。526 北京科技大学学报 第32卷 表1轧辊模具及轧件主要工艺参数表 Table 1 Ma in technologic parame ters of he roller and the rolled piece 成形角，a八) 展宽角，B/(°) 轧件外径，D/mm 轧件内径，dymm 壁厚减薄率，入% 展宽量L/m 30-50 2-6 45 20 30 80 注：入=(D-D)/(D-d. 1.2热力耦合模型及边界条件 本文采用热力耦合模型，模型包括上下轧辊、轧 件、芯棒及导板（图2）.轧件材料选用45钢，轧辊、 芯棒材料选用热物理性能优良的通用型热作模具钢 4C5MMS钢.轧件采用相对网格划分方式， 初始单元总数为3.5万，轧后达到8万.考虑热传 0OOOO◎⊙ 导，热辐射、对流传热、塑性功及摩擦生热等因 图3轧件成形过程图 素，主要换热系数如表2所示.摩擦模型为剪切 Fg 3 Fom ing pocess of the workpjece 摩擦.采用刚塑性有限元来简化模型.考虑到结构 的对称性，为节约计算时间，取模型的12进行 计算. 轧件 棒 图4模拟结果纵剖面图 上下轧银 F4 Sectionalview of he smulation result 导板 形阶段9-川，因此展宽段能充分反映轧件的金属流 动规律以及应力、应变的分布对轧件成形的影响规 图2楔横轧有限元模型图 律.所以选取在展宽段1094时对轧件的应力、应 F FEM malel of cross wedge olling 变场进行有限元分析. 表2主要换热系数 22.1轧制过程应变分布特征 Table 2 Ma in heat transfer coeffic ients 由图5(3、图5(b可知，轧件在轧辊旋转啮合 接触传导换热系数/对流换热系数/热辐 热功转 作用下发生横向变形和纵向压缩变形，由于轧件变 (N~.mr.℃-)(N-1.mrl.℃-)射率 换系数 形区在半径方向上被压缩，因此在整个变形区域内 29 0.25 0.6 09 横向应变x纵向应变E都为压应变，最大压应变 都发生在轧件变形区外表面，并向内表面逐层减小， 2模拟结果及分析 同时芯棒对接触的内表面也产生挤压应变.另外， 变形区金属被径向压缩，向纵向流动的同时又有向 2.1轧件的成形过程 横向流动的趋势，致使横截面上的变形很不均匀. 图3为轧件成形过程图.可以看到，轧件在展 从图5(、图5(b可以很明显地看到纵向压应变 宽段横截面出现椭圆化，待展宽成形完成后，内表面 e:要大于横向压应变es表现为纵向变形大于横向 由于芯棒的支撑作用，轧件在轧辊精整作用下，横截 变形，横向直径压缩滞后，横截面出现椭圆化趋势. 面形状由椭圆精整到圆形，而外表面在轧辊的作用 图5(9为轴向应变e的分布图.在轧件与轧辊成 下实现径向压缩、轴向延伸变形，逐渐成形为等内径 形面的接触区域为压应变，而在成形区域均为拉应 空心阶梯轴.另外，从图4可以看到，尽管有芯棒的 变，最大拉应变为外表面金属，并向内表面逐层递 支撑作用，但是得到的内表面沿轴向在两端台阶处 减.图5（为等效应变e的分布图.从图中可以很 有略微的凹陷，同时外表面轴肩部分也产生隆起 明显地看到等效应变由内向外很有层次的变化，最 现象. 大等效应变值在轧件的成形外表面，并向内逐层 2.2轧件的应力应变分布特征 减小. 轧件的成形主要发生在展宽段，展宽段为主变 图6为轧件纵截面上应变分布图.