變直徑空心件楔橫軋收口模擬研究

任 亮，鄧子玉，李艷娟，趙志勇

(沈陽理工大學 材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110159)

現(xiàn)在工業(yè)中生產變直徑空心件的主要工藝有兩種：第一種是采用模具縮頸，即通過模具的作用使毛坯管形件的直徑沿軸向逐漸縮小，直至其達到工件的最終尺寸要求；第二種是通過旋壓方式縮頸[1]。目前這兩種工藝方法都有一定的不足之處。采用模具縮頸方法對模具的磨損比較大，縮短了模具的更新周期，而模具的材料成本和加工費用都很高，所以采用這種方法成形的成本很高[2-3]；通過旋壓方式縮頸的方法效率比較低，在旋壓機的作用下使毛坯件逐漸變形，直徑沿軸向漸漸縮小，生產一個工件所需的時間較長[4]。為了降低生產工件的成本，同時提高生產效率，本文嘗試采用楔橫軋工藝使之成形且獲得滿足要求的工件。

1 有限元模型的建立

本文所軋制工件的成形工藝過程與傳統(tǒng)楔橫軋有相同部分也有不同之處，變形基本遵循楔橫軋變形理論，仍屬于楔橫軋范圍，軋輥模具設計及各參數(shù)的設定仍需符合楔橫軋的基本理論。

圖1是軋制后成形的工件圖。該工件由管形件變形為截面直徑逐漸變小的錐形件，坯料發(fā)生塑性變形主要集中在管形件前段。工件的主要變形是直徑減小和軸向長度增加，根據(jù)金屬塑性變形過程中體積不變原則，坯料直徑減小過程中會促使金屬沿軸向流動，從而使其軸向長度增加[5]。本文的難點在于空心件內部沒有支撐，在軋制過程中可能會造成失穩(wěn)，變形量過大、軋輥轉速過高、摩擦系數(shù)設置不當都可能使軋件成形失敗，不能達到工件的形狀和尺寸要求，甚至會使軋件整體破碎。所以，在模具設計和數(shù)值模擬過程中，必須控制好這些因數(shù)的變化。

圖1 工件圖

1.1 成形方案的制定

根據(jù)本文所研究工件的特點，初步確定兩種軋制成形方案，方案Ⅰ是變角度逐漸變形；方案Ⅱ是等角度間歇變形。兩方案的變形過程有所不同，將兩方案進行比較，選出較好方案進行其他參數(shù)改進。圖2是軋件變形過程示意圖。

變角度逐漸變形：從軋件變形量大的開口端部開始變形，逐漸沿軸向向變形量小的一端延伸，隨著軋輥的轉動，軋件從開口端開始到直徑不發(fā)生變化部位，變形逐漸參加。隨著變形部分不斷向另一端延伸，開口端變形逐漸增大，當變形到軋件直徑不變的部位時，軋件各部分都基本達到工件的形狀和尺寸要求，再經過整形段整形，軋件最終成形。在軋件變形過程中，軋件的徑向尺寸減小，金屬會沿軸向流動，使軋件長度增加，由于軋件會同時受到軋輥沿軸向的阻力作用，軋件空心部分壁厚可能會增加。

等角度間歇變形軋制：軋件在橫截面上的整個變形過程中每周的變形角度和變形量保持不變，隨著軋件旋轉周數(shù)的增加，變形角度和變形量逐漸增大，直至最終成形。在軋件軸向變形部分的每一點都同時開始變形，在軋輥轉過等角度時，軋件上沿軸向各截面在等角度內所處的截面位置不同變形量也不同，變形量沿軸向逐漸增大。當軋輥轉過一定角度后，軋件各截面同時達到工件要求的變形量，經過整形后，得到合格產品。軋件變形過程中，金屬的流動與方案一類似，徑向直徑減小，軸向長度增加，同時軋件壁厚增加。

圖2 軋件變形過程示意圖

1.2 幾何模型及楔形展示

該工件在變形過程中的成形方案不同于已經比較成熟的空心件橫軋工藝，所以無論是工藝過程還是模具設計都不能完全照搬現(xiàn)有的理論，必須在現(xiàn)有理論基礎上根據(jù)工件成形的特點加以創(chuàng)新。在變角度逐漸變形方案中，變形量最大的部分先開始變形，隨著軋輥的轉動，變形部分逐步向壓下量小的部分擴展，其楔形展開圖如圖3a所示。變角度逐漸變形方案中，從軋輥和毛坯件接觸處開始相對運動開始，毛坯件主要變形部分的每一點都有相應的壓下量，只是在不同部位的壓下量不同，其楔形展開圖如圖3b所示。

1.3 成形過程模擬基本參數(shù)的設定

工件所選用的材料為45號鋼，模具材料為H13；考慮與軋件之間的熱傳導軋輥模具的初始溫度設定為200℃；軋件的初始溫度t=950℃；軋輥的轉速n=6r/min；導板和軋件之間的間隙δ=0.1mm；軋輥與軋件之間的摩擦系數(shù)為2；導板與軋件之間的摩擦系數(shù)為0.2；限定軋件實心端面沿軸向不運動。

