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 ·1539· 工艺的缺点是轧件易出现心部缺陷团.由于气门材 料及成形形状具有以下特点：(1)高温变形抗力大， 以760℃为例，此温度下Q235钢抗拉强度为86 上轧辊 MPa,气门常用材料5Cr21Mn9Ni4N(简称21-4N) 轧件 为430MPa:(2)楔横轧一次成形气门毛坯断面收缩 下轧辊 率达到71.8%，属于大断面收缩率，材料成形前直 径仅为中16mm,与模具接触换热剧烈：(3)加工后 的气门毛坯轧件属于细长轴类件，长展宽加剧了轧 件心部缺陷.因而气门毛坯轧件相比普通材料轧件 心部缺陷更加严重. 图2楔横轧有限元模型图 Fig.2 Finite element model of cross wedge rolling 楔横轧工艺应用中的一个重要问题就是轧件的 曼乃斯曼缺陷.曼乃斯曼缺陷是轧件内部金属在变 替214N的材料模型.轧制温度T为1150℃，轧辊 形过程中产生缺陷及其发展而形成的孔洞，一般在 直径b500mm,轧辊转速n=8rmin-l.轧辊设置为 轧件的中心部位出现，称为中心开裂，如图1所示. 刚体，轧件设置为刚塑性，划分40000个网格.根据 国内外对楔横轧轧件心部缺陷产生原理，工艺参数 理论与实践，成形角大多为18°≤a≤34°，展宽角大 影响规律等进行了大量研究和总结，并取得一定的 多为4°≤B≤12°，再根据具体断面收缩率本文选取 成就一)，然而还没有涉及如气门毛坯这样集大断 成形角为26°.为了全面研究展宽角对心部缺陷的 面收缩率、长展宽、细直径和材料高温抗拉强度高这 影响规律，结合具体断面收缩率，展宽角在5°与10° 些特征于一体的心部缺陷研究.展宽角B是楔横轧 间均匀取值因.断面收缩率和轧件直径都按照实际 工艺参数中对轧件心部缺陷影响很大的一个因素， 气门毛坯尺寸取值.具体有限元模拟的工艺参数见 选取合适的展宽角参数可以有效减小轧件心部缺 表1.21-2N特殊钢有限元模拟结果见图3. 陷.对此，本文应用有限元数值模拟与实轧实验相 表1有限元模拟的工艺参数 结合的方法分析不同展宽角参数的工况，研究展宽 Table 1 Technological parameter of FEM 角对楔横轧一次成形气门毛坯心部缺陷的影响规 成形角， 断面收缩率，轧件直径， 律，为进一步探索楔横轧一次成形气门毛坯心部缺 展宽角，B a/() 山/% do/mm 陷机理及模具设计和工艺参数确定提供理论依据 540,640,740, 26 71.8 16 840°，940 图3有限元模拟结果 图1楔横轧轧件心部缺陷 Fig.3 Result of finite element simulation Fig.I Internal defect of cross wedge rolled pieces 2 展宽角B对心部缺陷的影响规律 1轧件心部缺陷影响规律的数值模拟 楔横轧属于大塑性变形，变形状态是复杂的三 数值模拟模型采用热力耦合模型，轧辊与轧件 维应力应变状态，在轧件内部具有压缩、拉伸、弯曲 的有限元模型如图2所示.两个带楔形模具的轧 和剪切等变形方式，同时轧件变形和受力又具有交 辊，以相同的方向旋转并带动圆形轧件旋转，轧件在 变的特点，使得其变形方式很复杂.根据前人对楔 楔形孔型的作用下，轧制成各种形状的阶梯轴.考 横轧心部缺陷的研究成果：轧件的中心破裂是由于 虑到结构的对称性，取模型的1/2进行计算，施加对 轧件对称横截面心部上变形较大，大的剪应变存在， 称面约束 使金属晶粒反复被大幅度滑移，形成韧性破坏的必 本文研究的气门材料是21-4N,DEFORM--3D 要条件：大的横向拉应力促使微观裂纹发展为宏观 6.0的材料库中未定义21-4N这种材料，但存在21一 断裂，并扩展成孔腔，是破坏形成的充分条件：静水 2N.21-2N与21-4N在化学成分上差别不大，力学 压力对心部破坏起重要作用，负的静水压力（正的 性能也有很大相似性，因而用21-2N材料模型来代 平均应力)降低材料塑性，易导致断裂发生：横截第 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 工艺的缺点是轧件易出现心部缺陷［7］． 