作一粗浅 的分析 从 圆坯 中心 平均应力 的分 布及 其发展 来 着 ， 因平均应力基本上呈现为负值 ， 圆坯 中心 出 现裂纹 的倾 向性是很小的 但从横向应力 的分 布和发展来看 ， 即便直径压下 率达 到 ， 圆坯 中心 线上 的横 向应力仍呈 现 为拉应 力 ， 且数值 较大 ， 故 圆坯端部 变形 区外端 出现 破裂 的可 能性 较大 结论 圆坯 一 次性横锻 时 ， 应力分布形态与变 形 阶段 不 同的直径压下率 有关 外作用力方 向 上 的应力 总体上 呈 现 为压应 力 ， 横 向应 力在压

Vol.24 No.1 李胜衹等：圆坯-次性横锻时的应力应变场 53 下率不大时呈现为拉应力，而当压下率达到一 参考文献 定数值后转变为压应力.轴向应力的分布特性 是：当直径压下率不大时，轴向应力为拉应力， HHH,OHTH[C].MocKoBcKH:MerannprH3maT,1934 当压下率达到一定数值后转变为压应力 2加藤健二.金属塑性加工学[M小.东京：丸善株式会 (2)圆坯一次性横锻时，平锤头与工件之间 杜，1971 的接触应力分布形态为W型，这对研究工具的 3张作梅，黎俊结.横锻及横轧时金属的变形与断裂的 研究).金属学报，1964,7(1)：43 磨损及寿命有重要的意义. 4 Wertheimer T B.Thermal Mechanically Coupled Analysis (3)在圆坯端部，虽然平均应力不大，但横向 in Metal Forming Process[C].Pittran J F T,Wood R D, 拉应力却很大，这就解释了圆坯横锻过程中端 Alexander J M,eds.Numerical Methods in Industrial For- 部易破裂的原因. ming Process.SWANSEA:Pineridge Press Ltd,1982.425 5李胜柢，孙中建，李连诗.实心坏二辊斜轧过程一维 热力耦合分析[U1.北京科技大学学报，2000,22(1)：52 Stress and Strain Field of Round-Billet during Cross-Forging Process with Only One Strike LI Shengzhi",CHEN Dahong".SUN Zhongjian",LI Lianshi I)Anhui University of Technology,Ma'anshan 243002.China 2)University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT With the aid of FE code MARC/Autoforge,two-roll cross-forging process was simulated,and the development of deformation and the law of metal-flow were studied.The result from the simulation is in good agreement with that of the physical simulations.The stress distribution in the work-piece and contact pressure between the work-piece and tool were also analyzed.It is discovered that in cross-forging process with only one strike ofthe press large lateral stretch stress exists,although the hydrostatic pressure is positively small in the center of the round. KEY WORDS Round billet;Cross-forging,Deformation;Strain/Stress;Numerical simulation;FEM

匕 一 李胜 抵等 圆坯 一 次性横锻 时的应 力应 变场 卜率不 大 时呈 现 为拉应 力 ， 而 当压 下率达到一 定数值后 转变 为压 应 力 轴 向应力 的分布特性 是 当直径压 下 率不 大 时 ， 轴 向应力 为拉应 力 ， 当压 下 率达 到一 定 数值后 转变 为压 应力 圆坯 一 次性横锻时 ， 平锤头 与工 件之 间 的接触应 力 分布形 态 为 型 ， 这对研究 工 具 的 磨损 及 寿命有重要 的 意义 在圆坯端部 ， 虽 然平均应力不大 ， 但横向 拉应 力却很 大 ， 这 就解释 了圆坯 横锻过 程 中端 部易破 裂 的原 因 参 考 文 献 “ ‘ 即月 “ 马 即 钧 “ “ “ ， 盯 “ “ 肠 彻月 皿盯 ， 加藤健只 金 属 蛆性 加工 学【 东 京 丸善株式会 社 ， 张作梅 ， 黎俊结 横锻 及 横轧时 金 属 的变 形 与断裂 的 研究 金 属 学报 ， ， 七 ， ， ， ， 李胜抵 ， 孙 中建 ， 李连诗 实心 坏 二 辊斜轧过程 二维 热力藕合分析 北 京科技大学学报 ， ， 一 一 一 名箩 ， 月百 心 ，， 之 ” 舒 ，，， 产 ， 七 ， ， 介 ， ， ， 一 一 ， 一 一 一 一 ， 一 ， 可