呂　琳，胡根銘，梁明勇

(重慶理工大學(xué),重慶 400054)

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基于數(shù)值模擬的楔橫軋變速箱中間軸的內(nèi)部缺陷分析

呂琳，胡根銘，梁明勇

(重慶理工大學(xué),重慶 400054)

分析了變速箱中間軸楔橫軋軋制過程中產(chǎn)生內(nèi)部缺陷的細(xì)端部位內(nèi)部各場量，確定了第一主應(yīng)力作為內(nèi)部缺陷的參考評判量。研究各個工藝參數(shù)(成形角、展寬角、斷面收縮率)及軋制溫度與內(nèi)部缺陷參考評判量的單因素影響規(guī)律，考慮各工藝參數(shù)及軋制溫度的交互作用，利用正交試驗優(yōu)化變速箱中間軸細(xì)端部位內(nèi)部成形質(zhì)量。獲得各工藝參數(shù)及軋制溫度最優(yōu)值，消除了變速箱中間軸細(xì)端部位的內(nèi)部缺陷。

楔橫軋；內(nèi)部缺陷；工藝參數(shù)；中間軸

中間軸的工作條件要求中間軸具有較高的強度和抗疲勞性能，同時又要求具有足夠的剛性和韌性。從生產(chǎn)效率和節(jié)約材料角度出發(fā)，楔橫軋是中間軸制坯工藝的首選先進方法[1-5]。但是，像中間軸這樣有相鄰大盤徑比的軸類零件，在楔橫軋工藝中易出現(xiàn)內(nèi)部缺陷，降低軋件強度，破壞內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致零件失效報廢。本文以某型號變速箱中間軸坯件為研究對象，借助有限元模擬研究楔橫軋成型過程中其細(xì)端部位的內(nèi)部缺陷，優(yōu)化楔形模具工藝參數(shù)，以消除該軋件的內(nèi)部缺陷，提高中間軸楔橫軋軋件的成形質(zhì)量，可以為類似實際生產(chǎn)提供有益的參考。

1　中間軸幾何特征及成形特點

圖1所示為某工廠所生產(chǎn)的變速箱中間軸坯件。從結(jié)構(gòu)上分析，該坯件屬于楔橫軋工藝中的非對稱軸類件，在工藝模具設(shè)計過程中應(yīng)進行成對軋制。變速箱中間軸坯件的結(jié)構(gòu)特點是小徑處比大徑處的斷面收縮率大得多，盤徑比大。在軋制過程中，坯料在徑向上發(fā)生壓縮變形，同時還發(fā)生軸向伸長并伴隨徑向橫向擴展變形，坯料內(nèi)部材料單元受2方向拉應(yīng)力、1方向壓應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力值超過材料的極限時，軋件內(nèi)部容易出現(xiàn)疏松、孔洞等內(nèi)部缺陷(曼乃斯曼效應(yīng))。楔橫軋軋制時，金屬材料流動，內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變復(fù)雜，容易引起內(nèi)部缺陷，嚴(yán)重影響該軸的力學(xué)性能。

圖1　某型號變速箱中間軸坯件

2　中間軸內(nèi)部缺陷分析

對變速箱中間軸坯件尺寸分析可知：其細(xì)端部位的斷面收縮率達(dá)到了82 %，大于75 %，故其細(xì)端部位需要進行二次楔橫軋制，否則易出現(xiàn)內(nèi)部缺陷。

選擇點P1、P2、P3作為場量分析追蹤點，如圖2所示。對軋件細(xì)端部位兩次楔橫軋過程中3點的各場量截取數(shù)據(jù)分析研究，得到了第一主應(yīng)力變化曲線，如圖3所示。

圖2　中間軸細(xì)端部位追蹤點

圖3　細(xì)端部位內(nèi)第一主應(yīng)力變化曲線

對通過DEFORM有限元分析得到的等效應(yīng)變、損傷、等效應(yīng)力、平均應(yīng)力、第一主應(yīng)力等各場量分析，確定第一主應(yīng)力作為內(nèi)部缺陷的參考評判量。對第一主應(yīng)力分析可知：正負(fù)交替波動的應(yīng)力值是造成內(nèi)部缺陷的主要原因。這是由于在楔橫軋軋制過程中，材料內(nèi)部某單元在某一時刻在徑向方向上所受應(yīng)力為壓應(yīng)力；在軋件徑向截面上，該單元材料與周圍單元材料的變形具有連續(xù)性和延遲性，未變形單元材料對變形單元材料有垂直該徑向方向的拉應(yīng)力，壓、拉應(yīng)力在該變形單元上形成剪切應(yīng)力；由于工件的旋轉(zhuǎn)帶動該單元材料在下一個時刻徑向方向上所受的應(yīng)力為壓應(yīng)力，上一時刻的徑向方向為拉應(yīng)力；拉、壓應(yīng)力交替出現(xiàn)致使變形單元連續(xù)發(fā)生滑移與位錯堆積，最終形成微觀裂紋(材料低頻疲勞)。由于楔橫軋軸件在軸向方向伸長，所以該單元內(nèi)微裂紋受軸向拉應(yīng)力，致使裂紋生長、擴展形成空洞等內(nèi)部缺陷。第一主應(yīng)力越大，越容易產(chǎn)生內(nèi)部缺陷；反之，可避免內(nèi)部缺陷。