2 有限元模擬結果及分析

采用方案Ⅰ所設計的模具進行模擬的結果與工件要求相差太遠，無法成形。無論參數(shù)如何設定，在軋制過程中毛坯件都發(fā)生破損、失穩(wěn)等缺陷，不能達到工件形狀和尺寸的要求，如圖4所示。

圖3 楔形展開圖

通過對軋件在模擬中變形過程的觀察，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)上述模擬結果的原因主要是軋輥模具設計不合理。在軋制過程中，軋件的開口端最先變形，變形后軋件端部直徑變小，這部分仍與軋輥貼合；這時軋件在軋輥軸向力、軋輥和軋件之間的摩擦力共同作用下，阻礙軋件金屬沿軸向流動[6]；軋件端部的變形量越大，這種阻礙金屬流動的現(xiàn)象越來越嚴重[7]。根據(jù)金屬塑性變形體積不變原則和最小阻力定律，既然金屬不能沿軸向流動，當變形量比較小時，金屬會在端部聚集；隨著變形量的增大，軋件端部金屬就會沿徑向流動，逐漸貼向某一側的導板。這時由于軋件空心部分內部沒有支撐，過多的金屬貼在導板上，會使軋件和導板之間的接觸面積變大，它們之間的摩擦力也變大，從而阻礙軋件隨軋輥轉動。此時軋件不再轉動，金屬仍然會隨軋輥的轉動而流動，軋件金屬流向阻力更小的部位：即軋件和導板之間的縫隙，繼續(xù)變形時，就產生了圖4所示的模擬結果。

圖4 方案Ⅰ模擬后工件的狀態(tài)圖

采用方案Ⅱ模擬結果如圖5所示，圖5a和圖5b分別為軋制后軋件在X軸方向與Y軸方向視圖。在圖中可以直觀地發(fā)現(xiàn)，X軸方向視圖效果比較好，外徑已經基本達到工件的形狀要求。但在Y軸方向視圖中，軋件的變形明顯偏向一側，并且金屬發(fā)生徑向流動。詳細觀察軋件的變形過程，可以看出，造成Y軸方向視圖偏向一側的原因是由于在軋制過程中軋件變形端逐漸變細，導致左右兩塊導板不能同時對其起到支撐的作用；而軋件的徑向力過大，使其一側貼到導板上，阻礙軋件的轉動；當軋輥繼續(xù)轉動時，會帶動軋件與其相接觸表面的金屬從導板和軋件的縫隙中流出，這一側徑向變形量幾乎為零。變形過程中金屬流動的狀態(tài)如圖5c所示。

圖5 方案Ⅱ模擬后的工件及其流動狀態(tài)圖

3 對方案2進行優(yōu)化

為使導板在軋件的變形過程中能夠起到支撐作用，又不與軋輥發(fā)生干涉，將導板與軋件接觸一側設計成圓弧面。該圓弧和工件要求的圓弧弧度一致，并且給導板沿軸向加以運動，使其在軋輥轉動的同時，沿軸向向軋件的尾端做直線運動，如圖6所示。本文完成一次模擬所需要時間為9.2s；軋件變形所占的時間為7.08；導板運動的距離為55.5mm；則導板的速度為

當軋制過程進入整形段后，導板不再運動，軋輥繼續(xù)轉動，對軋件進行整形，使軋件達到要求的形狀尺寸。

導板的設計可以優(yōu)化工件的表面成形，而要想內部成形較好，則應該在軋件的開口端加一根芯棒，如圖6所示。

圖6 導板改進與加入芯棒的示意圖

4 改進后方案的模擬結果及應力應變分析

通過后處理查看模擬效果，取出不同角度下的工件圖，工件的形狀尺寸基本達到要求。分別沿軸向和徑向剖開軋件，進一步查看內部成型情況，如圖7所示。

圖7 方案改進后的模擬結果

由圖7可以看到軋件成形表面較理想，然而端部內測仍有不圓度和輕微尖角出現(xiàn)，成形效果還是不太理想。對軋件應力應變進行簡單分析，截取工件整形前的狀態(tài)，如圖8所示。

圖8 工件等效應力應變等值線圖

圖8a為等效應力等值線圖，從圖中可以看出，軋件上各點的應力狀態(tài)是兩向壓縮，一向拉伸，沿軸向拉伸，其他兩向壓縮。在此應力狀態(tài)下，材料的塑性比較好，所以，等效應力的變化對軋件的成形效果影響不是很大；應力和應變的變化是相互關聯(lián)的。圖8b為等效應變等值線圖，由圖可知，軋件的應變主要在其兩端，且變形端的應變比較大。

5 結論

1)與變角度逐漸變形軋制方案比較，等角度間歇變形軋制成形效果較好；

2)導板運動的改進，能使工件成形表面更接近要求；

3) 端部加芯棒，能改善工件內部成形效果，但是不能完全達到要求。

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