第6期 刘文科等：小断面收缩率轴类零件楔横轧成形的可行性分析 ·763 1 模型与边界条件 ,e=a,(el+(管)] (1) 1.1有限元模型 式中，σ，(e)为没有考虑应变率时的屈服应力， 本文基于ANSYS/LS-DYNA有限元软件分析平 MPa;e为有效应变；e为有效应变速率；C、P为应 台，建立楔横轧小断面收缩率轴类零件的有限元模 变率参数 型，该模型由上下配有模具的轧辊及轧件构成，如图 模拟中轧件材料选择为45钢，采用八节点三维 1所示.为了方便视图，图中省略了挡板.考虑到轧 实体单元(Solid164)进行离散，材料弹性模量E= 辊和轧件的左右对称性，模拟中可对其进行1/2对 90GPa.轧辊与轧件之间的接触采用面一面接触模 称简化，并在对称面上施加轴向几何约束. 型(STS),轧辊表面为目标面，轧件表面为接触面. 摩擦类型简化为库仑摩擦，摩擦因数取u=0.5.轧 制过程中轧件温度设定为1100℃.模拟的其他主 要参数如表1所示. 轧件 表1主要模拟参数 Table 1 Main process parameters for simulation 轧辊直径，成形角，展宽角，展宽长度，轧辊转速，坯料直径， D/mm al()Bl()L/mm n/(r'min-1)D/mm 下辊 50028,39,513,5 120 12 40 图1楔横轧有限元模型 Fig.1 Finite element model of cross wedge rolling 2模拟结果与分析 1.2模拟边界条件 2.1轧件的成形过程 轧辊与模具视为刚性体，采用刚性壳单元 图2为轧件在轧制过程楔入、展宽和精整三个 (Shell163)对模具进行离散，材料弹性模量E= 阶段时的成形状态.可以看出，变形从轧辊楔入轧 210GPa.轧件采用多段线性弹塑性体，非线性特性 件开始，随着轧制过程的不断进行，轧件径向不断 采用Cowper-Symbols模型，考虑应变率的影响，其本 被压缩，轴向不断被延伸，最终被轧制成需要的小 构方程如下回： 断面收缩率轴类零件. a (b) 图2轧件成形过程.(a)楔入段：(b)展宽段：(c)精整段 Fig.2 Forming process of the rolled piece:(a)knifing zone:(b)sketching zone:(c)sizing zone 2.2轧件表面质量分析 为了考察小断面收缩率轧件的表面成形质量状 况，采用横截面的椭圆度进行衡量，其计算公式 如下： A=D二D×100% (2) D a b 式中，入为椭圆度，D为轧件横截面最大直径，Dm 图3椭圆度测量示意图.()横截面位置选取：(b)椭圆度测量 为轧件横截面最小直径，D为轧件标称直径. Fig.3 Diagram of ovality measurements:(a)locations of 4 cross sec- 沿轧件的轴向位置选取A、B、C和D四个横截 tions:(b)ovality measurements 面，距离对称面位置分别为0、20、40和60mm,并测 角B为5°、断面收缩率山分别为27.75%和51%条 量各个横截面处的最大直径Dr和最小直径Dm 件下的轧件的横截面椭圆度比较.从表中可以看 (图3)，通过计算即可得到横截面的椭圆度入.显 出：小断面收缩率轧件各横截面处的椭圆度较大，其 然，椭圆度入值越小，轧件表面成形质量越好. 平均值达到3.13%；而常规断面收缩率轧件横截面 表2中第1、2组所示为成形角α为28°、展宽 的椭圆度相对较小，平均值为1.09%.这说明小断第 6 期 刘文科等: 小断面收缩率轴类零件楔横轧成形的可行性分析 1 模型与边界条件 1. 1 有限元模型 本文基于 ANSYS /LS-DYNA 有限元软件分析平 台，建立楔横轧小断面收缩率轴类零件的有限元模 型，该模型由上下配有模具的轧辊及轧件构成，如图 1 所示． 为了方便视图，图中省略了挡板． 考虑到轧 辊和轧件的左右对称性，模拟中可对其进行 1 /2 对 称简化，并在对称面上施加轴向几何约束． 图 1 楔横轧有限元模型 Fig． 1 Finite element model of cross wedge rolling 1. 2 模拟边界条件 轧辊与 模 具 视 为 刚 性 体，采用刚性壳单元 ( Shell 163) 对模具进行离散，材料弹性模量 E = 210 GPa． 轧件采用多段线性弹塑性体，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［9］: σy ( εP eff，ε ·P eff ) = σy ( εP eff [ ) 1 + ( ε ·P eff ) C 1 ] P ( 1) 式中，σy ( εP eff ) 为没有考虑应变率时的屈服应力， MPa; εP eff为有效应变; ε ·P eff为有效应变速率; C、P 为应 变率参数． 模拟中轧件材料选择为 45 钢，采用八节点三维 实体单元( Solid 164) 进行离散，材料弹性模量 E = 90 GPa． 轧辊与轧件之间的接触采用面--面接触模 型( STS) ，轧辊表面为目标面，轧件表面为接触面． 摩擦类型简化为库仑摩擦，摩擦因数取 μ = 0. 5． 轧 制过程中轧件温度设定为 1 100 ℃ ． 模拟的其他主 要参数如表 1 所示． 表 1 主要模拟参数 Table 1 Main process parameters for simulation 轧辊直径， D/mm 成形角， α/( °) 展宽角， β/( °) 展宽长度， L/mm 轧辊转速， n/( r·min －1 ) 坯料直径， D/mm 500 28，39，51 3，5 120 12 40 2 模拟结果与分析 2. 1 轧件的成形过程 图 2 为轧件在轧制过程楔入、展宽和精整三个 阶段时的成形状态． 可以看出，变形从轧辊楔入轧 件开始，随着轧制过程的不断进行，轧件径向不断 被压缩，轴向不断被延伸，最终被轧制成需要的小 断面收缩率轴类零件． 图 2 轧件成形过程 . ( a) 楔入段; ( b) 展宽段; ( c) 精整段 Fig． 2 Forming process of the rolled piece: ( a) knifing zone; ( b) sketching zone; ( c) sizing zone 2. 2 轧件表面质量分析 为了考察小断面收缩率轧件的表面成形质量状 况，采用横截面的椭圆度进行衡量，其 计 算 公 式 如下: λ = Dmax － Dmin D × 100% ( 2) 式中，λ 为椭圆度，Dmax为轧件横截面最大直径，Dmin 为轧件横截面最小直径，D 为轧件标称直径． 沿轧件的轴向位置选取 A、B、C 和 D 四个横截 面，距离对称面位置分别为 0、20、40 和 60 mm，并测 量各个横截面处的最大直径 Dmax 和最小直径 Dmin ( 图 3) ，通过计算即可得到横截面的椭圆度 λ． 显 然，椭圆度 λ 值越小，轧件表面成形质量越好． 表 2 中第 1、2 组所示为成形角 α 为 28°、展宽 图 3 椭圆度测量示意图 . ( a) 横截面位置选取; ( b) 椭圆度测量 Fig． 3 Diagram of ovality measurements: ( a) locations of 4 cross sec￾tions; ( b) ovality measurements 角 β 为 5°、断面收缩率 ψ 分别为 27. 75% 和 51% 条 件下的轧件的横截面椭圆度比较． 从表中可以看 出: 小断面收缩率轧件各横截面处的椭圆度较大，其 平均值达到 3. 13% ; 而常规断面收缩率轧件横截面 的椭圆度相对较小，平均值为 1. 09% ． 这说明小断 ·763·