李凝，王子孝，楊克己，楊向勇

(1.浙江師范大學工學院，浙江 金華 321004;2.浙江萬里揚變速器股份有限公司，浙江 金華 321025;3.浙江大學機械工程學系，杭州 310007)

由于楔橫軋工藝的特殊性，軋制成形過程中工藝參數(shù)的選擇對于軋件的成形質(zhì)量至關(guān)重要[1—2]。傳統(tǒng)的靠經(jīng)驗試軋的方法不僅設(shè)計開發(fā)周期長，生產(chǎn)成本也比較高，已經(jīng)無法滿足實際的生產(chǎn)需要。隨著計算機科學技術(shù)的不斷發(fā)展和有限元技術(shù)的日益成熟，以CAE技術(shù)等為代表的現(xiàn)代分析手段越來越受到人們的重視，并在現(xiàn)實生產(chǎn)中得到了廣泛應用[3—8]。軋制過程是一個非常復雜的彈塑性大變形過程，既有材料非線性、幾何非線性，又有邊界條件的非線性，變形機理非常復雜，難以用準確的數(shù)學模型來描述[9—11]。因此，有限元法被越來越多地應用于模擬軋制過程，它不僅能解決復雜的非線性問題，而且克服了傳統(tǒng)的物理模擬和實驗研究成本高且效率低的缺點。為了了解楔橫軋過程中材料的形變狀態(tài)，文中針對變速箱中輸出軸的成形過程進行三維建模仿真分析，即采用非對稱楔橫軋模具軋制成形單軸類件，以了解非對稱成形過程中材料內(nèi)的應力應變狀態(tài)，預測材料變形過程中的成形缺陷。

1 零件成形工藝性分析

某變速器輸出軸的毛坯零件圖如圖1所示。從圖1可以看出，該軸軸肩φ86 mm為最大軸徑，呈左右非對稱結(jié)構(gòu)，軸上φ86 mm向軸端的左右軸間、軸段長度各不相同，采用單件楔橫軋生產(chǎn)。軋制成形過程中，由于左右楔的數(shù)量不等，斜楔面沿軸向分力不同，造成軋制力不均衡分布，生產(chǎn)過程中易于產(chǎn)生軋制缺陷[12]。為了避免軋制缺陷的產(chǎn)生，須修訂相應工藝參數(shù)迫使左右軸向力相等，如需采用左右楔斜面的摩擦力不同，或采用非對稱楔軋制成形參數(shù)，以克服成形過程中材料的不均衡變化帶來的成形缺陷。

圖1 某變速器輸出軸零件毛坯Fig.1 Drawing of the output shaft blank in transmission gearbox

2 幾何模型的建立及相關(guān)參數(shù)

采用三維造型軟件UG和SolidWorks等CAD軟件系統(tǒng)繪制，保存為STL格式，以備有限元分析軟件的導入。模具型腔表面的展開圖如圖2所示，從圖2可以看出，軋制時不同的楔入段其展開角度和楔成形軸段長度不同。每一成形部分分為3個部分，即楔入、展寬、精整3個階段，成形軸段相應尺寸的關(guān)鍵階段為楔入和展寬階段，這將影響成形零件的整個零件結(jié)構(gòu)及其尺寸，其成形角α、展寬角β和斷面收縮率ψ成形參數(shù)見表1。

圖2 楔橫軋模具展開圖及工件成形過程Fig.2 Expanded diagram of cross wedge rolling die and piece forming process

楔橫軋模具設(shè)計如圖3所示，模具成形楔分塊加工成形，工作時的模具型腔表面緊貼軋件表面，利于軋制成形。為了了解軋制成形過程中的金屬流動過程，軋件溫度場、力場分布情況，需要對軋件進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分對模擬至關(guān)重要，有限元分析中網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接影響著求解的效率和精度，當單元類型確定后，網(wǎng)格的質(zhì)量取決于網(wǎng)格劃分的精度等級和單元邊長等因素[8，13—16]。過少的網(wǎng)格會導致模擬失真，過多的網(wǎng)格會加大模擬時間，延長設(shè)計周期。此次模擬采用的網(wǎng)格數(shù)量為80000個。模擬的相關(guān)成形工藝參數(shù)設(shè)計數(shù)據(jù):材料為Steel－AISI－1045，坯料直徑為80 mm，坯料長度為250 mm，模擬溫度為1150℃，模具轉(zhuǎn)速為8 r/min，摩擦因數(shù)(左)為 0.6，摩擦因數(shù)(右)為 0.5。

表1 楔橫軋成形工藝參數(shù)Table1 Forming process parameters in cross wedge rolling

圖3 楔橫軋模具三維造型設(shè)計Fig.3 3－ dimensional modeling design of cross wedge rolling die

