D01:10.13374.isml001053x.2007.s2.71 第29卷增刊2 北京科技大学学报 Vol.29 SuppL 2 2007年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2007 偏心轴类零件楔横轧轧制力分析 王宝雨何涛胡正寰 北京科技大学机械工程学院.北京100083 摘要利用有限元手段对偏心轴类零件楔横轧轧制成形中的轧制区轧制力进行了系统全面地研究.在此基础上分析了偏 心轴类零件楔横轧非轧制区接触力的产生原因及其对偏心轴类零件楔横轧轧制成形带来的影响.研究结果对认清偏心轴类 零件楔横轧轧制成形机理、旋转条件、偏心极限都具有十分重要的意义. 关键词楔横轧：偏心轴：接触力：轧制力 分类号TG33519 偏心轴类零件广泛应用于汽车、水利、采矿、家 机理、轧件的旋转条件问题、偏心极限问题都具有十 电等机械产品上.随着市场需求量与日俱增，专业 分重要的意义 化大批量生产偏心轴类零件成为满足市场需求的主 要手段.传统的锻造工艺生产方法存在生产效率 1有限元模型及边界条件的建立 低、材料利用率低、投资大、成本高等缺点，因而逐渐 1.1有限元模型 被生产效率高、材料利用率高、成本低、适合于专业 对于二辊轧制.则其辊形曲线方程如下： 化大批量生产的楔横轧技术所取代)， x=[Rcos0+alcos Rk -[Rsin0叶b1in A +Asin 偏心轴类零件楔横轧成形理论与技术，无论是 Rk Rk 国内还是国外基本上处于空白或是起步阶段.任广 y=[Reas叶amRk rk +Rsin 0+b]cos 升、白志斌等学者在20世纪90年代提出了楔横轧 一A5Rk 成形偏心轴的工艺方法，其研究的成形方法为楔入、 boos -asin -0 展宽阶段的同心轴成形以及精整阶段的偏心轴成形 的双阶段法2，显然，该成形方式无疑使偏心成 式中，R为偏心圆截面半径，a、b分别为x、y方向 上的偏心量，Rk、k分别为轧辊、轧件轧制半径，A 形时金属材料变形难度大，因而难于成形偏心量较 为轧辊与轧件之间的中心距，0、9分别为偏心圆及 大的产品，其工艺应用范围较小. 辊型的参数. 为此提出了偏心轴类零件楔横轧成形的“单阶 图1所示为偏心轴类零件楔横轧成形数值模拟 段法”，即从楔入开始就直接将偏心部分轧制成形. 采用的有限元模型图，考虑到轧辊结构的对称性，取 该方法不仅能有效地扩大轧制偏心极限，而且适用 模型的1/2进行计算以减少计算时间. 于凸轮轴、方轴等轧制前后体积发生变化的非回转 体轴类零件. 上轧辊 在单阶段偏心轴类零件二辊楔横轧成形工艺 轧件、 中，上下轧辊的辊型是一对有相位差的周期性高低 不等的曲面，因而其轧制力与同心轴类零件楔横轧 导板 成形的轧制力有着很大的区别，所以对偏心轴类零 件楔横轧轧制成形中的轧制力进行研究对认清轧制 下轧辊 收稿日期：2006-09-12修回日期：2007-1-20 基金项目：国家自然科学基金资助项目(Na50435010,No. 图1偏心轴楔横轧有限元模型图 50675019):国家科技支撑计划资助项目(No.2006BAF04B03):华中 科技大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室资助项目(N。.06 一4 1.2材料模型及边界条件 作者简介：王宝雨(1964一)，男.研究员，博士何涛(1979一），男， 为了简化计算不考虑轧辊及导板的变形而将 博士研究生：胡正襄(1934一）男，教授，院士偏心轴类零件楔横轧轧制力分析 王宝雨 何 涛 胡正寰 北京科技大学机械工程学院, 北京 100083 摘 要 利用有限元手段对偏心轴类零件楔横轧轧制成形中的轧制区轧制力进行了系统全面地研究, 在此基础上分析了偏 心轴类零件楔横轧非轧制区接触力的产生原因及其对偏心轴类零件楔横轧轧制成形带来的影响.