劉燕波,陳文琳,鄭明玉

(1.合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,合肥230009;2.合肥汽車鍛件有限公司,合肥230031)

大斷面收縮率楔橫軋成形工藝改進(jìn)

劉燕波1,陳文琳1,鄭明玉2

(1.合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,合肥230009;2.合肥汽車鍛件有限公司,合肥230031)

目的 研究大斷面收縮率一次軋制成形的可行性,降低材料利用率。方法 以某型號(hào)變速箱二軸為研究對(duì)象,將原來的二次楔軋制改為一次楔軋制,用有限元軟件對(duì)改進(jìn)前后工藝進(jìn)行模擬分析,獲得了等效應(yīng)變、應(yīng)力場(chǎng)分布和軋制力矩的變化。結(jié)果 模擬結(jié)果表明,一次楔軋制變速箱二軸是可行的,料頭尺寸得到了減小。一次楔軋制的端頭的應(yīng)力小于極限應(yīng)力,沒有產(chǎn)生縮頸等缺陷。結(jié)論 改進(jìn)后的工藝切實(shí)可行,節(jié)省了材料,而且方便了模具的加工制造。

大斷面收縮率;楔橫軋;工藝改進(jìn);有限元分析

楔橫軋是一種高效的金屬零件成形工藝,是一種先進(jìn)的制造技術(shù),以其高效、節(jié)材、產(chǎn)品綜合力學(xué)性能好等優(yōu)勢(shì),在成形實(shí)心軸類零件上得到了廣泛的應(yīng)用[1—2]。楔橫軋一次的斷面收縮率一般應(yīng)小于75%,否則容易產(chǎn)生軋件的不旋轉(zhuǎn)、螺旋縮頸甚至拉斷的問題。如果軸類件產(chǎn)品直徑相差很大,斷面收縮率大于75%,一般采用在同一軋輥模具上兩次楔入軋制,即每次楔入軋制的壓縮率小于75%,兩次總壓縮率大于75%的方法[3—5]。當(dāng)前,有限元數(shù)值模擬方法已被應(yīng)用于楔橫軋成形過程,并成為楔橫軋工藝設(shè)計(jì)中重要的輔助工具[6—8]。

文中以某型號(hào)變速箱二軸為研究對(duì)象,利用有限元軟件對(duì)大斷面收縮率大于75%的軋件進(jìn)行一次楔軋制研究,探討其合格成形的可行性。

1 工藝方案分析

1.1 原有工藝

圖1為某型號(hào)變速箱二軸,質(zhì)量為9.6 kg,材料為20CrMnTiH。該件為非對(duì)稱軸類件,最大直徑為90 mm,兩端最小直徑為35.5 mm,直徑差大,給軋制成形帶來困難,由于其長(zhǎng)度較長(zhǎng),考慮現(xiàn)有設(shè)備,采用一模一件生產(chǎn)。實(shí)際生產(chǎn)在H1000楔橫軋軋機(jī)上進(jìn)行,如圖2所示。

圖1 變速箱二軸Fig.1 Diagram of the second shaft in gearbox

圖2 原有工藝楔橫軋模具Fig.2 Mold of original cross wedge rolling process

根據(jù)工件尺寸,通過公式可計(jì)算得到最大斷面收縮率為86%,超過75%。所以原工藝中需要將2個(gè)端頭部分進(jìn)行二次楔軋制,以防止出現(xiàn)縮頸或拉斷的問題。選用坯料直徑為95 mm,一次楔軋制到左邊直徑為45.5 mm,右邊直徑為49 mm,而后二次楔軋制到直徑35.5 mm,最后切除兩端料頭,如圖3a所示。模具參數(shù):一次楔成形角α為30°,展寬角β為10°,斷面收縮率ψ為73.4%和77%;二次楔成形角α為30°,展寬角 β為 10°,斷面收縮率 ψ為 39.4%和47.5%;總斷面收縮率ψ為86%。

