·566· 北京科技大学学报 2003年第6期 ,的变化幅度很小这一规律上可以看出：截面 变形由接触表面向内部渗透，最终在坯料中心产 内的轴向应力a的方向与第二主应力一致，截面 生塑性变形.轧件横截面中心点的轴向应变8一 内的点处于近似纯剪切的应力状态 般与该点应变的第一主方向重合：而径向应变6 75 和横向应变ε则以轧件每转半圈为一个周期，呈 50 现低周期循环变化，横截面边缘点的振幅最大， (2)在斜轧零件过程中，各点的正应力分量 35 和剪应力呈低周期循环变化，轧件中心点有时会 处于三向拉伸应力状态.轧件横截面中心区域与 表层附近区域的平均应力σ的差别很大；在表层 附近区域的平均应力o是压缩应力，而在中心区 域的平均应力o却为拉伸应力. -50 0 0.51.01.52.02.5 3.0 (3)斜轧阶梯轴轴心部位较大的累计应变和 t/s 拉伸平均应力是导致内部低周疲劳损伤产生 图8轧件N0,4横截面剪应力时序变化曲线 Mannesmann缺陷的主要因素， Fig.8 Shear stress history changing in No.4 cross section of the rolled piece 参考文献 23轧件内部低周疲劳损伤 1胡正寰.斜轧与楔横轧一原理、工艺及设备M 根据对斜轧20余种工况分析，对斜轧实心坯 北京：冶金工业出版社，1985 2 Vaughan C.Transverse rolling for the production for fin- 中心可能产生疏松和破坏的机理有了新的认识. ished and semi finished components [J].Iron Steel,1969 轧件横截面内不同点（如图2(b)所示）的等 (6):1 效应力ō基本相同，不同点的正应力分量和剪应 3粟野泰吉，落合正男.钢球转造口一北仁加力石转 力呈低周期循环变化.剪应力和正应力反复不断 造力仁℃[】，精密机械，1961,27(2)少：1 变换方向的作用，在一定程度上削弱了金属的强 4川井谦一.转造仁书计石心寸示分布上残留应力场 度. 解析人)7寸口子).塑性加工，1978,19(205)： 低周期循环变化的剪应力可以使金属的这 141 一部分和另一部分彼此间进行滑移，而当剪应力 5 IMaIOB HH,JomyXHHΠM.MCCJIEJOBAHNE IIEΦO PMMP OBAHO COCTOSHHA IIPH BHHT OBOHnC 还未超过材料的断裂强度，也就是还没有把整块 OKATKEC IIOMOLI bOKOPIINHATA IIXCETOK 材料切断时，金属各部分之间还存在一定的联 [J].H3B Bye YepH Mer,1974(11):65 系.而垂直于微裂缝的拉应力使微裂缝两侧的金 6 Skinner K C.Method and apparatus for producing rolled 属迅速离开，加大裂缝面积，对裂缝的形成和发 metal balls from bars or rods [P].United States Patent,No. 展起着重大作用：破裂之所以在中心区域而不在 38378801 表层附近，正是由于在这两个区域的平均应力om 7 Hayama H.Optimum working conditions in the cross-rol- 的差别很大：在表层附近区域尽管塑性变形达到 ling of stepped shaft [J].J Mech Work Technol,1979,17 最大，但该区域的平均应力σm却是压缩应力，在 (3:31 中心区域塑性变形仍然很大，而平均应力σ。却为 8 Saito Y,Higashino T.Stress analysis in plane-strain rotary compression of cylindrical billet [J].J JSTP,1979(18):120 拉伸应力，拉伸的平均应力a促进了裂缝的发生 9梁义维.斜轧216mm铝球及孔型设计与变形规律 和发展，使金属这一部分和另一部分彼此之间完 的研究[D]北京：北京科技大学，1998 全失掉联系，裂缝相连接后最终形成孔腔 10杨海波.零件斜轧成形建模和应力应变特征[A].第 4结论 七届全国塑性加工理论会议一金属塑性成形过 程计算机模拟(CAE)专题会议论文[C).武汉，2002 (1)首次获得详尽、定量的斜轧阶梯轴内部 11周纪华金属塑性变形阻力M.北京：机械工业出 的场变量分布规律；在斜轧过程中，轧件的塑性 版社，19895 6 6 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 3 年 第 6期 ` , ` 的 变化 幅 度很 小 这 一规 律 上可 以看 出 : 截 面 内 的轴 向应 力 az 的 方 向与 第 二主 应 力 一致 , 截 面 内 的点 处 于近 似 纯 剪切 的应 力状 态 . 嘛 `J0 工工O , 少ù、 ù,` 只侧白乏火. ō、 ù 屯巧0 0 0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0 2 . 5 3 . 0 t / s 图 8 车L件 N .o 4 横 截面 剪应 力时序 变化 曲线 F ig · 8 S h e a r s t er s s h i s ot 口 e h a n g i n g 10 N o · 4 e or s s s e e it o n o f t h e or l l e d P i e e e 变形 由接触 表面 向 内部 渗透 , 最终 在坯 料 中心产 生 塑性 变 形 . 轧件 横 截 面 中心 点 的轴 向应变 ez 一 般 与该 点 应 变 的第 一主 方 向重 合 ; 而 径 向应 变耳 和横 向应 变凡则 以轧 件每 转 半 圈 为一 个 周期 , 呈 现低 周 期 循 环变 化 , 横截 面 边 缘 点 的振 幅最 大 . (2 ) 在斜 轧零 件 过程 中 , 各 点 的正 应 力分 量 和 剪应 力呈 低 周期 循环 变 化 , 轧件 中心 点有 时会 处 于三 向拉 伸应 力 状态 . 