杨翠苹等：楔横轧反楔堆轧改善空心零件过渡轴肩的壁厚减薄 ·1169· 了比较分析0".近年来北京科技大学通过对楔横轧 空心零件进行研究，将楔横轧带芯棒轧制空心零件工 艺成功地应用于载重汽车空心轴头的生产2-.对于 无芯棒空心轴轧制，空心轴的壁厚变化不稳定，金属流 动和壁厚变化规律也比较复杂，控制壁厚变化是空心 轴轧制的一个难题.尤其在轧制轧件由大直径向小直 径过渡的轴肩位置壁厚出现明显减薄，直接降低空心 轴的承载能力，甚至使空心轴不能达到使用要求，制约 了楔横轧空心轴的生产应用，因此解决楔横轧空心轴 轴肩壁厚减薄问题尤为必要.本文采用DEFORM-3D 模拟软件，研究楔横轧空心轴轴肩壁厚减薄的原因，并 提出解决方案. 1楔横轧空心零件有限元模型 图2正轧成形的示意图 Fig.2 Sketch of rolling with the normal wedge 1.1轧件和模具的几何模型 虑轧件的塑性变形而忽略其弹性变形，视为刚塑性体 图1显示的空心零件，轧件的最大外径为 忽略轧件与环境的热交换以及轧件与模具的热传导作 45mm,壁厚为6mm.轧件的内壁随外壁的形状变 用，认为在整个轧制过程中模具和轧件的温度是恒定 化，呈现“随形”的效果。通常采用的楔横轧成形方法 是正楔轧制，简称正轧，其成形的示意图如图2所示： 的.定义摩擦为剪切摩擦，根据轧辊的转速10r·min 和单元的大小，设定模拟的时间步长.成形件是对称 模具展宽方向与轧件金属的轴向流动方向相同，模具 的，模拟仿真采用对称面施加约束的方法对轧件的一 楔由中间向两侧逐渐展开，将空心棒料轧制成空心轴 半进行研究，这样既不影响成形效果，又可以节省大量 类零件.在没有特别说明的情况下，通常的楔横轧成 形都是正楔轧制.正轧模具展开图如图3所示，成形 时间.网格重划分启动条件是当网格畸变量达到最小 边长的0.7倍时，软件将自动启动重划分功能.建立 角为a=25°，展宽角为B=5°.随着模具楔向两侧逐 渐展宽，轧件外壁在模具孔型的作用下被径向压缩，内 的有限元模型如图4所示 壁随着外壁的形状向收缩，同时轴向两侧延伸，将轧件 轧制成壁厚近似相等的空心阶梯轴 图3楔横轧模具图 Fig.3 Drawing of the normal cross wedge rolling tool 2空心轧件过渡轴肩的壁厚减薄 32 64 51 2.1有限元模拟结果 69.1 图5显示了楔横轧正轧空心零件的模拟仿真结 210.4 果，矩形框内的部分是轧件的料头，与轧件形状和尺寸 单位：mm 无关.本文因为采用了对称轧制，轧件只显示了右边 图1轧件的几何模型 的一半，左端是轧件的对称中心，楔左侧是轧件内侧， Fig.1 Geometric model of workpieces 楔右侧是轧件外侧.如图5所示，轧制过程中内壁随 1.2有限元模型 外壁向内收缩，呈现“随形”的特征.壁厚随压下量增 模拟实验均为热轧条件，楔横轧模具产生的弹性 加稍有增加，使得轧件小直径位置的壁厚增加，这种壁 变形很小，将模具和导板视为刚性体，也就是认为其在 厚变化趋势对于减轻空心零件的重量，提高其承载能 实验中不产生变形.轧件视为理想刚塑性体，轧件材 力是有利的.但是，在最大直径向小直径过渡的轴肩 料是45号钢，轧制温度为1000℃，轧制过程中轧件在 位置出现了显著的壁厚减薄.轧件原始壁厚为6mm, 高温状态所发生的变形几乎全部为塑性变形，故只考 轧后轴肩最薄位置壁厚为4.7mm左右，减薄率为杨翠苹等: 楔横轧反楔堆轧改善空心零件过渡轴肩的壁厚减薄 了比较分析［10--11］． 