非对称楔横轧成形轴类件成形过程仿真分析

李凝，王子孝，杨克己，杨向勇

(1.浙江师范大学工学院，浙江 金华 321004;2.浙江万里扬变速器股份有限公司，浙江 金华 321025;3.浙江大学机械工程学系，杭州 310007)

由于楔横轧工艺的特殊性，轧制成形过程中工艺参数的选择对于轧件的成形质量至关重要[1—2]。传统的靠经验试轧的方法不仅设计开发周期长，生产成本也比较高，已经无法满足实际的生产需要。随着计算机科学技术的不断发展和有限元技术的日益成熟，以CAE技术等为代表的现代分析手段越来越受到人们的重视，并在现实生产中得到了广泛应用[3—8]。轧制过程是一个非常复杂的弹塑性大变形过程，既有材料非线性、几何非线性，又有边界条件的非线性，变形机理非常复杂，难以用准确的数学模型来描述[9—11]。因此，有限元法被越来越多地应用于模拟轧制过程，它不仅能解决复杂的非线性问题，而且克服了传统的物理模拟和实验研究成本高且效率低的缺点。为了了解楔横轧过程中材料的形变状态，文中针对变速箱中输出轴的成形过程进行三维建模仿真分析，即采用非对称楔横轧模具轧制成形单轴类件，以了解非对称成形过程中材料内的应力应变状态，预测材料变形过程中的成形缺陷。

1 零件成形工艺性分析

某变速器输出轴的毛坯零件图如图1所示。从图1可以看出，该轴轴肩φ86 mm为最大轴径，呈左右非对称结构，轴上φ86 mm向轴端的左右轴间、轴段长度各不相同，采用单件楔横轧生产。轧制成形过程中，由于左右楔的数量不等，斜楔面沿轴向分力不同，造成轧制力不均衡分布，生产过程中易于产生轧制缺陷[12]。为了避免轧制缺陷的产生，须修订相应工艺参数迫使左右轴向力相等，如需采用左右楔斜面的摩擦力不同，或采用非对称楔轧制成形参数，以克服成形过程中材料的不均衡变化带来的成形缺陷。

图1 某变速器输出轴零件毛坯Fig.1 Drawing of the output shaft blank in transmission gearbox

2 几何模型的建立及相关参数

采用三维造型软件UG和SolidWorks等CAD软件系统绘制，保存为STL格式，以备有限元分析软件的导入。模具型腔表面的展开图如图2所示，从图2可以看出，轧制时不同的楔入段其展开角度和楔成形轴段长度不同。每一成形部分分为3个部分，即楔入、展宽、精整3个阶段，成形轴段相应尺寸的关键阶段为楔入和展宽阶段，这将影响成形零件的整个零件结构及其尺寸，其成形角α、展宽角β和断面收缩率ψ成形参数见表1。

图2 楔横轧模具展开图及工件成形过程Fig.2 Expanded diagram of cross wedge rolling die and piece forming process

楔横轧模具设计如图3所示，模具成形楔分块加工成形，工作时的模具型腔表面紧贴轧件表面，利于轧制成形。为了了解轧制成形过程中的金属流动过程，轧件温度场、力场分布情况，需要对轧件进行网格划分。网格划分对模拟至关重要，有限元分析中网格质量的好坏直接影响着求解的效率和精度，当单元类型确定后，网格的质量取决于网格划分的精度等级和单元边长等因素[8，13—16]。过少的网格会导致模拟失真，过多的网格会加大模拟时间，延长设计周期。此次模拟采用的网格数量为80000个。模拟的相关成形工艺参数设计数据:材料为Steel－AISI－1045，坯料直径为80 mm，坯料长度为250 mm，模拟温度为1150℃，模具转速为8 r/min，摩擦因数(左)为 0.6，摩擦因数(右)为 0.5。

