·784· 工程科学学报，第37卷，第6期 凸棱的升高，升高后的连接颈体积与两侧球台吸收的 1150℃：从入料端看，轧辊逆时针旋转，转速为110r· 体积之和应等于升高前的连接颈体积 min':轧件的初始总网格数为215316，模拟步数为 Vag=2(.a-V.ag）+Ve (2) 1000步，轧辊每步旋转约为1.32°. 根据以上原则，本文设计的3l.2mm钢球的单 在DEFORM--3D里建立的斜轧钢球模型如图3 螺旋斜轧轧辊孔型基本参数如表1所示 所示. 表1轧辊孔型主要参数 Table 1 Main parameters of the roller 参数 数值 轧辊外径/mm 200 板 型槽半径/mm 15.6 储料槽半径/mm 3.5 凸棱长度/() 1080 初始凸棱高度/mm 2 轧辊 初始凸棱宽度/mm 1.7 精整凸棱高度/mm 图3钢球斜轧成形有限元模型 14.6 Fig.3 FEM model of ball skew rolling 精整凸棱宽度/mm 5.5 2.3模拟结果 2.2限元模型的建立 图4所示为钢球斜轧的成形过程.由图4(a)可 根据设计数据，在PRO/E中建立轧辊、导板和棒 见，棒料在成形过程中，是螺旋前进的，同时受轧辊凸 料(30mm×100mm)的三维实体模型，后导入DE- 棱由浅到深的挤压作用，棒料局部金属产生径向压缩 FORM-3D有限元软件，并设置相应模拟参数：轧辊和 和轴向延伸.轧辊每旋转一周，成形一个整球.如图4 导板为刚体，棒料为塑性体；轧件材料为45钢，材料 (b)所示，有限元的成形过程和实际轧制过程的外形 参数取自DEFORM--3D软件的材料模型库；轧辊和轧 相同，相应的尺寸对比如表2所示，误差较小，最大误 件之间为剪切摩擦，轧件与导板之间无摩擦：轧制过程 差为5.79%.因此，本文建立的钢球斜轧成形有限元 为恒温，轧辊和导板的温度为20℃，轧件的温度为 模型是可信的 a 456720 图4钢球斜轧成形.(a)成形过程：(b)有限元与实验对比 Fig.4 Ball skew rolling:(a)FEM forming process:(b)comparison between FEM and experiment 表2有限元与实验的数据 Table 2 FEM and experimental data 3 钢球斜轧的金属流动规律 参数 有限元值/mm 实验值/mm 误差/% 斜轧成形钢球主要是控制轧件的变形，而轧件的 S处直径 7.29 7.70 5.32 变形情况是轧制过程中轧件金属流动结果的直观体 S处长度 4.99 5.20 4.04 现，轧件金属的流动状态才是斜轧成形钢球的本质. T处直径 23.10 23.16 0.26 为此，在棒料的轴向方向上选取13个截面(A→M截 面)上的117个追踪点对钢球斜轧成形过程中的金属 T处长度 2.28 2.42 5.79 流动情况进行分析，如图5所示.其中，A→L截面之间工程科学学报，第 37 卷，第 6 期 凸棱的升高，升高后的连接颈体积与两侧球台吸收的 体积之和应等于升高前的连接颈体积． Va，α + β = 2(Vc，α － Vc，α + β ) + Va，α ． (2) 根据以上原则，本文设计的 31. 2 mm 钢球的单 螺旋斜轧轧辊孔型基本参数如表 1 所示． 表 1 轧辊孔型主要参数 Table 1 Main parameters of the roller 参数 数值 轧辊外径/mm 200 型槽半径/mm 15. 6 储料槽半径/mm 3. 5 凸棱长度/(°) 1080 初始凸棱高度/mm 2 初始凸棱宽度/mm 1. 7 精整凸棱高度/mm 14. 6 精整凸棱宽度/mm 5. 5 2. 2 限元模型的建立 根据设计数据，在 PRO/E 中建立轧辊、导板和棒 料(30 mm × 100 mm) 的三维实体模型，后导入 DE￾FORM--3D 有限元软件，并设置相应模拟参数:轧辊和 导板为刚体，棒料为塑性体;轧件材料为 45# 钢，材料 参数取自 DEFORM--3D 软件的材料模型库;轧辊和轧 件之间为剪切摩擦，轧件与导板之间无摩擦;轧制过程 为恒温，轧辊和导板的温度为 20 ℃，轧 件 的 温 度 为 1150 ℃ ;从入料端看，轧辊逆时针旋转，转速为 110 r· min － 1 ;轧件的初始总网格数为 215316，模 拟 步 数 为 1000 步，轧辊每步旋转约为 1. 32°． 在 DEFORM--3D 里建立的斜轧钢球模型如图 3 所示． 图 3 钢球斜轧成形有限元模型 Fig． 3 FEM model of ball skew rolling 2. 3 模拟结果 图 4 所示为钢球斜轧的成形过程． 由图 4 ( a) 可 见，棒料在成形过程中，是螺旋前进的，同时受轧辊凸 棱由浅到深的挤压作用，棒料局部金属产生径向压缩 和轴向延伸． 轧辊每旋转一周，成形一个整球． 如图 4 (b)所示，有限元的成形过程和实际轧制过程的外形 相同，相应的尺寸对比如表 2 所示，误差较小，最大误 差为 5. 79% ． 因此，本文建立的钢球斜轧成形有限元 模型是可信的． 图 4 钢球斜轧成形． (a)成形过程;(b)有限元与实验对比 Fig． 4 Ball skew rolling: (a) FEM forming process; (b) comparison between FEM and experiment 表 2 有限元与实验的数据 Table 2 FEM and experimental data 参数 有限元值/mm 实验值/mm 误差/% S 处直径 7. 29 7. 70 5. 32 S 处长度 4. 99 5. 20 4. 04 T 处直径 23. 10 23. 16 0. 26 T 处长度 2. 28 2. 42 5. 79 3 钢球斜轧的金属流动规律 斜轧成形钢球主要是控制轧件的变形，而轧件的 变形情况是轧制过程中轧件金属流动结果的直观体 现，轧件金属的流动状态才是斜轧成形钢球的本质． 为此，在棒料的轴向方向上选取 13 个截面( A→M 截 面)上的 117 个追踪点对钢球斜轧成形过程中的金属 流动情况进行分析，如图5 所示． 其中，A→L 截面之间 ·784·