近年来北京科技大学通过对楔横轧 空心零件进行研究，将楔横轧带芯棒轧制空心零件工 艺成功地应用于载重汽车空心轴头的生产［12--13］． 对于 无芯棒空心轴轧制，空心轴的壁厚变化不稳定，金属流 动和壁厚变化规律也比较复杂，控制壁厚变化是空心 轴轧制的一个难题． 尤其在轧制轧件由大直径向小直 径过渡的轴肩位置壁厚出现明显减薄，直接降低空心 轴的承载能力，甚至使空心轴不能达到使用要求，制约 了楔横轧空心轴的生产应用，因此解决楔横轧空心轴 轴肩壁厚减薄问题尤为必要． 本文采用 DEFOＲM-3D 模拟软件，研究楔横轧空心轴轴肩壁厚减薄的原因，并 提出解决方案． 1 楔横轧空心零件有限元模型 1. 1 轧件和模具的几何模型 图 1 显 示 的 空 心 零 件，轧 件 的 最 大 外 径 为 45 mm，壁厚为 6 mm． 轧件的内壁随外壁的形状变 化，呈现“随形”的效果． 通常采用的楔横轧成形方法 是正楔轧制，简称正轧，其成形的示意图如图 2 所示: 模具展宽方向与轧件金属的轴向流动方向相同，模具 楔由中间向两侧逐渐展开，将空心棒料轧制成空心轴 类零件． 在没有特别说明的情况下，通常的楔横轧成 形都是正楔轧制． 正轧模具展开图如图 3 所示，成形 角为 α = 25°，展宽角为 β = 5°． 随着模具楔向两侧逐 渐展宽，轧件外壁在模具孔型的作用下被径向压缩，内 壁随着外壁的形状向收缩，同时轴向两侧延伸，将轧件 轧制成壁厚近似相等的空心阶梯轴． 图 1 轧件的几何模型 Fig． 1 Geometric model of workpieces 1. 2 有限元模型 模拟实验均为热轧条件，楔横轧模具产生的弹性 变形很小，将模具和导板视为刚性体，也就是认为其在 实验中不产生变形． 轧件视为理想刚塑性体，轧件材 料是 45 号钢，轧制温度为 1000 ℃，轧制过程中轧件在 高温状态所发生的变形几乎全部为塑性变形，故只考 图 2 正轧成形的示意图 Fig． 2 Sketch of rolling with the normal wedge 虑轧件的塑性变形而忽略其弹性变形，视为刚塑性体． 忽略轧件与环境的热交换以及轧件与模具的热传导作 用，认为在整个轧制过程中模具和轧件的温度是恒定 的． 定义摩擦为剪切摩擦，根据轧辊的转速 10 r·min － 1 和单元的大小，设定模拟的时间步长． 成形件是对称 的，模拟仿真采用对称面施加约束的方法对轧件的一 半进行研究，这样既不影响成形效果，又可以节省大量 时间． 网格重划分启动条件是当网格畸变量达到最小 边长的 0. 7 倍时，软件将自动启动重划分功能． 建立 的有限元模型如图 4 所示． 图 3 楔横轧模具图 Fig． 3 Drawing of the normal cross wedge rolling tool 2 空心轧件过渡轴肩的壁厚减薄 2. 1 有限元模拟结果 图 5 显示了楔横轧正轧空心零件的模拟仿真结 果，矩形框内的部分是轧件的料头，与轧件形状和尺寸 无关． 本文因为采用了对称轧制，轧件只显示了右边 的一半，左端是轧件的对称中心，楔左侧是轧件内侧， 楔右侧是轧件外侧． 如图 5 所示，轧制过程中内壁随 外壁向内收缩，呈现“随形”的特征． 壁厚随压下量增 加稍有增加，使得轧件小直径位置的壁厚增加，这种壁 厚变化趋势对于减轻空心零件的重量，提高其承载能 力是有利的． 但是，在最大直径向小直径过渡的轴肩 位置出现了显著的壁厚减薄． 轧件原始壁厚为 6 mm， 轧后轴肩最薄位置壁厚为 4. 7 mm 左 右，减 薄 率 为 · 9611 ·