564· 北京科技大学学 报 2003年第6期 材料参数选自文献[11]的实测数据.轧件的初始 16x10-4 直径d,为35mm.轧辊基本直径D为176mm.轧 2-5.212x10-3 辊转速n,为30rmin.确定断面收缩率、轧件最终 39.825x10 直径d、轧槽最大宽度l,、凸棱上升率k为斜轧零 4-1.4438×102 1 件成形过程的主要影响参数. 51.905×10-2 图2为一典型阶梯轴轧件的特征截面和特征 6-2.3663×10-2 点示意图.对不同工艺参数所对应的工况，分别 7-2.8275×102 研究：(1)编号为1~11特征截面（如图2(a)所示）在 8-3.2888×102 不同变形程度下的应力应变云图：(2)不同截面中 93.75×10 心点的应力应变的时序变化图：(3)轧件No.4截 (a)断面收缩率为5% 面特征点，如图2(b)所示的应力应变的时序变化 16.77×10- 规律：(4)不同工艺参数对不同截面和特征点场变 26.9175×10-1 量的影响。 37.065×101 4-7.2125×10 (a) (b) 5-7.36×101 67.5075×10 7-7.655×10-1 123 44 567891011 456 8-7.8025×101 图2轧件的特征截面和特征点示意图.(a)No.1-No.11 97.95×10-1 截面位置示意：b)No.0-No.9点位置示意 Fig.2 Sketch maps of typical cross-sections and typical b)断面收缩率为50% points of the part 图3轧件No,4戴面等效应变分布 Fig.3 Equivalent strain distributions in No.4 section of the 2斜轧阶梯轴内部应力应变分布 rolled piece 特征与低周疲劳损伤 中心将产生塑性变形.斜轧过程变形存在明显的 2.1变形分布特征 不均匀性，横截面为非圆截面.在横截面内，偏向 斜轧过程中，轧辊凸棱由低逐渐升高，由窄 轧辊转动入口方向、距表面1/41/3轧件半径处 逐渐变宽.轧件的直径被凸棱由粗逐渐压细，产 形成局部最大等效应变区，图3b)所示最大等效 生径向压缩变形.由于凸棱逐渐展宽，轧件在压 应变为0.795，在中心部位等效应变达到0.677. 细的同时，逐渐被拉长，产生轴向延伸变形.轴向 图4为轧制刚开始时（轧辊旋转5）轧件No.4横 延伸变形是由轧辊凸棱宽度变化决定的.当金属 截面内横向应变e、径向应变6，和剪应变y分布. 受到轴向拉力时，金属将优先向轴向延伸，当金 图5为阶梯轴No.2横截面中心点的各应变 属受到轴向压力时，将阻止轧件的轴向延伸变 分量的时序变化图，研究大量仿真结果后，笔者 形，迫使金属产生横向扩展变形.圆柱形的棒料 发现以下规律：轧件横截面中心点的轴向应变& 在径向压缩时，根据金属的最小阻力定律，一方 一般与应变第一主方向重合；而径向应变ε，和横 面产生轴向延伸变形，同时也产生横向扩展变 向应变ε：则以轧件每转半圈为一个周期，呈现低 形，在轧件变形过程中，轧件变形段的横截面将 周期循环变化. 经历由圆形变成椭圆又逐渐变成圆形的过程. 2,2应力分布特征 图3为断面收缩率分别为5%，50%时，轧件 斜轧刚开始，圆坯旋转角还很小时，坯料表 No.4截面的等效应变分布图.如图可见，斜轧开 层的应力状态是三向压应力，而在坯料中心区呈 始时，轧件在两个轧辊作用下产生应力和变形， 现径向受压、轴向和横向受拉的应力状态，随着 塑性变形首先在接触表面上产生.随着圆坯不断 坯料不断旋转，与轧辊接触表层附近区域的应力 旋转，压缩量在不断增加，塑性变形不断积累和 状态仍为三向压缩应力状态，但是在坯料中心 发展，由接触表面向轧件里面渗透，最终在坯料 区，附加的横向拉应力σ随着坯料的旋转前进以北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 3 年 第 6期 材 料 参数 选 自文献 【川 的实 测 数据 . 轧件 的初始 直 径 d l为 35 m m . 轧 辊 基本 直 径 D0 为 176 m m . 轧 辊 转速 n : 为 3 0 r/m i n . 确 定 断面 收缩 率梦 、 轧 件最 终 直 径 d , 、 轧 槽 最大 宽 度 I , 、 凸棱 上 升 率 k为斜轧 零 件 成 形 过程 的主 要 影 响参 数 . 图 2 为一 典型 阶梯 轴 轧件 的特 征截 面 和特 征 点示 意 图 . 对 不 同工 艺参 数 所 对应 的工 况 , 分 别 研 究 : ( l) 编 号 为 1一 H 特 征截 面 ( 如 图 2( a) 所示 )在 不 同变 形程 度下 的应 力 应变 云 图 ; (2) 不 同截面 中 心 点 的应 力 应 变 的时 序变 化 图 ; (3) 轧件 N o . 4 截 面特 征 点 , 如 图 2 (b) 所 示 的应 力 应 变 的 时序 变化 规 律 ; (4 )不 同工艺 参数 对 不 同截 面 和特 征 点场 变 量 的 影 响 . 1一币 义 10 一 ` 2一5忍 1 2 x l o 一 3 3一9 . 