1.2 工藝改進(jìn)

變速箱軸在二次楔軋制的情況下會(huì)產(chǎn)生更大的料頭,因?yàn)檫@是在一次楔軋制完的基礎(chǔ)上再進(jìn)行的二次楔入,相當(dāng)于又出現(xiàn)了一個(gè)二次料頭,二次料頭便增加了材料消耗。

另一方面,圖3a所示楔橫軋模具,在加工時(shí)存在二次定位的問題,定位不準(zhǔn)確會(huì)造成產(chǎn)品質(zhì)量下降。

綜上分析,將原來的兩個(gè)端頭部分的二次軋制改為一次軋制。首先是楔入點(diǎn)的設(shè)計(jì),為保證最小軸徑處軋制時(shí),模具的軸向受力均勻,則需考慮在確定展寬角和成形角的情況下,將楔入點(diǎn)設(shè)置在軋件的中間位置處,以保證2個(gè)端頭部分軋制時(shí)是基本同時(shí)楔入和結(jié)束。如圖3b所示。

圖3 模具平面圖Fig.3 Expanded diagram of crosswedge rollingmold

由于一次楔軋制的最大斷面收縮率為86%,則需選用合適的成形角和展寬角,否則軋制過程便會(huì)出現(xiàn)問題[9—11]。通過查閱相關(guān)設(shè)計(jì)資料,并考慮到兩端最細(xì)處長(zhǎng)度比較短的緣故,選擇的模具工藝參數(shù)如下:棒料直徑為φ95mm,成形角α為30°,展寬角β為10°,斷面收縮率ψ為86%。

2 有限元模型及驗(yàn)證

在三維軟件中建立坯料、楔橫軋模具、擋板的幾何模型,然后導(dǎo)入到有限元軟件中。軋件與上下模具采用自動(dòng)的面面接觸模型,軋輥表面為目標(biāo)面,軋件表面為接觸面,軋件與2個(gè)模具的軋制條件完全對(duì)稱。在實(shí)際軋制中楔橫軋的旋轉(zhuǎn)條件比較惡劣,為了能夠穩(wěn)定軋制,在模具的成形斜面上刻痕或者打點(diǎn)以增大摩擦。在模擬中,為了防止模擬過程中打滑和軋件在模擬過程不轉(zhuǎn)的現(xiàn)象,模具與軋件間的摩擦為剪切摩擦,摩擦因數(shù)設(shè)為2[12—13]。最后得到的有限元模型如圖4所示。

圖4 楔橫軋有限元模型Fig.4 FEMmodel of cross wedge rolling

模擬主要參數(shù)如下:選取毛坯直徑為95 mm,網(wǎng)格數(shù)設(shè)為30 000個(gè),軋輥直徑為800 mm,初始軋制溫度為1150℃,軋輥轉(zhuǎn)速為0.13 rad/s。

有限元模型是否可靠,需要繼續(xù)驗(yàn)證。由圖4的有限元模型計(jì)算的結(jié)果與同等條件的成形實(shí)物進(jìn)行對(duì)比,如圖5a和b。數(shù)值模擬得到軋件的模型與實(shí)際生產(chǎn)中的軋件基本相符,這說明用有限元軟件模擬真實(shí)的楔橫軋軋制過程是可信的。

圖5 有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)物對(duì)比Fig.5 Comparison of the results calculated by FEMand the actual sample

3 模擬結(jié)果分析

3.1 成形性分析

前述提出將原來的2個(gè)端頭部分的二次軋制改為一次軋制,圖6所示是一次楔軋制有限元模擬結(jié)果。圖7為改進(jìn)前后的料頭形狀對(duì)比。由圖7可知,一次楔軋制能獲得外形合格的軋件,而且這也減小了料頭的尺寸。

圖6 一次楔軋制的模擬結(jié)果Fig.6 Result of FEMsimulation with one wedge

圖7 改進(jìn)前后的料頭形狀對(duì)比Fig.7 Comparison of shapes of stub bar before and after the improvement

