郑振华等：钢球斜轧成形的金属流动规律 ·787 16 截而A 截面H (a) 截面A 一截面B—一截面/ 。一截面B 12 成面C 截面 截面C 10 截面D 截面D 一截面E 一截面F “截面K -截面G 一截面L 0.20.40.60.8 1.012 0 0.20.40.60.81.01.2 时间s 时间/s 图9各截面表面点的相对轴向位移量.(a)所有截面：(b)截面A→D Fig.9 Relative axial displacement of surface points:(a)all sections:(b)sections A-D 处于自由的未轧刺区域内：而在旋转第2圈内，截面D 继续受到凸棱(720°→360)的轧制作用，变形量继续 增大，截面A→C和截面E→H已处于已成形球体内 部，不受直接轧制，变形量保持稳定，截面I→L则开始 受到凸棱(1080°→720)的轧制作用，产生变形，变形 情况与截面A→D在轧辊旋转第1圈内的变形情况 相同. (2)各截面的变形时间不同.以截面A→D为例， 截面A和B的变形时间为0.15~0.34s,截面C的变 形时间为0~0.38s,截面D的变形时间为0~0.98s. 同时，从图中可以看出各点的金属变形量是以周期振 图10金属流动简化示意图 荡方式增大的.这是由于轧件是在旋转过程中成形 Fig.10 Simplified map of metal flow 的，对于整体坯料而言，变形是连续局部变形，但对局 DEFORM-3D软件对其成形过程的有限元模拟是可行的 部金属而言，轧件每旋转半周，其同一位置的金属才与 (2)钢球斜轧成形过程的主要变形是径向压缩和 轧辊接触一次，产生一次变形，因此变形是周期累积 轴向延伸.从棒料到球体是靠凸棱的挤压作用以及相 的，直至最终完成整个变形 隔360°凸棱形成的封闭槽型作用而成的，离凸棱近的 (3)各截面的变形量不同.以截面A→D为例，在 金属其径向压缩量和轴向延伸量大，离球体中心对称 第1圈轧制（凸棱1080°→720）结束时，截面A→D的 面近的金属其径向变形量和轴向延伸量小，且在槽底 轴向变形量分别为-0.44、0.66、1.34和8.54mm.由 附近，金属有一定的堆积. 此可见，离连接颈越近的截面，由于凸棱的径向挤压量 (3)位于球体前半球的各截面内，离中心近的金 大，其相应轴向变形量也越大，离球体对称位置越近的 属，轴向位移量大，离表面近的金属，轴向位移量小：而 截面A处于孔型的槽底，在金属未充满轧辊型槽时，径 位于球体后半球的各截面内，金属的轴向位移量变化情 向是自由的（槽型半径为15.6mm,棒料半径为15 况则与前半球的相反.棒料的各横截面内，离中心近的金 mm),其轴向变形量为负值表明截面A的金属在轴向 属，径向压缩量小，离表面近的金属，径向压缩量大 延伸时，槽底位置局部隆起，金属有所堆积，有小量的 (4)棒料上的金属是以周期振荡的方式累积变形 径向扩大现象，从而实现轧辊槽型底部的金属充满，形 的.离连接颈近的位置，金属的变形过程长，振荡次数 成整球.若孔型半径设计不合理，或者两个轧辊的中 多：离球体中心对称面近的位置，金属的变形过程短， 心距过大，则易出现槽底堆积的金属量不够，槽底未能 振荡次数少，这种振荡引起的反复拉压作用是造成球 不满，而在整球上出现环沟现象，影响成球外形尺寸. 体疏松或孔洞的原因 综上所述及分析，在不考虑棒料变形过程中扭转 (5)钢球斜轧成形时，一个整球的前后两半球的 的条件下，我们可以将由棒料成形为球体过程的金属 成形时间不同，前半球先于后半球成形，时间间隔一个 流动规律简化地由图10表示. 旋转周期，最后在精整区对整球进行精整 4结论 参考文献 (1)钢球斜轧成形过程是一个三维、非线性和大 [Li W.Development of casting wear resistant materials in China. 体积变形的过程.