3　工藝參數(shù)對中間軸內(nèi)部缺陷單因素影響規(guī)律

楔橫軋軋制過程中軋件內(nèi)部產(chǎn)生損傷，微觀上為表現(xiàn)為疏松、微裂紋，嚴(yán)重時宏觀上形成裂紋、孔洞，這種損傷就叫做內(nèi)部缺陷。該類缺陷的產(chǎn)生受楔橫軋工藝參數(shù)(成形角α、展寬角β、斷面收縮率ψ)，成形條件(軋制溫度θ)的影響，是楔橫軋技術(shù)的主要成形缺陷之一[6]。根據(jù)理論與實驗的結(jié)合，確定了變速箱中間軸坯件細(xì)端部位成形楔的各個主要工藝參數(shù)及軋制溫度，如表1所示。

表1　各工藝參數(shù)選擇

各工藝參數(shù)不同取值下的第一主應(yīng)力變化如圖4所示。

在相同壓下量的情況下，成形楔選用成形角較大時，楔形模具與坯料的接觸面積減小，坯料表面的局部材料塑性變形充分，不會出現(xiàn)較大的橫向變形量引起中間軸坯件內(nèi)部產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力現(xiàn)象，所以增大成形角可減小中間軸形成內(nèi)部缺陷的可能性。

展寬角值在8 °～9 °，第一主應(yīng)力最大值有小幅上揚增大趨勢，這是由于細(xì)端部位直徑較小、溫降快，在選用大的展寬角值時，造成了第一主應(yīng)力最大值小幅增大。展寬角較小時，在相同的壓下量時，模具軸向咬入長度變小，為完成軋件的全部成形長度，坯料在上、下軋輥間旋轉(zhuǎn)次數(shù)增加。隨著旋轉(zhuǎn)次數(shù)的增加，容易使軋件發(fā)生較大的橫向變形量，在軋件內(nèi)部形成較大的拉應(yīng)力，同一位置軋件的內(nèi)部材料單元所受拉、壓應(yīng)力次數(shù)增加，且內(nèi)部拉應(yīng)力值增大，容易形成內(nèi)部缺陷。

在一定范圍內(nèi)增大斷面收縮率可降低第一主應(yīng)力最大值，提高軋件的內(nèi)部成形質(zhì)量。隨著斷面收縮率的繼續(xù)增大，反而降低了軋件的內(nèi)部成形質(zhì)量。同時，斷面收縮率與成形角、展寬角之間有一定的交互影響。

圖4　第一主應(yīng)力最大值與各工藝參數(shù)及軋制溫度單因素關(guān)系

4　正交優(yōu)化求解最優(yōu)工藝參數(shù)

選取工藝參數(shù)：成形角、展寬角、斷面收縮率、軋制溫度，作為正交實驗中的4個因素[7]，把第一主應(yīng)力最大值作為實驗指標(biāo)值。在正交實驗水平設(shè)計時，根據(jù)單個工藝參數(shù)的第一主應(yīng)力最大值的影響規(guī)律，忽略第一主應(yīng)力最大值較大所對應(yīng)的工藝參數(shù)，分別設(shè)置了3水平。因素及水平安排如表2所示。設(shè)計正交試驗方案[8]時，考慮4個因素間的交互作用對指標(biāo)值的影響，選取L27(313) 標(biāo)準(zhǔn)正交表。

表2　正交因素水平

為避免內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生，應(yīng)使細(xì)端部位內(nèi)部的第一主應(yīng)力值取小值，通過正交優(yōu)化實驗結(jié)果獲得以降低變速箱中間軸坯件細(xì)端部位內(nèi)部的第一主應(yīng)力值的目標(biāo)函數(shù)：

運用Matlab分析軟件對正交實驗結(jié)果數(shù)據(jù)處理，利用C++語言對求解過程編制相應(yīng)程序，根據(jù)最小二乘法擬合實驗數(shù)據(jù)[9-11]。在Matlab中得到了第一主應(yīng)力最大值與各個工藝參數(shù)的擬合函數(shù)：

