楔橫軋溫度對鋁合金連桿預制坯心部質(zhì)量的影響

趙小蓮，何奧平，張坷星，曾建民*，何克準，劉俊生，肖剛

(1.廣西大學 廣西有色金屬及特色材料加工重點實驗室， 廣西 南寧 530004;2.廣西南南鋁加工有限公司， 廣西 南寧 530031)

楔橫軋(cross wedge rolling， CWR)是高效生產(chǎn)軸類零件的主要方法之一，具有加工效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好，設備載荷小等優(yōu)點，正逐步受到國內(nèi)外學者的廣泛重視[1-3]，但是在楔橫軋成形過程中，金屬流動比較復雜[4-6]，軋件的心部容易出現(xiàn)疏松和裂紋等缺陷[7-8]，嚴重制約了楔橫軋的推廣和發(fā)展。針對楔橫軋的心部缺陷，各學者已經(jīng)做了大量的研究，也取得了很多有益的成果[9-11]，由于楔橫軋的變形機理復雜，心部疏松的成形機理和預防措施尚未形成統(tǒng)一的定論。因此，本文將以鋁合金連桿預制坯為研究對象，采用熱力耦合有限元模擬技術(shù)，探討楔橫軋軋制初始溫度對軋件心部質(zhì)量的影響規(guī)律，為楔橫軋軋件心部疏松的成形機理和預防措施等方面提供重要的思路和建議。

1 模擬參數(shù)設置

影響楔橫軋軋件心部質(zhì)量的因素很多，其中，軋制初始溫度對心部疏松的影響效果顯著。根據(jù)鍛造領域的經(jīng)驗，通過水冷或風冷對鍛件表面急速降溫，可以壓實心部金屬，減少心部缺陷[5]。因此，本文將在軋件展寬角為13°、軋輥直徑為500 mm、軋輥轉(zhuǎn)速為12 r/min的條件下，研究分析軋制初始溫度為390 ℃、410 ℃、430 ℃、450 ℃、470 ℃和軋件表面降溫梯度Δ37 ℃、Δ75 ℃時的軋件心部質(zhì)量。

本文以某小型發(fā)動機連桿的楔橫軋預制坯為研究對象，發(fā)動機連桿軋件小頭的成形角為20°，小頭直徑為13.1 mm、大頭成形角為30°、大頭直徑為18 mm、細桿直徑為10.7 mm，軋件總長為81 mm，總斷面收縮率65 %左右。由于連桿預制坯為不對稱零件，為達到軋制時的受力平衡，將模具設計成以小頭端面為對稱面的“一模兩件”軋輥，軋后軋件的1/2模型如圖1所示。其中A軸為軋件旋轉(zhuǎn)軸，B面為軋件對稱面。

圖1 軋件縱截面

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 應力應變分析

在數(shù)值模擬過程中，軋件旋轉(zhuǎn)軸方向設為Z向，軋輥壓下方向設為Y向，垂直于Y向和Z向的方向設為X向。在軋件旋轉(zhuǎn)軸上，距對稱面35 mm處取特征點，分析不同軋制初始溫度下的應力應變狀況。

根據(jù)Moriya Oyane[7]韌性損傷模型，即:

(1)

圖2(a)、(b)分別是楔橫軋初始溫度為410 ℃、430 ℃、450 ℃和軋件表面降溫梯度Δ37 ℃、Δ75 ℃時，軋件旋轉(zhuǎn)軸上距對稱面35 mm處的等效應力曲線。如圖2(a)、(b)所示，在軋件主要變形階段，隨著初始軋制溫度的升高和軋件表面溫度梯度的降低，等效應力明顯減小，應力條件增加心部缺陷出現(xiàn)的可能性較大。

圖2(c)、(d)分別是楔橫軋初始溫度為410 ℃、430 ℃、450 ℃和軋件表面降溫梯度Δ37 ℃、Δ75 ℃時，軋件旋轉(zhuǎn)軸上距對稱面35 mm處的等效應變曲線。如圖2(c)、(d)所示，等效應變在楔入段緩慢上升，展寬段的曲線上升速度加快，上升速度在進入第二階梯的展寬段時達到最大，該處變形完成后，曲線上升速度逐漸降低，并在精整段出現(xiàn)了水平臺，軋制剪切槽時，曲線再次上升。隨著初始軋制溫度的升高和軋件表面溫度梯度的降低，最終的等效應變值增大，應力條件增加心部缺陷出現(xiàn)的可能性較大。