研究结果对认清偏心轴类 零件楔横轧轧制成形机理、旋转条件、偏心极限都具有十分重要的意义. 关键词 楔横轧;偏心轴;接触力;轧制力 分类号 TG335.19 收稿日期:2006-09-12 修回日期:2007-11-20 基金项 目:国 家自 然科 学基 金资 助 项目 ( No.50435010;No . 50675019) ;国家科技支撑计划资助项目( No .2006BAF04B03 ) ;华中 科技大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室资助项目( No .06 -4) 作者简介:王宝雨( 1964—) , 男, 研究员, 博士;何 涛( 1979—) , 男, 博士研究生;胡正寰( 1934—) 男, 教授, 院士 偏心轴类零件广泛应用于汽车 、水利 、采矿 、家 电等机械产品上.随着市场需求量与日俱增, 专业 化大批量生产偏心轴类零件成为满足市场需求的主 要手段.传统的锻造工艺生产方法存在生产效率 低、材料利用率低、投资大 、成本高等缺点, 因而逐渐 被生产效率高、材料利用率高 、成本低、适合于专业 化大批量生产的楔横轧技术所取代[ 1] . 偏心轴类零件楔横轧成形理论与技术, 无论是 国内还是国外基本上处于空白或是起步阶段 .任广 升、白志斌等学者在 20 世纪 90 年代提出了楔横轧 成形偏心轴的工艺方法, 其研究的成形方法为楔入 、 展宽阶段的同心轴成形以及精整阶段的偏心轴成形 的“双阶段法” [ 2-4] , 显然, 该成形方式无疑使偏心成 形时金属材料变形难度大, 因而难于成形偏心量较 大的产品, 其工艺应用范围较小. 为此提出了偏心轴类零件楔横轧成形的“单阶 段法”, 即从楔入开始就直接将偏心部分轧制成形 . 该方法不仅能有效地扩大轧制偏心极限, 而且适用 于凸轮轴、方轴等轧制前后体积发生变化的非回转 体轴类零件. 在单阶段偏心轴类零件二辊楔横轧成形工艺 中, 上下轧辊的辊型是一对有相位差的周期性高低 不等的曲面, 因而其轧制力与同心轴类零件楔横轧 成形的轧制力有着很大的区别, 所以对偏心轴类零 件楔横轧轧制成形中的轧制力进行研究对认清轧制 机理、轧件的旋转条件问题 、偏心极限问题都具有十 分重要的意义. 1 有限元模型及边界条件的建立 1.1 有限元模型 对于二辊轧制, 则其辊形曲线方程如下: x =[ Rcosθ+a ]cos A Rk φ -[ Rsinθ+b] sin A R k φ +Asin rk R k φ y =[ R cos θ+a] sin A R k φ +[ R sin θ+b ]cos A Rk φ -A cos r k R k φ φ=arccos bcos θ-asinθ rk -θ 式中, R 为偏心圆截面半径, a 、b 分别为 x 、y 方向 上的偏心量, R k 、r k 分别为轧辊 、轧件轧制半径, A 为轧辊与轧件之间的中心距, θ、φ分别为偏心圆及 辊型的参数 . 图 1 所示为偏心轴类零件楔横轧成形数值模拟 采用的有限元模型图, 考虑到轧辊结构的对称性, 取 模型的 1/2 进行计算以减少计算时间 . 图1 偏心轴楔横轧有限元模型图 1.2 材料模型及边界条件 为了简化计算, 不考虑轧辊及导板的变形而将 第 29 卷 增刊 2 2007 年 12 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol.29 Suppl.2 Dec.2007 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2007.s2.071