σ=-1.756α2+0.017β2+92.805ψ2-

0.000 1θ2+0.029 7αβ-1.161 2αψ+

0.003 7αθ+1.05 2βψ+0.003βθ-

0.018ψθ-0.995α-2.127β-

106.057ψ+0.159 7θ

其中擬合誤差為2.16 %。擬合函數(shù)表示第一主應(yīng)力值與展寬角、成形角、斷面收縮率、軋制溫度的關(guān)系。

根據(jù)擬合函數(shù)以及各個工藝參數(shù)和軋制溫度的優(yōu)化取值范圍，利用Matlab的fmincon函數(shù)，在優(yōu)化范圍內(nèi)求解第一主應(yīng)力最小值。求解結(jié)果：成形角α=28.5 °，展寬角β=8.7 °，斷面收縮率ψ=0.56，軋制溫度θ=1 000 ℃。在此最優(yōu)參數(shù)組合下，第一主應(yīng)力為Sigma=25.941 2MPa。

未優(yōu)化前，細(xì)端部位的成形楔的工藝參數(shù)分別為：α=24 °，β=8 °，ψ1=62.7 %，及軋制溫度θ=950 ℃，此時在細(xì)端部位產(chǎn)生了內(nèi)部缺陷，第一主應(yīng)力最大值為43.2MPa。優(yōu)化后第一主應(yīng)力值由43.2MPa降低到25.941 2MPa，有限元模擬結(jié)果得到第一主應(yīng)力最大為27.913Pa，與理論值誤差為7.60%，結(jié)果可靠，避免了內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生。圖5為優(yōu)化后楔橫軋中間軸坯件，利用磁探傷儀檢測該零件，未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺陷。

圖5　優(yōu)化后楔橫軋中間軸坯件

5　結(jié)論

通過對變速箱中間軸細(xì)端部位內(nèi)部缺陷進行研究，對其內(nèi)部各場量分析確定了內(nèi)部缺陷的參考評判量，研究成形楔的各工藝參數(shù)及軋制溫度對參考評判量的單因素影響規(guī)律，通過正交優(yōu)化最優(yōu)工藝參數(shù)及軋制溫度，得到如下結(jié)論：

1) 較大成形角、展寬角，合適的斷面收縮率、軋制溫度能避免內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生；

2) 當(dāng)成形角為28.5 °、展寬角為8.7 °、斷面收縮率為0.56、軋制溫度為1 000 ℃時，細(xì)端部位內(nèi)部第一主應(yīng)力的理論最小值為25.9412 MPa，為最優(yōu)工藝參數(shù)組合。

[1]胡正寰,張康生,王寶雨,等.楔橫軋零件成形技術(shù)與模擬仿真[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2004.

[2]李凝，葛曉明，楊向勇,等.楔橫軋與模鍛技術(shù)在軸類件生產(chǎn)中的聯(lián)合應(yīng)用[J].熱加工工藝，2015(17):115-117.

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[7]李云雁，胡傳榮.試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

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[10]王利.Matlab軟件在LED研制中的應(yīng)用[J].電子元件與材料，2014，33(5):107-108.

[11]楊世文,許小健.MATLAB 優(yōu)化工具箱在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2008，8(5):1347-1349.

(責(zé)任編輯劉舸)

Internal Defects Analysis of Cross Wedge Rolling Transmission Countershaft Based on Numerical Simulation of

LYU Lin， HU Gen-ming， LIANG Ming-yong

(Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

The field quantities of the thin end part of the intermediate shaft, where internal defects would occur, were analyzed in the cross-wedge process of the intermediate shaft of transmission, and the first principal stress was determined to be the reference quantity for internal defects. The single factor influence regulation between each process parameter (Forming angle, broadening angle, and section shrinkage rate) and rolling temperature were studied. The interaction between process parameters and rolling temperature was taken into consideration, during which orthogonalexperiment was carried out to optimize the forming quality of the inner thin end part of intermediate shaft. Optimal parameters and rolling temperature were acquired and the internal defects of the intermediate shaft were eradicated.

cross-wedge rolling; internal defect; technological parameter; intermediate shaft

2016-04-08

重慶市應(yīng)用開發(fā)計劃項目(cstc2013yykf60004)

呂琳(1968—)，女，教授，主要從事精密塑性成形研究， E-mail:lvlin@cqut.edu.cn；通訊作者 胡根銘(1991—)，男，碩士研究生，主要從事材料塑性成型及其模具設(shè)計研究， E-mail：654369075@qq.com.

format：LYU Lin，HU Gen-ming，LIANG Ming-yong.Internal Defects Analysis of Cross Wedge Rolling Transmission Countershaft Based on Numerical Simulation of [J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(10):61-64.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.10.009

U461

A

1674-8425(2016)10-0061-04

引用格式：呂琳，胡根銘，梁明勇.基于數(shù)值模擬的楔橫軋變速箱中間軸的內(nèi)部缺陷分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2016(10):61-64.