楔橫軋多楔成形鋁合金連桿的數(shù)值模擬

文/趙小蓮，何奧平，曾建民·廣西大學(xué)

何克準(zhǔn)，劉俊生，肖剛·廣西南南鋁加工有限公司

楔橫軋多楔軋制是目前楔橫軋工藝較為先進(jìn)的一種精密加工工藝，是針對(duì)長(zhǎng)軸類零件開(kāi)發(fā)出來(lái)的，其工作原理與楔橫軋單楔軋制相近，在楔橫軋多楔模具的作用下，軋件產(chǎn)生徑向壓縮變形和軸向延伸變形。在目前所有的成形工藝中具有顯著的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。

楔橫軋多楔軋制變形過(guò)程屬于非線性大塑性三維成形問(wèn)題，變形過(guò)程中軋件所受到的三維應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)復(fù)雜，成形機(jī)理更為復(fù)雜。隨著數(shù)值模擬方法的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬的精度不斷提高，復(fù)雜的塑性變形模擬結(jié)果越來(lái)越可靠，是目前研究楔橫軋多楔軋制工藝過(guò)程的主流方法。借助數(shù)值模擬仿真分析方法，調(diào)整楔橫軋模具各楔的工藝參數(shù)以及排布位置的變化，獲得應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的變化規(guī)律，探索其變形、缺陷產(chǎn)生機(jī)理，為今后進(jìn)一步研究楔橫軋多楔零件的精確成形及金屬流動(dòng)提供了理論參考依據(jù)。

建立有限元數(shù)值分析模型

整體軋制的楔橫軋多楔有限元模型，如圖1 所示。該模型包括多楔軋輥、擋板及軋件等。假定軋輥是剛性體，軋件是塑性體，軋輥下壓軋件的方向?yàn)閅 向（徑向），垂直徑向的方向?yàn)閄 向（橫向），平行軋件中心軸的方向?yàn)閆 向（軸向）。由于軋件結(jié)構(gòu)對(duì)稱，取軋件的一半作為研究對(duì)象進(jìn)行有限元模擬。

楔橫軋多楔模具設(shè)計(jì)有4 個(gè)楔：隔斷楔、側(cè)主楔、內(nèi)側(cè)楔、外側(cè)楔，各楔均由楔入段、平整段、展寬段和精整段組成，其在軋輥上的排列順序，如圖2 所示。

模擬中選取的軋輥和軋件的各工藝參數(shù)為：工件直徑18mm，軋輥直徑500mm，成形角30°，展寬角13°，斷面收縮率47%。

模擬結(jié)果與分析

軋件的模擬成形過(guò)程

鋁合金連桿坯料呈啞鈴狀，形狀不對(duì)稱，各段桿的直徑不同，軋制時(shí)變形過(guò)程很復(fù)雜，是一個(gè)典型的多楔多道次軋制過(guò)程。多楔楔橫軋軋制鋁合金連桿的數(shù)值模擬成形過(guò)程，如圖3 所示。

金屬流變行為分析

金屬流動(dòng)狀況影響軋件的形狀、尺寸，所以必須要充分掌握金屬的流動(dòng)規(guī)律。為更加直觀地了解軋件各部位金屬的流動(dòng)狀況，將軋件縱向截面劃分成均勻分布的小格，從右到左等間距（10mm）取11個(gè)橫截面，如圖4（a）所示。軋制結(jié)束后，截面上的金屬流動(dòng)通過(guò)網(wǎng)格變形體現(xiàn)出來(lái)，如圖4（b）所示。

軋件成形完成后，軋件細(xì)桿部位劇烈的扭轉(zhuǎn)，網(wǎng)格變形嚴(yán)重，夾持桿末端的網(wǎng)格被拉長(zhǎng)，出現(xiàn)嚴(yán)重的凹心。軋制過(guò)程中軋件受到的軸向力不對(duì)稱，成形過(guò)程旋轉(zhuǎn)速度不一致，軋件表面金屬流動(dòng)速度快，心部金屬流動(dòng)速度慢，軋件容易晃動(dòng)打滑，產(chǎn)生縮頸缺陷。

應(yīng)力場(chǎng)分布結(jié)果分析

軋件縱剖面的應(yīng)力場(chǎng)分布狀態(tài)圖，如圖5 所示。從圖中可以看出，坯料與模具接觸部位受壓應(yīng)力作用，其余部位都受到拉應(yīng)力作用，軋件中心及細(xì)桿部位受到的拉應(yīng)力最大，軋件受到的應(yīng)力變化復(fù)雜，金屬流動(dòng)不均衡，塑性變形的程度不一致，容易發(fā)生疏松、縮頸或心部缺陷。

韌性損傷分析

軋件的損傷程度預(yù)測(cè)分析，如圖6 所示。從圖中可以看出，軋件桿部中心區(qū)域以及夾持桿末端損傷程度較大，軋件桿部中心區(qū)域易產(chǎn)生心部疏松或心部裂紋，夾持桿末端容易產(chǎn)生凹心缺陷。

結(jié)論

⑴利用DEFORM-3D 有限元軟件對(duì)多楔楔橫軋鋁合金連桿成形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真分析，獲得應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的變化規(guī)律，探索其變形、缺陷產(chǎn)生機(jī)理，為今后進(jìn)一步研究楔橫軋多楔零件的精確成形及金屬流動(dòng)提供了理論參考依據(jù)。

⑵在軋制過(guò)程中，軋件中間細(xì)桿部和夾持桿部變形劇烈，變形量大，金屬流動(dòng)復(fù)雜，容易產(chǎn)生疏松、裂紋、頸縮等缺陷，建議進(jìn)一步研究采取適當(dāng)?shù)能堉乒に?，?lái)降低缺陷發(fā)生的概率。