江洋等：楔横轧成形25CMo4厚壁空心轴件的不圆度分析 ·385· Some process parameters were investigated by verifying the cross wedge rolling experiment,and the experimental results and simulation results were compared.The results show that the prediction accuracy of the FE model is high. KEY WORDS 25CrMo4:thick-walled hollow shaft:cross-wedge rolling:numerical simulation:roundness error 国内外高铁车轴逐渐由实心轴向空心轴转变. 但若工艺参数选择不当，轧件会出现“失圆”现象， 空心车轴属于厚壁轴类件，是现代高速铁路机车的 会影响轧件后续机加工性能，严重时可使轧件报 关键零件.楔横轧工艺具有高效、节材、产品综合力 废.本文针对25CMo4厚壁空心轴类件的楔横 学性能良好等技术优势，己经在成形实心轴类零件 轧成形过程进行有限元仿真和验证性实验研究.首 上得到广泛的应用而.近十年来，关于空心轴类件 先通过热压缩实验获得25CMo4真应力一应变曲 楔横轧轧制工艺的研究逐步开展，研究对象多以薄 线，利用Deform3D有限元软件建立带芯棒的厚壁 壁空心轴为主，研究方法多为理论分析-)和数值 空心轴楔横轧成形有限元仿真模型，分析厚壁空心 仿真-).在这些研究中，仿真和实验所采用的坯料 轴楔横轧成形机理，探讨关键工艺参数对不圆度的 材料多为45号钢，而实际高铁车轴多采用含C、 影响规律，最后针对部分工艺参数进行楔横轧实验 Mo、N元素的低碳合金钢图，材料高温变形行为的 研究，验证有限元模型的正确性，得出避免出现“失 差异将导致数值仿真结果与实际情况存在一定差 圆”现象的最佳工艺参数范围 异.郑书华等可采用数值仿真和缩小比例楔横轧实 1数值仿真建模 验，研究了42CMo空心轴楔横轧多楔轧制壁厚均 匀性问题，他们发现在一定的成形角和展宽角范围 1.125CrMo4热变形行为 内，壁厚波动不大、相对均匀.i等0-首先针对空 准确的材料变形行为对于塑性加工过程数值仿 心气门材料4C9Si2进行热压缩实验获得其高温变 真具有重要的意义，为准确模拟25CMo4厚壁空心 形行为，再通过探索性实验和有限元仿真手段研究 轴楔横轧成形过程提供实验数据支撑.结合楔横轧 了空心气门的楔横轧工艺，获得了成形质量较好的 工艺特点，确定热压缩实验流程见图1(a),实验所 成形角和展宽角范围.Yang等2-研究了工艺参 用材料为德国标准的25CMo4合金钢，试样尺寸和 数对薄壁空心轴楔横轧成形椭圆度的影响规律，并 热压缩后试样实物分别见图1(b)和1(c).热压缩 引入了椭圆度系数实现了特定工艺参数范围内椭圆 实验在北京科技大学Gleeble--l500热模拟试验机 度的预测，最终把获得的最佳工艺参数应用于卡车 上进行，变形温度为1050、1100和1150℃，应变速 空心轴套楔横轧工艺中 率为1和10s1,对变形温度和应变速率进行全排 采用楔横轧轧制空心轴，若轧件承受压缩变形， 列共6组实验.实验时以20℃·s的速度加热至变 易产生压扁缺陷.在厚壁空心轴轧制过程中，管壁 形温度，保温5min再进行等温压缩变形，压缩至真 厚度增加，抗弯能力增强，故不易出现压扁变形. 应变1，压缩后立即水淬冷却. b 002四A 18±0.0s 0.03A y 保温5min 形 升温 水冷 20℃· 时间s 68 图1热压缩实验流程与试样.(a)实验流程：(b)试样尺寸（单位：mm):(c)热压缩后试样 Fig.1 Procedure and specimen of hot compression test:(a)test program:(b)dimension of a specimen unit:mm);(c)specimens by hot com- pression 利用Gleeble热模拟试验机记录载荷-位移曲 1.2几何模型与边界条件 线，通过计算得到25CMo4真应力-应变曲线，如图 图3为轧辊、轧件的示意图.利用CAD软件 2所示.实验获得的真应力一应变曲线数据为楔横 Po/E建立轧辊、轧件、导板及芯棒三维模型，导入 轧有限元仿真提供材料模型. Deform3D有限元软件.