8 2 5 x l 0 一 3 今一 1 . 44 3 8 义 10 一 Z 5一 1 9 05 K 1 0 一 2 吞一 2 . 3 66 3 x l o 一 2 7 - 2 . 82 7 s x l o 一 2 8一3 ` 28 8 s x l o 一 2 9- 刁 , 7 5 x l 0 一2 (a) 断面 收缩 率 为 5% 一 l 一巧 7 7 -一 一一 一 一 一一 一 2一石 . 9 1 7 5 米 1 0一 3一7 刀6 5 x l 0 一 , ( a ) 卜 · 一 卜 - - ~ 州卜- - 竺 4一 . 7 . 2 12 5 只 1 0 一 , 5一7 . 3 6 x l0 一 1 6 . 7 . 50 7 s x l o 7一7 . 6 5 5 x l 0 一 , 4 5 6 8一 ~ 7名 0 2 s x l o 一 , 图 2 轧件 的特 征 截面 和特 征 点示 意 图 . (a) N .O 1 ~N .o u 截 面位 置 示意 : 伽 N .o 0 ~ N .o , 点位置 示 意 F ig . 2 Ske t c h m a P s o f yt Pi c a l e r o s s 一 s e c it o n s a n d yt Pi c a l P o in t s o f ht e P a rt 9一 目 7乡 s x l o 一 l 2 斜 轧 阶 梯 轴 内部应 力应 变 分 布 特 征 与 低周 疲 劳损 伤 .2 1 变 形分 布 特 征 斜 轧 过 程 中 , 轧 辊 凸 棱 由低逐 渐 升 高 , 由窄 逐 渐 变 宽 . 轧件 的直 径被 凸 棱 由粗 逐 渐 压 细 , 产 生径 向压缩 变 形 . 由于 凸棱 逐渐 展 宽 , 轧件 在 压 细的 同时 , 逐渐 被拉 长 , 产 生轴 向延伸 变 形 . 轴 向 延 伸 变形 是 由 轧辊 凸棱 宽度 变 化决 定 的 . 当金属 受 到 轴 向 拉力 时 , 金 属将 优 先 向轴 向延伸 . 当金 属 受 到轴 向压 力 时 , 将 阻 止 轧 件 的轴 向延 伸 变 形 , 迫 使 金属 产 生 横 向扩 展 变形 . 圆柱 形 的棒 料 在径 向压 缩 时 , 根 据 金 属 的最 小 阻 力定 律 , 一方 面 产 生轴 向延 伸 变 形 , 同时 也 产 生 横 向扩 展 变 形 . 在 轧 件变 形 过 程 中 , 轧 件 变 形段 的横 截 面将 经历 由圆 形 变成 椭 圆 又逐 渐 变 成 圆形 的过 程 . 图 3 为 断面 收 缩率 分 别 为 5% , 5 0% 时 , 轧件 N .o 4 截 面 的等 效应 变百分 布 图 . 如 图可 见 , 斜 轧开 始 时 , 轧件 在 两个 轧 辊 作用 下 产 生应 力 和 变 形 , 塑性 变形 首 先在 接触 表 面 上产 生 . 随 着 圆坯 不 断 旋转 , 压 缩量 在 不 断 增加 , 塑 性 变形 不 断 积 累和 发展 , 由接触 表 面 向轧件 里 面 渗 透 , 最 终 在坯 料 一一一 一—一一 , 一 一一 - ~ (b ) 断 面 收缩 率为 5 0 % 图 3 轧件 N .o 4 截 面等 效应 变分 布 F ig . 3 E q u 扮a le n t s atr i n d is t r 汤u ito n s i n N o · 4 s e e t i o n o f ht e r o l e d P i e e e 中 心将 产 生塑 性变 形 . 斜 轧过 程 变形 存在 明显 的 不 均匀 性 , 横截 面 为非 圆截 面 . 在 横截 面 内 , 偏 向 轧 辊转 动 入 口 方 向 、 距表 面 14/ 一 l 3/ 轧 件 半径 处 形 成局 部最 大等 效应 变否区 , 图 3 (b )所示 最大 等效 应 变百为 .0 7 95 , 在 中 心部 位 等效 应 变百达 到 .0 6 7 . 图 4 为轧 制 刚 开 始 时 ( 轧 辊 旋 转 5 “ ) 轧 件 No . 4 横 截 面 内横 向应 变 ex 、 径 向应变 芍和 剪应 变 入分 布 . 图 5 为 阶梯 轴 N o . 2 横 截 面 中心 点 的 各应 变 分 量 的时 序 变化 图 . 研 究 大量 仿 真 结果 后 , 笔者 发现 以下 规律 : 轧件 横 截 面 中心 点 的轴 向应变 几 一 般 与应 变第 一 主 方 向重合 ; 而径 向应 变 ey 和横 向应 变` 则 以轧件 每 转 半 圈 为一 个周 期 , 呈现 低 周 期循 环 变 化 . .2 2 应 力分 布特征 斜 轧 刚开 始 , 圆坯 旋 转角 还 很 小 时 , 坯料 表 层 的应 力状 态 是三 向压 应 力 , 而在 坯 料 中心 区呈 现 径 向受 压 、 轴 向和 横 向受拉 的应 力状 态 . 随着 坯料 不 断旋 转 , 与 轧辊 接 触表 层 附近 区 域 的应 力 状 态 仍 为三 向压 缩应 力 状 态 , 但 是在 坯 料 中心 区 , 附加 的横 向拉 应 力 ax 随着 坯 料 的旋 转 前进 以