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,164 北京科技大学学报 第30卷 从图3(b)中可以看出，在轧辊作用区域的下方 (3)获得了磷铜球应力场分布规律，通过对其 均为压应力，而且在轧辊作用下方的压应力值最大， 进行分析，阐述了轧制过程中出现中心疏松和连接 这是由于在轧制过程中，轧件内部产生的压应力大 颈早断的原因 于其不均匀变化产生的拉应力· 从图3(c)中可以看出，在轧辊作用下方为压应 参考文献 力，沿着轴向变为零后在轴心区域达到最大值。这 [1]Jin R D.Experiment of Copper Ball in Skew rolling [Disserta 是由于在与轧辊接触的区域因摩擦力的作用限制其 tion].Beijing:University of Science and Technology Beijing, 2005,5 垂直方向的变形而产生压应力，但是摩擦力在轴心 (金仁东，斜轧磷铜球的实验研究[学位论文]北京：北京科 区域无效而产生拉应力，因此，适当的轧辊表面粗 技大学，2005：5) 糙度对轧件心部质量非常重要，随着轧制的进行， [2]Jin R D.Wang B Y.Yan S G.et al.Experiment of anodic phos- 轴向区域各个方向的拉应力增加， phor copper deformation resistance.J Baotou Univ Iron Steel 从图3(d)中可以看出，在轧辊出口处为正应 Technol,2004,23(4):332 (金仁东，王宝雨，颜世公，等，阳极磷铜变形抗力的实验研 力，在轧辊入口处为负应力，以与轧辊咬入点为界四 究.包头钢铁学院学报，2004,23(4)：332) 个区域几乎对称分布，在成形过程中成交变状态 [3]Zhou Y P.The Numerical Simulation of the Copper Ball in 由以上分析可知：轧件在成形过程中中心区域 Skew Rolling [Dissertation].Beijing:University of Science and 由二拉一压的应力状态最后变为三向拉应力状态， Technology Beijing.2007:3 使得晶粒之间有分裂的趋势，而晶粒之间的相互吸 (周永平.斜轧磷铜球成形过程的数值模拟[学位论文]，北 京：北京科技大学，2007：3) 引力阻止其分裂：如果拉应力大于晶粒之间的相互 [4]Qiao S L.Hu Z H.Inquiry into deformation of the axial section in 吸引力，那么轧件将出现中心疏松，因此笔者认为 cross rolling with helical grooves and investigation of its experi- 应合理设计轧辊，使得最终的残余应力达到最小以 ment in Moire method.JWuhan Yejin Univ Sei Technol.1994. 降低中心疏松的可能性 17(2):143 连接颈在z方向上受拉应力作用，如果拉应力 (乔沙林，胡正寰，螺旋孔型斜轧轴向断面变形的探讨及云纹 实验研究.武汉钢铁学院学报，1994,17(2)：143 大，晶体可能被破坏，晶内、晶间就产生微裂纹，微裂 [5]Jiang Z Y,Tieu A K.A simulation of three-dimensional metal 纹在交变切向拉应力τ的作用下，发展成宏观裂纹 rolling processes by rigid plastic finite element method.J Mater 而使轧件连接颈断裂.另外，连接颈受x方向拉应 Process Technol,2001,112:144 力的作用，同时两端型腔壁对其作用的压应力也将 [6]Weronski W.PaterZ.Selection of geometric parameters of trans 在x方向上（轴向）分解拉应力.此时，如果凸棱宽 verse wedge rolling tools.J Mater Process Technol.1992.34: 273 度大于连接颈长度也将产生一个附加的轴向拉应 [7]Kang Y Q.Liu JP,Yang C P,et al.Metal deformation in skew 力，附加的拉应力与其他两个力共同作用下将增加 rolling step-shaft.J Univ Sci Technol Beijing.2003.10(5):59 连接颈早断的可能性；但是如果凸棱宽度小于连接 [8]Du HP.Study of the Key Subjects on the Accurate Shaping of 颈长度太大时，将增加连接颈部分多余金属而使连 Work Piece for Cross Wedge Rolling [Dissertation ]Beijing:U- 接颈部分的椭圆度增加，从而使连接颈部分的金属 niversity of Science and Technology Beijing.2006:55 型腔内金属旋转不同步，二者产生相对扭矩使连接 (杜惠萍，楔横轧精确成形关键问题的研究[学位论文]北 京：北京科技大学，2006：55) 颈断裂 [9]Zhao X H.Chen L J.Wu X H.3D FEM simulation of forging of 4结论 nonsymmetrical and complex connecting rod.Die Mould Tech- mol,2005,11(5):3 (1)对斜轧球类零件进行了数值模拟，模拟时 (赵新海，程联军，吴向红·非对称复杂形状连杆模锻的三维有 综合考虑了成形工艺的多种影响因素，使得模型较 限元模拟.模具技术，2005,11(5)：3) [10]Wang B Y,Liu J P.Hu Z H.Rolling forming curved face of ball 真实反映了生产状况，为分析斜轧球类的成形机理 in skew rolling//Forging Symposium.Beijing:Aviation Indus- 和产生缺陷的原因提供了理论依据， try Press.1999:382 (2)获得了通常方法难以得到的磷铜球应变场 (王宝雨，刘晋平，胡正寰，斜轧球类件轧辊辊形曲面∥锻压 分布规律，通过对其进行分析，阐述了轧制过程出现 论文集.