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 同一橫截面上的應變分布

圖4為輸出軸最大軸徑φ86 mm處的橫截面上，不同時刻的應變變化圖。仔細分析圖4后發(fā)現(xiàn)橫截面上的切向應變有以下規(guī)律:整個軋制過程的應變基本以軸中心呈對稱分布，軋件發(fā)生形變的區(qū)域應變最大，切向應變出現(xiàn)一過渡層，該過渡層厚度約為軸半徑的1/3，形成的分割界面處應變最大;在模具楔切入軋件過程中，在水平切向力的作用下，軋件由心部沿與水平方向夾角45°的方向呈半拉伸狀態(tài)，軸的圓度受到影響，呈橢圓形特征，此時心部材料處于明顯的拉拔狀態(tài)，所以該處表現(xiàn)為拉應變，即心部易于出現(xiàn)縮松和裂紋[14，17—19]。為了防止該類缺陷的產(chǎn)生，宜將軋制速度放慢或?qū)⒉牧系男巫兞拷档?，以減少成品軋件的報廢。

圖4 同一橫截面不同時刻的切向應變分布(mm/cm)Fig.4 Tangential strain distribution of the same cross section at different time

3.2 軸向應變分布結(jié)果分析

圖5為縱截面上不同時刻的軸向應力分布圖。由模型的縱截面應力分布圖可知，軋件的變形有以下特征:軋件最大直徑及未承受載荷的端部應變相對最小，直徑最小處的應變最大，應變呈軸對稱分布;軋件成形過程中，軋件徑向被壓縮，軸向延伸，長度大于毛坯;軋件應變最大位置由開始的模具楔接觸軋件區(qū)域逐漸移至軋件心部。結(jié)合圖4可以發(fā)現(xiàn)，模具楔入段，模具與軋件接觸區(qū)的應變最大，隨著模具的楔入，軋件應變逐步延伸至軋件心部，此過程中軋件毛坯徑向壓縮變形段較小，外推材料較少，軸向延伸變形不明顯;成形進入展寬段后，軋件應變范圍增大，徑向材料向兩軸向兩端擴展，軸向發(fā)生了較大的延伸，此時，直徑較小的軸向應變和切向應變均增大，由于軋件內(nèi)外溫度的差異，材料的粘滯性不同，在軋件內(nèi)形成不明顯的分層，但徑向切應變表現(xiàn)突出[20—21];在模具與軋件旋轉(zhuǎn)條件下，軋件心部應變經(jīng)多次積累逐漸形成應變最大區(qū);至軋件精整階段，軸向延伸變化不明顯，只是應變相對降低，直徑最小的軸部變形區(qū)心部成為應變最大區(qū)。結(jié)合兩圖發(fā)現(xiàn)，軋件應變最大區(qū)一直存在于軸徑最小位置的楔入、展寬及精整段，并逐漸由模具楔與軋件面接觸區(qū)向心部轉(zhuǎn)移。

圖5 同一縱截面不同時刻的應力分布(MPa)Fig.5 Stress envelope of the same vertical section at different time

3.3 成形軋制力及接觸面積

圖6為輸出軸楔橫軋成形過程中軋制力的變化曲線，圖7為軋件與模具接觸表面的面積變化曲線。由圖6，7可見，隨著軋件接觸面積的增大，軋制力逐漸增大。在軋件楔入段，軋件面積迅速增大，軋制力迅速增大到一極大值而后降低，說明模具在楔入時需要較大的軋制力，克服材料發(fā)生塑性變形產(chǎn)生的抗力，材料一旦發(fā)生塑性變形，由于軋制力的連續(xù)性，材料的形變抗力相對降低，其外在表現(xiàn)為軋制力的增大速率減小;隨著軋制展寬段模具楔的進入，軋件與模具的接觸面積逐漸增大，變化平穩(wěn)，軋制力增大速率相對較大。軋制進入精整階段時，模具與軋件的接觸面積基本不變，對應的軋制力與面積呈線性增長趨勢。同時，從曲線圖亦可以看出，軋件楔入段，軋制力相對較小，軋件易于被嵌入;軋件的展寬成形階段，由于軋件的形變量大，軋件處于軸向拉伸狀態(tài)，軋制力增大;當軋件處于精整階段時，軋件的變形量較小，軋制力變化較小。

圖6 軋件的載荷－行程(時間)曲線Fig.6 Load － process(time)pattern of the workpiece

圖7 軋件－模具接觸表面積－時間曲線Fig.7 Actual contact area－time chart of the workpiece－die

4 結(jié)論

1)在整個軋制成形過程中，對于同一橫截面，切向應變基本上呈中心對稱分布，由軋件與模具接觸區(qū)域向未接觸區(qū)域逐漸延伸;軋件由心部沿與水平方向夾角45°的方向呈半拉伸狀態(tài)，成形軸的圓度受到影響，呈橢圓形特征。

2)該輸出軸軋制成形過程中，軋件應變最大區(qū)一直存在于軸徑最小位置的楔入、展寬及精整段，并逐漸由模具楔與軋件面接觸區(qū)向心部轉(zhuǎn)移。

3)軋制成形過程中，模具在楔入時需要較大的軋制力，以克服材料發(fā)生塑性變形產(chǎn)生的抗力;展寬和精整段，軋制力與模具與軋件的接觸面積呈順增長趨勢。

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