3.2 等效應(yīng)變分析

圖8 等效應(yīng)變變化情況Fig.8 Effective strain changes during cross wedge rolling process

圖8為軋制過程中的等效應(yīng)變變化圖,由圖8a可知,軋制剛開始時(shí),楔入段應(yīng)變急劇增加,最大即可達(dá)到8.7,這是因?yàn)樾ㄈ腚A段,變形比較快,到展寬段,如圖8b,c,應(yīng)變上升較為緩慢,到軋制完成時(shí),等效應(yīng)變最大為14。由圖8可以看出,軋件上的等效應(yīng)變從里向外依次增大,說明表層的金屬變形程度大,這在圖8b中尤其明顯,這是因?yàn)榇硕螖嗝媸湛s率小,變形深入到中心部位不多。由于楔橫軋軋制是從中間往兩頭擴(kuò)展,所以2個(gè)端頭的應(yīng)變幾乎為0,尤其是料頭部分,基本沒有變形。

3.3 應(yīng)力場(chǎng)分析

一次楔軋制最危險(xiǎn)的地方就是最小軸頸處,如果參數(shù)設(shè)置不當(dāng),則會(huì)產(chǎn)生軸向頸縮,甚至拉斷[14—15]。為觀察最小軸頸處是否會(huì)產(chǎn)生破壞,用有限元軟件來觀察分析最小軸頸成形過程中的軸向力和橫向切應(yīng)力,如圖9所示。

圖9 軋件端頭部分的應(yīng)力分布Fig.9 Stress distribution in the end portion

圖10 軋制力矩-時(shí)間變化曲線Fig.10 Torque-time curve of crosswedge rolling

從圖9中可以看出,在與模具接觸的區(qū)域,因?yàn)榻饘倭鲃?dòng)受阻,所以橫向應(yīng)力和軸向應(yīng)力均為壓應(yīng)力,且在與模具接觸部位最大,離模具越遠(yuǎn),則數(shù)值越小。在軋件中心處,橫向應(yīng)力和軸向應(yīng)力均為拉應(yīng)力,這是因?yàn)樵谡箤掃^程中,模具對(duì)軋件施加縱向應(yīng)力,橫截面變?yōu)闄E圓,造成軋件心部金屬橫向拉伸,所以橫向應(yīng)力為負(fù)值,是拉應(yīng)力。在縱截面上,由于成形角的作用,模具將與成形角部分接觸的金屬向兩端擠壓,造成軋件軸向伸長(zhǎng),但是由于與模具接觸部分金屬流動(dòng)受阻,所以軋件心部部分在軸向上有被拉伸的趨勢(shì),則為拉應(yīng)力。

從橫向應(yīng)力變化過程可以看出,開始楔入時(shí)(圖8a),橫向應(yīng)力為17 MPa,到了展寬段(圖8c),橫截面變形增加,橫向應(yīng)力增大為44 MPa,軋制完成后(圖8e),橫向力下降,變?yōu)?5.7 MPa,由于模具與軋件接觸的作用,所以橫向應(yīng)力不會(huì)降為0。從軸向受力變化過程來看,圖8b為最后一個(gè)臺(tái)階開始楔入時(shí)的軸向受力圖,此時(shí),軋件中心產(chǎn)生拉應(yīng)力,為32.4 MPa,到展寬段(圖8d)時(shí),此時(shí)斷面收縮率為最大,拉應(yīng)力可達(dá)到90.6 MPa,此時(shí)也是最易產(chǎn)生頸縮或拉斷的時(shí)候,到精整段(圖8f)后,此時(shí),軋件在軸向上不再產(chǎn)生變形,則軸向應(yīng)力大大減小。