江 洋等: 楔横轧成形 25CrMo4 厚壁空心轴件的不圆度分析 Some process parameters were investigated by verifying the cross wedge rolling experiment，and the experimental results and simulation results were compared． The results show that the prediction accuracy of the FE model is high． KEY WOＲDS 25CrMo4; thick-walled hollow shaft; cross-wedge rolling; numerical simulation; roundness error 国内外高铁车轴逐渐由实心轴向空心轴转变． 空心车轴属于厚壁轴类件，是现代高速铁路机车的 关键零件． 楔横轧工艺具有高效、节材、产品综合力 学性能良好等技术优势，已经在成形实心轴类零件 上得到广泛的应用［1］． 近十年来，关于空心轴类件 楔横轧轧制工艺的研究逐步开展，研究对象多以薄 壁空心轴为主，研究方法多为理论分析［2--4］和数值 仿真［5--7］． 在这些研究中，仿真和实验所采用的坯料 材料多为 45 号钢，而实际高铁车轴多采用含 Cr、 Mo、Ni 元素的低碳合金钢［8］，材料高温变形行为的 差异将导致数值仿真结果与实际情况存在一定差 异． 郑书华等［9］采用数值仿真和缩小比例楔横轧实 验，研究了 42CrMo 空心轴楔横轧多楔轧制壁厚均 匀性问题，他们发现在一定的成形角和展宽角范围 内，壁厚波动不大、相对均匀． Ji 等［10--11］首先针对空 心气门材料 4Cr9Si2 进行热压缩实验获得其高温变 形行为，再通过探索性实验和有限元仿真手段研究 了空心气门的楔横轧工艺，获得了成形质量较好的 成形角和展宽角范围． Yang 等［12--13］研究了工艺参 数对薄壁空心轴楔横轧成形椭圆度的影响规律，并 引入了椭圆度系数实现了特定工艺参数范围内椭圆 度的预测，最终把获得的最佳工艺参数应用于卡车 空心轴套楔横轧工艺中． 采用楔横轧轧制空心轴，若轧件承受压缩变形， 易产生压扁缺陷． 在厚壁空心轴轧制过程中，管壁 厚度增加，抗弯能力增强，故不易出现压扁变形［14］． 但若工艺参数选择不当，轧件会出现“失圆”现象， 会影响轧件后续机加工性能，严重时可使轧件报 废［15］． 本文针对 25CrMo4 厚壁空心轴类件的楔横 轧成形过程进行有限元仿真和验证性实验研究． 首 先通过热压缩实验获得 25CrMo4 真应力--应变曲 线，利用 Deform-3D 有限元软件建立带芯棒的厚壁 空心轴楔横轧成形有限元仿真模型，分析厚壁空心 轴楔横轧成形机理，探讨关键工艺参数对不圆度的 影响规律，最后针对部分工艺参数进行楔横轧实验 研究，验证有限元模型的正确性，得出避免出现“失 圆”现象的最佳工艺参数范围． 1 数值仿真建模 1. 1 25CrMo4 热变形行为 准确的材料变形行为对于塑性加工过程数值仿 真具有重要的意义，为准确模拟 25CrMo4 厚壁空心 轴楔横轧成形过程提供实验数据支撑． 结合楔横轧 工艺特点，确定热压缩实验流程见图 1( a) ，实验所 用材料为德国标准的 25CrMo4 合金钢，试样尺寸和 热压缩后试样实物分别见图 1( b) 和 1( c) ． 热压缩 实验在北京科技大学 Gleeble--1500 热模拟试验机 上进行，变形温度为 1050、1100 和 1150 ℃，应变速 率为 1 和 10 s － 1，对变形温度和应变速率进行全排 列共 6 组实验． 实验时以 20 ℃·s － 1的速度加热至变 形温度，保温 5 min 再进行等温压缩变形，压缩至真 应变 1，压缩后立即水淬冷却． 图 1 热压缩实验流程与试样． ( a) 实验流程; ( b) 试样尺寸( 单位: mm) ; ( c) 热压缩后试样 Fig． 1 Procedure and specimen of hot compression test: ( a) test program; ( b) dimension of a specimen ( unit: mm) ; ( c) specimens by hot com￾pression 利用 Gleeble 热模拟试验机记录载荷--位移曲 线，通过计算得到 25CrMo4 真应力--应变曲线，如图 2 所示． 实验获得的真应力--应变曲线数据为楔横 轧有限元仿真提供材料模型． 1. 2 几何模型与边界条件 图 3 为轧辊、轧件的示意图． 利用 CAD 软件 Pro /E 建立轧辊、轧件、导板及芯棒三维模型，导入 Deform-3D 有限元软件． · 583 ·