经过与实验结果的对比，说明利用 Foundry,2012,61(9):967郑振华等: 钢球斜轧成形的金属流动规律 图 9 各截面表面点的相对轴向位移量． (a)所有截面;(b)截面 A→D Fig． 9 Relative axial displacement of surface points: (a) all sections; (b) sections A→D 处于自由的未轧制区域内;而在旋转第 2 圈内，截面 D 继续受到凸棱(720°→360°)的轧制作用，变形量继续 增大，截面 A→C 和截面 E→H 已处于已成形球体内 部，不受直接轧制，变形量保持稳定，截面 I→L 则开始 受到凸棱(1080°→720°)的轧制作用，产生变形，变形 情况与截面 A→D 在轧辊旋转第 1 圈内的变形情况 相同． (2) 各截面的变形时间不同． 以截面 A→D 为例， 截面 A 和 B 的变形时间为 0. 15 ～ 0. 34 s，截面 C 的变 形时间为 0 ～ 0. 38 s，截面 D 的变形时间为 0 ～ 0. 98 s． 同时，从图中可以看出各点的金属变形量是以周期振 荡方式增大的． 这是由于轧件是在旋转过程中成形 的，对于整体坯料而言，变形是连续局部变形，但对局 部金属而言，轧件每旋转半周，其同一位置的金属才与 轧辊接触一次，产生一次变形，因此变形是周期累积 的，直至最终完成整个变形． (3) 各截面的变形量不同． 以截面 A→D 为例，在 第 1 圈轧制(凸棱 1080°→720°)结束时，截面 A→D 的 轴向变形量分别为 － 0. 44、0. 66、1. 34 和 8. 54 mm． 由 此可见，离连接颈越近的截面，由于凸棱的径向挤压量 大，其相应轴向变形量也越大，离球体对称位置越近的 截面 A 处于孔型的槽底，在金属未充满轧辊型槽时，径 向是 自 由 的( 槽 型 半 径 为 15. 6 mm，棒 料 半 径 为 15 mm)，其轴向变形量为负值表明截面 A 的金属在轴向 延伸时，槽底位置局部隆起，金属有所堆积，有小量的 径向扩大现象，从而实现轧辊槽型底部的金属充满，形 成整球． 若孔型半径设计不合理，或者两个轧辊的中 心距过大，则易出现槽底堆积的金属量不够，槽底未能 不满，而在整球上出现环沟现象，影响成球外形尺寸． 综上所述及分析，在不考虑棒料变形过程中扭转 的条件下，我们可以将由棒料成形为球体过程的金属 流动规律简化地由图 10 表示． 4 结论 (1) 钢球斜轧成形过程是一个三维、非线性和大 体积变形的过程． 经过与实验结果的对比，说明利用 图 10 金属流动简化示意图 Fig． 10 Simplified map of metal flow DEFORM--3D 软件对其成形过程的有限元模拟是可行的． (2) 钢球斜轧成形过程的主要变形是径向压缩和 轴向延伸． 从棒料到球体是靠凸棱的挤压作用以及相 隔 360°凸棱形成的封闭槽型作用而成的，离凸棱近的 金属其径向压缩量和轴向延伸量大，离球体中心对称 面近的金属其径向变形量和轴向延伸量小，且在槽底 附近，金属有一定的堆积． (3) 位于球体前半球的各截面内，离中心近的金 属，轴向位移量大，离表面近的金属，轴向位移量小;而 位于球体后半球的各截面内，金属的轴向位移量变化情 况则与前半球的相反． 棒料的各横截面内，离中心近的金 属，径向压缩量小，离表面近的金属，径向压缩量大． (4) 棒料上的金属是以周期振荡的方式累积变形 的． 离连接颈近的位置，金属的变形过程长，振荡次数 多;离球体中心对称面近的位置，金属的变形过程短， 振荡次数少． 这种振荡引起的反复拉压作用是造成球 体疏松或孔洞的原因． (5) 钢球斜轧成形时，一个整球的前后两半球的 成形时间不同，前半球先于后半球成形，时间间隔一个 旋转周期，最后在精整区对整球进行精整． 参 考 文 献 ［1］ Li W． Development of casting wear resistant materials in China． Foundry，2012，61(9): 967 ·787·