表1 楔横轧成形工艺参数Table1 Forming process parameters in cross wedge rolling

图3 楔横轧模具三维造型设计Fig.3 3－ dimensional modeling design of cross wedge rolling die

3 模拟结果及分析

3.1 同一横截面上的应变分布

图4为输出轴最大轴径φ86 mm处的横截面上，不同时刻的应变变化图。仔细分析图4后发现横截面上的切向应变有以下规律:整个轧制过程的应变基本以轴中心呈对称分布，轧件发生形变的区域应变最大，切向应变出现一过渡层，该过渡层厚度约为轴半径的1/3，形成的分割界面处应变最大;在模具楔切入轧件过程中，在水平切向力的作用下，轧件由心部沿与水平方向夹角45°的方向呈半拉伸状态，轴的圆度受到影响，呈椭圆形特征，此时心部材料处于明显的拉拔状态，所以该处表现为拉应变，即心部易于出现缩松和裂纹[14，17—19]。为了防止该类缺陷的产生，宜将轧制速度放慢或将材料的形变量降低，以减少成品轧件的报废。

图4 同一横截面不同时刻的切向应变分布(mm/cm)Fig.4 Tangential strain distribution of the same cross section at different time

3.2 轴向应变分布结果分析

图5为纵截面上不同时刻的轴向应力分布图。由模型的纵截面应力分布图可知，轧件的变形有以下特征:轧件最大直径及未承受载荷的端部应变相对最小，直径最小处的应变最大，应变呈轴对称分布;轧件成形过程中，轧件径向被压缩，轴向延伸，长度大于毛坯;轧件应变最大位置由开始的模具楔接触轧件区域逐渐移至轧件心部。结合图4可以发现，模具楔入段，模具与轧件接触区的应变最大，随着模具的楔入，轧件应变逐步延伸至轧件心部，此过程中轧件毛坯径向压缩变形段较小，外推材料较少，轴向延伸变形不明显;成形进入展宽段后，轧件应变范围增大，径向材料向两轴向两端扩展，轴向发生了较大的延伸，此时，直径较小的轴向应变和切向应变均增大，由于轧件内外温度的差异，材料的粘滞性不同，在轧件内形成不明显的分层，但径向切应变表现突出[20—21];在模具与轧件旋转条件下，轧件心部应变经多次积累逐渐形成应变最大区;至轧件精整阶段，轴向延伸变化不明显，只是应变相对降低，直径最小的轴部变形区心部成为应变最大区。结合两图发现，轧件应变最大区一直存在于轴径最小位置的楔入、展宽及精整段，并逐渐由模具楔与轧件面接触区向心部转移。

图5 同一纵截面不同时刻的应力分布(MPa)Fig.5 Stress envelope of the same vertical section at different time

3.3 成形轧制力及接触面积

图6为输出轴楔横轧成形过程中轧制力的变化曲线，图7为轧件与模具接触表面的面积变化曲线。由图6，7可见，随着轧件接触面积的增大，轧制力逐渐增大。在轧件楔入段，轧件面积迅速增大，轧制力迅速增大到一极大值而后降低，说明模具在楔入时需要较大的轧制力，克服材料发生塑性变形产生的抗力，材料一旦发生塑性变形，由于轧制力的连续性，材料的形变抗力相对降低，其外在表现为轧制力的增大速率减小;随着轧制展宽段模具楔的进入，轧件与模具的接触面积逐渐增大，变化平稳，轧制力增大速率相对较大。轧制进入精整阶段时，模具与轧件的接触面积基本不变，对应的轧制力与面积呈线性增长趋势。同时，从曲线图亦可以看出，轧件楔入段，轧制力相对较小，轧件易于被嵌入;轧件的展宽成形阶段，由于轧件的形变量大，轧件处于轴向拉伸状态，轧制力增大;当轧件处于精整阶段时，轧件的变形量较小，轧制力变化较小。

图6 轧件的载荷－行程(时间)曲线Fig.6 Load － process(time)pattern of the workpiece

图7 轧件－模具接触表面积－时间曲线Fig.7 Actual contact area－time chart of the workpiece－die

4 结论

1)在整个轧制成形过程中，对于同一横截面，切向应变基本上呈中心对称分布，由轧件与模具接触区域向未接触区域逐渐延伸;轧件由心部沿与水平方向夹角45°的方向呈半拉伸状态，成形轴的圆度受到影响，呈椭圆形特征。

2)该输出轴轧制成形过程中，轧件应变最大区一直存在于轴径最小位置的楔入、展宽及精整段，并逐渐由模具楔与轧件面接触区向心部转移。

3)轧制成形过程中，模具在楔入时需要较大的轧制力，以克服材料发生塑性变形产生的抗力;展宽和精整段，轧制力与模具与轧件的接触面积呈顺增长趋势。

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