第12期 王晓飞等：展宽角对楔横轧一次成形气门毛坯心部缺陷的影响 ·1541· 改变四次，交变两次.这种循环拉压应力是导致 3 楔横轧排气门制坯实验 内部裂纹产生的一个主要原因.交变次数越大， 发生疏松的趋势越大，且在大断面收缩率的情况 3.1实验方案 下，影响更明显.基于此交变性，本文研究了不同 为了进一步研究楔横轧心部质量状况，设计了 展宽角下轧件不同轧制阶段P点所受到的交变 一系列实验，通过对实验所得轧件的质量对比和分 次数. 析，最终得到比较理想的展宽角工艺参数.本实验 轧件中心截面1/2半径处也就是图4中的P2 轧件初始直径为16mm,轧后直径为8.5mm,轧件被 点的应力交变特征比较明显，尤其是第一主应力在 轧长度即模具展宽长度统一为130mm,轧件材料为 多数轧制情况下都显示了循环变化的特征.P,点部 214N钢，采用H500楔横轧机，模具顶圆直径为 分第一主应力追踪图如图6所示.从图6中可以明 500mm.实验选取5°40、6°40'、7°40和8°40这四 显看到P,点第一主应力的交变特征.以此应力循环 个不同展宽角进行了四组实验，其他实验参数与有 变化特征为基础，可以计算出交变周期，则整个轧制 限元模拟的参数相同具体见表1.试验共轧制成功 过程中的交变次数=轧制时间/交变周期.不同展 了40余件轧件.实验所得部分轧件形貌如图8 宽角下P,点受到的交变次数与P,点相同，由此可得 所示. 到不同展宽角下P,点所受到的交变次数，具体如图 7所示. L50 100 0 图8轧制实验部分轧件 0.1 020.30.40.5 Fig.8 Some rolled pieces obtained by rolling experiment 轧制时间s 3.2实验结果 图6P2点第一主应力(B=540) 为了分析轧件心部缺陷情况，选取轧件12处 Fig.6 Major principal stress of Point P(B=540) 横截面，分别对应上面模拟分析中P,点轧制完成后 30 所在横截面.截取试样，每组取试样六件共24件. 对试样截面在砂纸上打磨并在抛光机上进行抛光处 25 理，图9所示为轧件打磨抛光后的试样，并用相机进 20 行中心孔洞图片采集.运用PCCAD2007软件的计 算面积功能，具体是把孔洞图片按同比例在PC- 15 CAD2007软件里放大，用样条曲线勾勒出孔洞轮廓 再利用计算面积功能计算孔洞轮廓的面积，如图10 10 7 8 10 所示.笔者分别计算不同展宽角下轧件不同横截面 展宽角() 的中心孔洞面积并取平均值，以此为依据选取最优 图7不同展宽角下P点受到的交变次数 展宽角参数，所得轧件的中心孔洞平均面积见表2. Fig.7 Alterating times of Point P at different stretching angles 从实验分析结果看，随展宽角的增加，中心最大孔洞 从图7中可以看到，随着展宽角B增大，P,点所 面积减小，相对较大的展宽角有利于改善轧件心部 受到的交变次数相应减小，减小的幅度逐步降低 缺陷.实验分析结果与模拟后应力应变场及交变次 交变次数越小，心部应力积累时间越短，横向应力、 数的分析结果一致 平均应力、最大剪应力和最大剪应变值也相应减小. 4展宽角影响轧件心部缺陷的原理分析 因而从交变次数来看，相对较大的展宽角更能避免 轧件产生心部缺陷. 楔横轧轧制过程主要为轧件在模具带动下旋转第 12 期 王晓飞等: 展宽角对楔横轧一次成形气门毛坯心部缺陷的影响 改变四次，交变两次． 这种循环拉压应力是导致 内部裂纹产生的一个主要原因． 交变次数越大， 发生疏松的趋势越大，且在大断面收缩率的情况 下，影响更明显． 基于此交变性，本文研究了不同 展宽角下轧件不同轧制阶段 P1 点所受到的交变 次数． 轧件中心截面 1 /2 半径处也就是图 4 中的 P2 点的应力交变特征比较明显，尤其是第一主应力在 多数轧制情况下都显示了循环变化的特征． P2点部 分第一主应力追踪图如图 6 所示． 从图 6 中可以明 显看到 P2点第一主应力的交变特征． 以此应力循环 变化特征为基础，可以计算出交变周期，则整个轧制 过程中的交变次数 = 轧制时间/交变周期． 不同展 宽角下 P1点受到的交变次数与 P2点相同，由此可得 到不同展宽角下 P1点所受到的交变次数，具体如图 7 所示． 图 6 P2点第一主应力( β = 5°40') Fig． 6 Major principal stress of Point P2 ( β = 5°40') 图 7 不同展宽角下 P1点受到的交变次数 Fig． 7 Alternating times of Point P1 at different stretching angles 从图 7 中可以看到，随着展宽角 β 增大，P1点所 受到的交变次数相应减小，减小的幅度逐步降低． 交变次数越小，心部应力积累时间越短，横向应力、 平均应力、最大剪应力和最大剪应变值也相应减小． 因而从交变次数来看，相对较大的展宽角更能避免 轧件产生心部缺陷． 3 楔横轧排气门制坯实验 3. 1 实验方案 为了进一步研究楔横轧心部质量状况，设计了 一系列实验，通过对实验所得轧件的质量对比和分 析，最终得到比较理想的展宽角工艺参数． 本实验 轧件初始直径为 16 mm，轧后直径为 8. 5 mm，轧件被 轧长度即模具展宽长度统一为 130 mm，轧件材料为 21--4N 钢，采用 H500 楔横轧机，模具顶圆直径为 500 mm． 实验选取 5°40'、6°40'、7°40'和 8°40'这四 个不同展宽角进行了四组实验，其他实验参数与有 限元模拟的参数相同具体见表 1． 试验共轧制成功 了 40 余 件 轧 件． 实验所得部分轧件形貌如图 8 所示． 图 8 轧制实验部分轧件 Fig． 8 Some rolled pieces obtained by rolling experiment 3. 2 实验结果 为了分析轧件心部缺陷情况，选取轧件 1 /2 处 横截面，分别对应上面模拟分析中 P1点轧制完成后 所在横截面． 截取试样，每组取试样六件共 24 件． 对试样截面在砂纸上打磨并在抛光机上进行抛光处 理，图 9 所示为轧件打磨抛光后的试样，并用相机进 行中心孔洞图片采集． 运用 PCCAD2007 软件的计 算面积功能，具体是把孔洞图片按同比例在 PC￾CAD2007 软件里放大，用样条曲线勾勒出孔洞轮廓 再利用计算面积功能计算孔洞轮廓的面积，如图 10 所示． 笔者分别计算不同展宽角下轧件不同横截面 的中心孔洞面积并取平均值，以此为依据选取最优 展宽角参数，所得轧件的中心孔洞平均面积见表 2． 从实验分析结果看，随展宽角的增加，中心最大孔洞 面积减小，相对较大的展宽角有利于改善轧件心部 缺陷． 实验分析结果与模拟后应力应变场及交变次 数的分析结果一致． 4 展宽角影响轧件心部缺陷的原理分析 楔横轧轧制过程主要为轧件在模具带动下旋转 ·1541·