(a) 不同初始溫度等效應力

(b) 不同降溫梯度等效應力

(c) 不同初始溫度等效應變

(d) 不同降溫梯度等效應變

圖2 不同楔橫軋溫度下軋件的應力應變

Fig.2 Stress and strain on the pieces in different temperature of cross wedge rolling

2.2 損傷分析

圖3(a)～(e)依次是初始軋制溫度390 ℃、410 ℃、430 ℃、450 ℃和470 ℃時的軋件縱截面損傷分布情況。如圖3所示，軋制初始溫度為390 ℃時，軋件上的最大損傷出現(xiàn)在小頭附近，且分布范圍較大，出現(xiàn)縮頸缺陷的可能性較大；隨著軋制初始溫度的升高，大小頭連接處的損傷值減小、最大損傷范圍縮小，損傷由表面向心部遞增；430 ℃時，心部損傷明顯，小頭、大頭與細桿的連接處、軋件的幾何中心附近，且最大損傷分布在幾何中心附近；當溫度升高到450 ℃時，大小頭連接處基本未表現(xiàn)出較大損傷的累積，損傷環(huán)狀分布，意味著縮頸風險基本消除，但心部損傷最大值增大；溫度升高至470 ℃時，環(huán)形損傷的梯度變化不大，但此時的終軋溫度已超過500 ℃，易產(chǎn)生材料過燒和晶粒粗大，不宜采用。另外，隨著初始軋制溫度的升高，軋件細桿部位表面的損傷減小，說明高溫有利于金屬流動，改善了軋件的表面質(zhì)量，即減輕了螺旋痕等表面缺陷。

圖3(f)、(g)是在初始軋制溫度450 ℃的基礎上，經(jīng)過表面急冷，使軋件小頭對稱面的中心與表面溫差37 ℃、75 ℃時的工況。如圖3所示，軋件上沒有明顯的環(huán)狀梯度損傷，在小頭連接處也沒有出現(xiàn)大損傷的富集，整體的損傷最大值仍然出現(xiàn)在軋件中心附近，數(shù)值明顯降低，且分布范圍縮小。

(a)390 ℃ (b)410 ℃ (c)430 ℃ (d)450 ℃ (e)470 ℃ (f)Δ37 ℃ (g)Δ75 ℃

圖3 不同楔橫軋初始溫度下軋件的縱截面損傷分布

Fig.3 Damage on the pieces’ longitudinal section in different initial temperature of cross wedge rolling

在軋件旋轉(zhuǎn)軸上，距對稱面30、35、40、45、50 mm處取P1～P5五個特征點，五個特征點的損傷隨時間變化曲線見圖4(a)。從圖4(a)可見，各點開始變形之前，損傷緩慢上升；各點進入楔入段之后，損傷上升速度增大；在各點的展寬段，損傷增速達到最大值；各點變形結(jié)束后，損傷上升速度變緩，并在精整段趨于水平變化。各點最終的損傷最大值比較接近，但35 mm和40 mm處最終的損傷值相對較大。

在上述溫度條件的楔橫軋工況下，軋件心部五個特征點的最大損傷的平均值見圖4(b)。從圖4(b)可見，隨著初始軋制溫度的升高，心部損傷平均值增大；但在表面急速冷卻之后，心部損傷平均值隨著表面溫度梯度的增加而迅速降低。

(a) 楔橫軋軋件心部損傷隨軋制時間變化曲線

(b) 不同初始楔橫軋溫度下軋件心部各點損傷平均值

圖4 軋件心部五個特征點的損傷變化

Fig.4 Change of damage variety at five tracking points

以上結(jié)果表明，為了減少縮頸和表面螺旋痕等缺陷出現(xiàn)的風險，需要適當提高初始軋制溫度，但提高初始軋制溫度又增大了出現(xiàn)心部缺陷的可能性，可以結(jié)合軋件表面急速降溫措施提高心部質(zhì)量。

3 結(jié)論

① 隨著楔橫軋初始溫度的升高和軋件表面溫度梯度的降低，軋件心部的等效應力明顯減小，最終的等效應變值增大，心部缺陷出現(xiàn)的可能性較大；

② 軋件的損傷由表面向心部增加，心部最大損傷值隨著楔橫軋初始溫度的升高和軋件表面溫度梯度的降低而升高，軋件細桿心部各特征點的最終損傷值平均值隨著楔橫軋初始溫度的升高和軋件表面溫度梯度的降低而升高。

③ 為了減少縮頸和表面螺旋痕等缺陷出現(xiàn)的風險，需要適當提高初始軋制溫度，但提高初始軋制溫度又增大了出現(xiàn)心部缺陷的可能性，可以結(jié)合軋件表面急速降溫措施提高軋件心部質(zhì)量。