从图中能很北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 表 1 轧辊模具及轧件主要工艺参数表 Table1 Maintechnologicparametersoftherollerandtherolledpiece 成形角, α/( °) 展宽角, β /( °) 轧件外径, D/mm 轧件内径, d/mm 壁厚减薄率, λ/% 展宽量, L/mm 30 ～ 50 2 ～ 6 45 20 30 80 注:λ=( D-D1 ) /(D-d) . 1.2 热力耦合模型及边界条件 本文采用热力耦合模型, 模型包括上下轧辊、轧 件 、芯棒及导板 (图 2) .轧件材料选用 45 #钢, 轧辊 、 芯棒材料选用热物理性能优良的通用型热作模具钢 4Cr5MoV1Si钢 [ 3--4] .轧件采用相对网格划分方式, 初始单元总数为 3.5万, 轧后达到 8万 .考虑热传 导 、热辐射 、对 流传热、塑性功 及摩擦生热等因 素 [ 5--8] , 主要换热系数如表 2所示.摩擦模型为剪切 摩擦.采用刚塑性有限元来简化模型.考虑到结构 的对称性, 为节约计算时间, 取模型的 1/2 进行 计算. 图 2 楔横轧有限元模型图 Fig.2 FEMmodelofcrosswedgerolling 表 2 主要换热系数 Table2 Mainheattransfercoefficients 接触传导换热系数 / ( N·s-1·mm-1·℃ -1 ) 对流换热系数 / (N·s-1·mm-1·℃-1 ) 热辐 射率 热功转 换系数 29 0.25 0.6 0.9 2 模拟结果及分析 2.1 轧件的成形过程 图 3为轧件成形过程图.可以看到, 轧件在展 宽段横截面出现椭圆化, 待展宽成形完成后, 内表面 由于芯棒的支撑作用, 轧件在轧辊精整作用下, 横截 面形状由椭圆精整到圆形, 而外表面在轧辊的作用 下实现径向压缩 、轴向延伸变形, 逐渐成形为等内径 空心阶梯轴 .另外, 从图 4可以看到, 尽管有芯棒的 支撑作用, 但是得到的内表面沿轴向在两端台阶处 有略微的凹陷, 同时外表面轴肩部分也产生隆起 现象. 2.2 轧件的应力应变分布特征 轧件的成形主要发生在展宽段, 展宽段为主变 图 3 轧件成形过程图 Fig.3 Formingprocessoftheworkpiece 图 4 模拟结果纵剖面图 Fig.4 Sectionalviewofthesimulationresult 形阶段 [ 9--11] , 因此展宽段能充分反映轧件的金属流 动规律以及应力、应变的分布对轧件成形的影响规 律.所以选取在展宽段 1.094 s时对轧件的应力、应 变场进行有限元分析. 2.2.1 轧制过程应变分布特征 由图 5( a) 、图 5( b)可知, 轧件在轧辊旋转啮合 作用下发生横向变形和纵向压缩变形, 由于轧件变 形区在半径方向上被压缩, 因此在整个变形区域内 横向应变 εx、纵向应变 εy都为压应变, 最大压应变 都发生在轧件变形区外表面, 并向内表面逐层减小, 同时芯棒对接触的内表面也产生挤压应变.另外, 变形区金属被径向压缩, 向纵向流动的同时又有向 横向流动的趋势, 致使横截面上的变形很不均匀. 从图 5( a) 、图 5( b)可以很明显地看到纵向压应变 εy要大于横向压应变 εx, 表现为纵向变形大于横向 变形, 横向直径压缩滞后, 横截面出现椭圆化趋势. 图 5( c)为轴向应变 εz的分布图.在轧件与轧辊成 形面的接触区域为压应变, 而在成形区域均为拉应 变, 最大拉应变为外表面金属, 并向内表面逐层递 减.图 5( d)为等效应变 ε的分布图.从图中可以很 明显地看到等效应变由内向外很有层次的变化, 最 大等效应变值在轧件的成形外表面, 并向内逐层 减小 . 图 6为轧件纵截面上应变分布图.从图中能很 · 526·