通過有限元模擬結(jié)果來看,軋制過程產(chǎn)生的應(yīng)力遠(yuǎn)未達(dá)到20CrMnTiH材料的抗拉強(qiáng)度極限,再加上最小軸頸處所受拉應(yīng)力的時(shí)間并不長(zhǎng),這也減小了產(chǎn)生缺陷的可能性。所以用上述參數(shù)設(shè)計(jì)的模具理論上可以生產(chǎn)出所需的合格零件。

3.4 軋制過程中的軋輥力矩變化

軋制過程中,軋件隨著軋輥的旋轉(zhuǎn)逐步變形,隨著變形程度的增加,軋件與模具的接觸面積也逐漸增大,這就使軋制力矩增大。軋制力矩是選擇楔橫軋?jiān)O(shè)備的重要依據(jù),在有限元模擬過程中,可以根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)在各時(shí)刻所受節(jié)點(diǎn)力計(jì)算得出軋制力矩,從而得到軋制力矩的變化規(guī)律,用以指導(dǎo)工藝過程設(shè)計(jì)及設(shè)備選取。

圖10為變速箱二軸一次楔軋制的軋制力矩,從圖10可以看出,在剛剛楔入時(shí),軋制力矩迅速增加。這是因?yàn)樵谛ㄈ攵螘r(shí),模具與軋件的接觸面積迅速增加,且楔入的深度也是增加最快的時(shí)候,所以造成了軋制力矩在楔入段上升非常迅速的現(xiàn)象。直到展寬段后,曲線變化平緩,緩慢上升,直到展寬段末期達(dá)到最大值,為113 kN·m。軋制進(jìn)入精整段后,由于模具不再與軋件的料頭部分接觸,所以軋制力矩慢慢減小。隨著軋制變形階段的不同,軋制力矩發(fā)生了較大變化,這與楔橫軋軋制過程的變形結(jié)果是相符合的。

4 結(jié)論

1)采用有限元方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)大斷面收縮率軸類零件楔橫軋二次楔軋制和一次楔軋制的數(shù)值模擬。

2)只要選定合適的工藝參數(shù),一次軋制完全可以獲得合格的大斷面收縮率軸類件;將二次軋制改為一次軋制,相較于原來可節(jié)省4.2%的材料,且更方便了模具的加工制造。

3)等效應(yīng)變從中心向表面依次增大,由中間向兩頭依次減小;最小軸頸處成形時(shí)所受軸向拉應(yīng)力最大,此處易產(chǎn)生缺陷。

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Forging Process Improvement on Wedge Rolling with Large Cross-sectional Area Shrinkage

LIU Yan-bo1,CHENWen-lin1,ZHENGMing-yu2
(1.School of Materials Science and Engineering,Hefei University of Technology,Hefei230009,China; 2.Hefei Automobile Forging Co.,Ltd.,Hefei230031,China)

The aim of this studywas to investigate the feasibility of crosswedge rollingwith onewedge and large section shrinkage,so as to reducematerial utilization.The second shaftof automobile gearbox was taken as the research subject,the traditional forging process was improved from twice wedge to one wedge in crosswedge rolling,then the process before and after the improvementwas simulated by finite element software.The equivalent strain,the stress distribution and the rolling momentwere obtained.The simulation result showed itwas feasible to forming the second shaft in gearbox with rollingwith one wedge and the size of remnantwas reduced.Therewere no defects such as necking occurred and the stress at the tip by onewedgewas lower than the limit stress.The improved process is feasible,notonly savingmaterial,butalso facilitating the manufacture ofmold.

large cross-sectional area shrinkage;crosswedge rolling;process improvement;finite element analysis

10.3969/j.issn.1674-6457.2015.04.003

TG335.6

:A

:1674-6457(2015)04-0011-05

2015-04-22

劉燕波(1988—),男,山東東營(yíng)人,碩士生,主要研究方向?yàn)榫芩苄猿尚渭敖M織性能。

陳文琳(1963—),女,安徽人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)槟＞逤AD/CAE與先進(jìn)材料加工技術(shù)。