由于气门材 料及成形形状具有以下特点: ( 1) 高温变形抗力大， 以 760 ℃ 为例，此 温 度 下 Q235 钢 抗 拉 强 度 为 86 MPa，气门常用材料 5Cr21Mn9Ni4N ( 简称 21--4N) 为 430 MPa; ( 2) 楔横轧一次成形气门毛坯断面收缩 率达到 71. 8% ，属于大断面收缩率，材料成形前直 径仅为 16 mm，与模具接触换热剧烈; ( 3) 加工后 的气门毛坯轧件属于细长轴类件，长展宽加剧了轧 件心部缺陷． 因而气门毛坯轧件相比普通材料轧件 心部缺陷更加严重． 楔横轧工艺应用中的一个重要问题就是轧件的 曼乃斯曼缺陷． 曼乃斯曼缺陷是轧件内部金属在变 形过程中产生缺陷及其发展而形成的孔洞，一般在 轧件的中心部位出现，称为中心开裂，如图 1 所示． 国内外对楔横轧轧件心部缺陷产生原理，工艺参数 影响规律等进行了大量研究和总结，并取得一定的 成就［8--13］，然而还没有涉及如气门毛坯这样集大断 面收缩率、长展宽、细直径和材料高温抗拉强度高这 些特征于一体的心部缺陷研究． 展宽角 β 是楔横轧 工艺参数中对轧件心部缺陷影响很大的一个因素， 选取合适的展宽角参数可以有效减小轧件心部缺 陷． 对此，本文应用有限元数值模拟与实轧实验相 结合的方法分析不同展宽角参数的工况，研究展宽 角对楔横轧一次成形气门毛坯心部缺陷的影响规 律，为进一步探索楔横轧一次成形气门毛坯心部缺 陷机理及模具设计和工艺参数确定提供理论依据． 图 1 楔横轧轧件心部缺陷 Fig． 1 Internal defect of cross wedge rolled pieces 1 轧件心部缺陷影响规律的数值模拟 数值模拟模型采用热力耦合模型，轧辊与轧件 的有限元模型如图 2 所示． 两个带楔形模具的轧 辊，以相同的方向旋转并带动圆形轧件旋转，轧件在 楔形孔型的作用下，轧制成各种形状的阶梯轴． 考 虑到结构的对称性，取模型的 1 /2 进行计算，施加对 称面约束． 本文研究的气门材料是 21--4N，DEFORM--3D 6. 0 的材料库中未定义 21--4N 这种材料，但存在 21-- 2N． 21--2N 与 21--4N 在化学成分上差别不大，力学 性能也有很大相似性，因而用 21--2N 材料模型来代 图 2 楔横轧有限元模型图 Fig． 2 Finite element model of cross wedge rolling 替 21--4N 的材料模型． 轧制温度 T 为 1 150 ℃，轧辊 直径 500 mm，轧辊转速 n = 8 r·min － 1 ． 轧辊设置为 刚体，轧件设置为刚塑性，划分 40 000 个网格． 根据 理论与实践，成形角大多为 18°≤α≤34°，展宽角大 多为 4°≤β≤12°，再根据具体断面收缩率本文选取 成形角为 26°． 为了全面研究展宽角对心部缺陷的 影响规律，结合具体断面收缩率，展宽角在 5°与 10° 间均匀取值［6］． 断面收缩率和轧件直径都按照实际 气门毛坯尺寸取值． 具体有限元模拟的工艺参数见 表 1． 21--2N 特殊钢有限元模拟结果见图 3． 表 1 有限元模拟的工艺参数 Table 1 Technological parameter of FEM 成形角， α/( °) 展宽角，β 断面收缩率， ψ/% 轧件直径， d0 /mm 26 5°40'，6°40'，7°40'， 8°40'，9°40' 71. 8 16 图 3 有限元模拟结果 Fig． 3 Result of finite element simulation 2 展宽角 β 对心部缺陷的影响规律 楔横轧属于大塑性变形，变形状态是复杂的三 维应力应变状态，在轧件内部具有压缩、拉伸、弯曲 和剪切等变形方式，同时轧件变形和受力又具有交 变的特点，使得其变形方式很复杂． 根据前人对楔 横轧心部缺陷的研究成果: 轧件的中心破裂是由于 轧件对称横截面心部上变形较大，大的剪应变存在， 使金属晶粒反复被大幅度滑移，形成韧性破坏的必 要条件; 大的横向拉应力促使微观裂纹发展为宏观 断裂，并扩展成孔腔，是破坏形成的充分条件; 静水 压力对心部破坏起重要作用，负的静水压力( 正的 平均应力) 降低材料塑性，易导致断裂发生［6］; 横截 ·1539·