D0L:10.13374h.issn1001-053x.2011.06.017 第33卷第6期 北京科技大学学报 Vol.33 No.6 2011年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2011 小断面收缩率轴类零件楔横轧成形的可行性分析 刘文科 张康生回 胡正寰 北京科技大学机械工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:zhang.ks@me.ustb.eu.cn 摘要利用ANSYS/LS-DYNA软件，对楔横轧小断面收缩率轴类零件的成形过程进行了有限元数值模拟，通过与常规断面 收缩率轧件对比，分析了小断面收缩率轧件的表面和心部质量情况.结果表明：相同工艺参数条件下，小断面收缩率轧件横截 面的椭圆度大于常规断面收缩率轧件：由于小断面收缩率轧件中心点处的平均应力和最大主应力均较大，因而更容易发生心 部缺陷。提出了改善轧件表面和心部质量的措施。经轧制实验验证，楔横轧成形小断面收缩率轴类零件是可行的. 关键词轴：楔横轧：金属成形：有限元法：应力分析 分类号TG335.19 Feasibility study on forming light area reduction shafts by cross wedge rolling LIU Wen-ke,ZHANG Kang-sheng,HU Zheng-huan School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:zhang.ks@me.ustb.edu.cn ABSTRACT The forming process of light area reduction shafts by cross wedge rolling was simulated with the analysis software AN- SYS/LS-DYNA.Surface and central qualities of light area reduction rolled pieces were analyzed in comparison with those of conven- tional area reduction rolled pieces.It is found that the ovality of the light area reduction rolled piece exceeds that of the conventional ar- ea reduction rolled piece under the same process parameter condition.Compared with the conventional area reduction rolled piece,the light area reduction rolled piece is more prone to central defects due to its both larger mean stress and maximum principal stress at the central point.Some measures to improve surface and central qualities of the rolled piece were proposed.Rolling experiments were car- ried out and the results demonstrate that forming light area reduction shafts by cross wedge rolling is feasible. KEY WORDS shafts;cross wedge rolling:metal forming:finite element method:stress analysis 楔横轧是一种轴类零件成形新工艺，与传统的 提高生产效率、节省材料和降低成本具有积极意义. 切削、锻造工艺相比，具有生产效率高、节约材料和 与常规断面收缩率零件相比，小断面收缩率轴 劳动条件好等优点，被公认是当今先进制造技术的 类零件的金属变形主要集中在表面及其附近区域 组成部分四.其工作原理为：两个带楔形模具的轧辊 由于径向压缩量相对较小，在轧制过程中金属不容 以相同方向旋转，带动轧件反向旋转，轧制成轴类零 易从外部擀出，轴向流动困难，容易出现椭圆化或锥 件.楔横轧的主要变形是径向压缩和轴向延伸回 度问题，同时心部也容易出现疏松或孔腔等缺陷. 小断面收缩率轴类零件是指在楔横轧加工过程 以往对于楔横轧的研究多集中在常规断面收缩率和 中横截面积缩减率小于35%的轴类零件.适合楔横 大断面收缩率零件上，对于小断面收缩率轴类零件 轧成形的阶梯轴中绝大多数都含有小断面收缩率截 尚未进行过专门研究.本文建立了小断面收缩 面，某些零件甚至大部分截面都属于小断面收缩率. 率轴类零件的楔横轧有限元模型，通过模拟和实验 随着我国工业经济的飞速发展，这类零件的市场需 结果分析对楔横轧成形小断面收缩率轴类零件的可 求越来越大，开发这类产品的楔横轧成形技术，对于 行性进行探讨. 收稿日期：2010-08-02 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No.51075030)第 33 卷 第 6 期 2011 年 6 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 6 Jun． 2011 小断面收缩率轴类零件楔横轧成形的可行性分析 刘文科 张康生 胡正寰 北京科技大学机械工程学院，北京 100083 通信作者，E-mail: zhang． ks@ me． ustb． edu． cn 摘 要 利用 ANSYS /LS-DYNA 软件，对楔横轧小断面收缩率轴类零件的成形过程进行了有限元数值模拟，通过与常规断面 收缩率轧件对比，分析了小断面收缩率轧件的表面和心部质量情况． 结果表明: 相同工艺参数条件下，小断面收缩率轧件横截 面的椭圆度大于常规断面收缩率轧件; 由于小断面收缩率轧件中心点处的平均应力和最大主应力均较大，因而更容易发生心 部缺陷． 提出了改善轧件表面和心部质量的措施． 经轧制实验验证，楔横轧成形小断面收缩率轴类零件是可行的． 关键词 轴; 楔横轧; 金属成形; 有限元法; 应力分析 分类号 TG335. 19 Feasibility study on forming light area reduction shafts by cross wedge rolling LIU Wen-ke，ZHANG Kang-sheng ，HU Zheng-huan School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: zhang． ks@ me． ustb． edu． cn ABSTRACT The forming process of light area reduction shafts by cross wedge rolling was simulated with the analysis software AN￾SYS /LS-DYNA． Surface and central qualities of light area reduction rolled pieces were analyzed in comparison with those of conven￾tional area reduction rolled pieces． It is found that the ovality of the light area reduction rolled piece exceeds that of the conventional ar￾ea reduction rolled piece under the same process parameter condition． Compared with the conventional area reduction rolled piece，the light area reduction rolled piece is more prone to central defects due to its both larger mean stress and maximum principal stress at the central point． Some measures to improve surface and central qualities of the rolled piece were proposed． Rolling experiments were car￾ried out and the results demonstrate that forming light area reduction shafts by cross wedge rolling is feasible． KEY WORDS shafts; cross wedge rolling; metal forming; finite element method; stress analysis 收稿日期: 2010--08--02 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( No． 51075030) 楔横轧是一种轴类零件成形新工艺，与传统的 切削、锻造工艺相比，具有生产效率高、节约材料和 劳动条件好等优点，被公认是当今先进制造技术的 组成部分［1］． 其工作原理为: 两个带楔形模具的轧辊 以相同方向旋转，带动轧件反向旋转，轧制成轴类零 件． 楔横轧的主要变形是径向压缩和轴向延伸［2］． 小断面收缩率轴类零件是指在楔横轧加工过程 中横截面积缩减率小于 35% 的轴类零件． 适合楔横 轧成形的阶梯轴中绝大多数都含有小断面收缩率截 面，某些零件甚至大部分截面都属于小断面收缩率． 随着我国工业经济的飞速发展，这类零件的市场需 求越来越大，开发这类产品的楔横轧成形技术，对于 提高生产效率、节省材料和降低成本具有积极意义． 与常规断面收缩率零件相比，小断面收缩率轴 类零件的金属变形主要集中在表面及其附近区域． 由于径向压缩量相对较小，在轧制过程中金属不容 易从外部擀出，轴向流动困难，容易出现椭圆化或锥 度问题，同时心部也容易出现疏松或孔腔等缺陷． 以往对于楔横轧的研究多集中在常规断面收缩率和 大断面收缩率零件上，对于小断面收缩率轴类零件 尚未进行过专门研究［3--8］． 本文建立了小断面收缩 率轴类零件的楔横轧有限元模型，通过模拟和实验 结果分析对楔横轧成形小断面收缩率轴类零件的可 行性进行探讨． DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.06.017