北京：航空工业出版社，1999：382) 环沟的原因从图3（b）中可以看出在轧辊作用区域的下方 均为压应力而且在轧辊作用下方的压应力值最大． 这是由于在轧制过程中轧件内部产生的压应力大 于其不均匀变化产生的拉应力． 从图3（c）中可以看出在轧辊作用下方为压应 力沿着轴向变为零后在轴心区域达到最大值．这 是由于在与轧辊接触的区域因摩擦力的作用限制其 垂直方向的变形而产生压应力但是摩擦力在轴心 区域无效而产生拉应力．因此适当的轧辊表面粗 糙度对轧件心部质量非常重要．随着轧制的进行 轴向区域各个方向的拉应力增加． 从图3（d）中可以看出在轧辊出口处为正应 力在轧辊入口处为负应力以与轧辊咬入点为界四 个区域几乎对称分布在成形过程中成交变状态． 由以上分析可知：轧件在成形过程中中心区域 由二拉一压的应力状态最后变为三向拉应力状态 使得晶粒之间有分裂的趋势而晶粒之间的相互吸 引力阻止其分裂；如果拉应力大于晶粒之间的相互 吸引力那么轧件将出现中心疏松．因此笔者认为 应合理设计轧辊使得最终的残余应力达到最小以 降低中心疏松的可能性． 连接颈在 z 方向上受拉应力作用如果拉应力 大晶体可能被破坏晶内、晶间就产生微裂纹微裂 纹在交变切向拉应力 τyz的作用下发展成宏观裂纹 而使轧件连接颈断裂．另外连接颈受 x 方向拉应 力的作用同时两端型腔壁对其作用的压应力也将 在 x 方向上（轴向）分解拉应力．此时如果凸棱宽 度大于连接颈长度也将产生一个附加的轴向拉应 力附加的拉应力与其他两个力共同作用下将增加 连接颈早断的可能性；但是如果凸棱宽度小于连接 颈长度太大时将增加连接颈部分多余金属而使连 接颈部分的椭圆度增加从而使连接颈部分的金属 型腔内金属旋转不同步二者产生相对扭矩使连接 颈断裂． 4 结论 （1） 对斜轧球类零件进行了数值模拟模拟时 综合考虑了成形工艺的多种影响因素使得模型较 真实反映了生产状况为分析斜轧球类的成形机理 和产生缺陷的原因提供了理论依据． （2） 获得了通常方法难以得到的磷铜球应变场 分布规律通过对其进行分析阐述了轧制过程出现 环沟的原因． （3） 获得了磷铜球应力场分布规律通过对其 进行分析阐述了轧制过程中出现中心疏松和连接 颈早断的原因． 参 考 文 献 ［1］ Jin R D．Experiment of Copper Ball in Skew rolling ［Dissertation］．Beijing：University of Science and Technology Beijing 2005：5 （金仁东．斜轧磷铜球的实验研究 ［学位论文］．北京：北京科 技大学2005：5） ［2］ Jin R DWang B YYan S Get al．Experiment of anodic phosphor copper deformation resistance． J Baotou Univ Iron Steel Technol200423（4）：332 （金仁东王宝雨颜世公等．阳极磷铜变形抗力的实验研 究．包头钢铁学院学报200423（4）：332） ［3］ Zhou Y P． The Numerical Simulation of the Copper Ball in Skew Rolling ［Dissertation ］．Beijing：University of Science and Technology Beijing2007：3 （周永平．斜轧磷铜球成形过程的数值模拟 ［学位论文 ］．北 京：北京科技大学2007：3） ［4］ Qiao S LHu Z H．Inquiry into deformation of the axial section in cross rolling with helical grooves and investigation of its experiment in Moirémethod．J W uhan Yejin Univ Sci Technol1994 17（2）：143 （乔沙林胡正寰．螺旋孔型斜轧轴向断面变形的探讨及云纹 实验研究．武汉钢铁学院学报199417（2）：143 ［5］ Jiang Z YTieu A K．A simulation of three-dimensional metal rolling processes by rigid plastic finite element method．J Mater Process Technol2001112：144 ［6］ Weronski WPater Z．Selection of geometric parameters of transverse wedge rolling tools．J Mater Process Technol199234： 273 ［7］ Kang Y QLiu J PYang C Pet al．Metal deformation in skew rolling step-shaft．J Univ Sci Technol Beijing200310（5）：59 ［8］ Du H P．Study of the Key Subjects on the Accurate Shaping of Work Piece for Cross Wedge Rolling ［Dissertation ］．Beijing：University of Science and Technology Beijing2006：55 （杜惠萍．楔横轧精确成形关键问题的研究 ［学位论文 ］．北 京：北京科技大学2006：55） ［9］ Zhao X HChen L JWu X H．3D FEM simulation of forging of non-symmetrical and complex connecting rod．Die Mould Technol200511（5）：3 （赵新海程联军吴向红．非对称复杂形状连杆模锻的三维有 限元模拟．模具技术200511（5）：3） ［10］ Wang B YLiu J PHu Z H．Rolling forming curved face of ball in skew rolling∥Forging Symposium．Beijing：Aviation Industry Press1999：382 （王宝雨刘晋平胡正寰．斜轧球类件轧辊辊形曲面∥锻压 论文集．北京：航空工业出版社1999：382） ·164· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