轧件 横截 面 中心 区 域 与 表层 附近 区域 的平均 应 力氏 的差 别 很 大 ; 在表 层 附近 区 域 的平 均 应力 am 是压 缩应 力 , 而 在 中心 区 域 的平 均 应 力 am 却 为 拉伸 应 力 , . (3 ) 斜 轧 阶 梯轴 轴 心 部位较大 的 累 计 应变 和 拉 伸 平 均 应 力 是 导 致 内部 低 周 疲 劳 损 伤 产 生 M a n n e s r 以a n n 缺 陷 的主 要 因 素 . .2 3 车L件 内部 低 周疲 劳损 伤 根 据 对斜 轧 20 余 种工 况 分析 , 对 斜 轧实 心坯 中心 可 能产 生疏 松 和破 坏 的机 理有 了新 的认 识 . 轧件横 截 面 内不 同点 ( 如 图 2 (b) 所 示 ) 的等 效应 力 云基本 相 同 , 不 同 点 的正 应 力分 量 和剪 应 力呈 低 周期 循环 变 化 . 剪应 力 和 正应 力 反复 不断 变 换 方 向的作用 , 在 一定程 度 上 削弱 了金 属 的强 度 . 低 周 期 循环 变 化 的 剪 应 力 可 以使 金 属 的这 一部 分和 另 一部 分 彼此 间进 行 滑移 , 而 当剪应 力 还 未超 过 材料 的断 裂 强度 , 也 就 是还 没有 把整 块 材料 切 断 时 , 金 属 各 部 分 之 间 还存 在 一 定 的联 系 . 而 垂直 于微 裂缝 的拉应 力 使微 裂缝 两 侧 的金 属 迅 速 离 开 , 加 大裂 缝 面 积 , 对 裂 缝 的 形成 和 发 展 起着 重 大作 用 ; 破 裂 之所 以在 中心 区域 而不 在 表 层 附近 , 正是 由于在 这 两个 区域 的平 均 应 力氏 的差别 很 大 : 在表 层 附近 区 域尽 管 塑性 变 形达 到 最 大 , 但 该 区域 的平 均 应 力am 却 是压 缩 应 力 , 在 中心 区 域 塑性 变 形 仍然 很 大 , 而 平均 应 力氏却 为 拉 伸应 力 , 拉 伸 的平 均 应 力几促进 了裂 缝 的发 生 和 发展 , 使 金 属这 一 部分 和 另一 部 分彼 此之 间 完 全 失掉 联 系 , 裂 缝 相 连 接后 最 终 形成 孔 腔 . 4 结 论 ( l) 首 次获 得 详 尽 、 定量 的 斜 轧阶 梯 轴 内部 的场 变 量 分布 规 律 ; 在斜 轧过 程中 , 轧 件 的 塑性 参 考 文 献 1 胡 正寰 . 斜 轧与 楔横 轧— 原 理 、 工 艺及 设 备【M I . 北 京 : 冶 金 工业 出版 社 , 1 9 8 5 2 Va u hg an C . 肠a n s v e r s e r o ll i n g fo r th e P r o d u e ti o n fo r if n - i s h e d an d s e m i if n i s h e d e o m P o n e nst 口] . I or n S t e e l , 19 6 9 (6 ) : l 3 粟野 泰 吉 , 落 合 正男 . 钢球 转 造 口 一 片 仁 加 h 石 转 造 力 l二 ” ` · f [ J ] . 精 密机 械 , 1 9 6 1 , 2 7 ( 2 ) : l 4 川井 谦 一 转 造 忆 打 汁 石 沙 才 办 分 布 七 残 留应 力场 解 析 入 。 , 了 口 头 [ J ] . 塑 性 巴 加工 , 1 9 7 8 , 19 (20 5 ) : 14 1 5 IJ M即o s H H , 几。 月 yx H H fl H . M C C IJ E八O B A H H E 及E中0 PM } I P O B A H O C O C T O 只H 】1月 l P H B M H T O B 0 n fl C O K A T K E C fl 0 M O m 毛 助K O P八M H A T A fl X C E T O K [J} . H 3 B B y e q e P H M盯 , 1 9 7 4 ( 1 1) : 6 5 6 Sk i n n e r K C . M e th o d a n d 叩Par a t u s fo r Por du e i n g r o l l e d m e at l b a l l s for m basr o r r o ds (P l . U n i et d s t aet s P a t e n t , N o . 3 8 3 7 8 8 0 1 7 H ay am a H . 0 Pt im u m w o irk gn c o n d i ti o n s i n ht e c or s s 一r o l - l i n g o f s t e P P e d s h a ft [J ] . J M e e h V入〕 rk eT e hn o l , 19 7 9 , 1 7 ( 3 ) : 3 1 8 S a i t o Y, H ig a s h i n o T . S ter s s an a ly s i s i n Plan e 一 s tr a i n or t恻 e o m Per s s i o n o f e y lin idr e a l b i llet t J] . J JS T P, 19 7 9 ( 18 ) : 12 0 9 梁 义 维 . 斜 轧中ZI . 6 m m 铝 球 及孔 型设 计 与变形 规律 的研 究 [D ] . 北京 : 北 京科 技 大学 , 1 9 9 8 10 杨海 波 . 零件 斜 轧成 形 建模 和应 力应 变特 征 [ A ] . 第 七届 全 国 塑性 加 工 理 论 会议 — 金 属 塑性 成 形过 程 计 算机 模拟 ( C A E ) 专 题会 议 论文 [C] . 武 汉 , 2 0 02 1 周 纪华 . 金属 塑 性变 形 阻力 [M ] . 北京 : 机械 工 业 出 版 社 , 1 9 8 9