楔横轧多楔成形铝合金连杆的数值模拟

文/赵小莲，何奥平，曾建民·广西大学

何克准，刘俊生，肖刚·广西南南铝加工有限公司

楔横轧多楔轧制是目前楔横轧工艺较为先进的一种精密加工工艺，是针对长轴类零件开发出来的，其工作原理与楔横轧单楔轧制相近，在楔横轧多楔模具的作用下，轧件产生径向压缩变形和轴向延伸变形。在目前所有的成形工艺中具有显著的优势特点。

楔横轧多楔轧制变形过程属于非线性大塑性三维成形问题，变形过程中轧件所受到的三维应力应变状态复杂，成形机理更为复杂。随着数值模拟方法的不断发展，数值模拟的精度不断提高，复杂的塑性变形模拟结果越来越可靠，是目前研究楔横轧多楔轧制工艺过程的主流方法。借助数值模拟仿真分析方法，调整楔横轧模具各楔的工艺参数以及排布位置的变化，获得应力应变场的变化规律，探索其变形、缺陷产生机理，为今后进一步研究楔横轧多楔零件的精确成形及金属流动提供了理论参考依据。

建立有限元数值分析模型

整体轧制的楔横轧多楔有限元模型，如图1 所示。该模型包括多楔轧辊、挡板及轧件等。假定轧辊是刚性体，轧件是塑性体，轧辊下压轧件的方向为Y 向（径向），垂直径向的方向为X 向（横向），平行轧件中心轴的方向为Z 向（轴向）。由于轧件结构对称，取轧件的一半作为研究对象进行有限元模拟。

楔横轧多楔模具设计有4 个楔：隔断楔、侧主楔、内侧楔、外侧楔，各楔均由楔入段、平整段、展宽段和精整段组成，其在轧辊上的排列顺序，如图2 所示。

模拟中选取的轧辊和轧件的各工艺参数为：工件直径18mm，轧辊直径500mm，成形角30°，展宽角13°，断面收缩率47%。

模拟结果与分析

轧件的模拟成形过程

铝合金连杆坯料呈哑铃状，形状不对称，各段杆的直径不同，轧制时变形过程很复杂，是一个典型的多楔多道次轧制过程。多楔楔横轧轧制铝合金连杆的数值模拟成形过程，如图3 所示。

金属流变行为分析

金属流动状况影响轧件的形状、尺寸，所以必须要充分掌握金属的流动规律。为更加直观地了解轧件各部位金属的流动状况，将轧件纵向截面划分成均匀分布的小格，从右到左等间距（10mm）取11个横截面，如图4（a）所示。轧制结束后，截面上的金属流动通过网格变形体现出来，如图4（b）所示。

轧件成形完成后，轧件细杆部位剧烈的扭转，网格变形严重，夹持杆末端的网格被拉长，出现严重的凹心。轧制过程中轧件受到的轴向力不对称，成形过程旋转速度不一致，轧件表面金属流动速度快，心部金属流动速度慢，轧件容易晃动打滑，产生缩颈缺陷。

应力场分布结果分析

轧件纵剖面的应力场分布状态图，如图5 所示。从图中可以看出，坯料与模具接触部位受压应力作用，其余部位都受到拉应力作用，轧件中心及细杆部位受到的拉应力最大，轧件受到的应力变化复杂，金属流动不均衡，塑性变形的程度不一致，容易发生疏松、缩颈或心部缺陷。

韧性损伤分析

轧件的损伤程度预测分析，如图6 所示。从图中可以看出，轧件杆部中心区域以及夹持杆末端损伤程度较大，轧件杆部中心区域易产生心部疏松或心部裂纹，夹持杆末端容易产生凹心缺陷。

结论

⑴利用DEFORM-3D 有限元软件对多楔楔横轧铝合金连杆成形过程进行数值仿真分析，获得应力应变场的变化规律，探索其变形、缺陷产生机理，为今后进一步研究楔横轧多楔零件的精确成形及金属流动提供了理论参考依据。

⑵在轧制过程中，轧件中间细杆部和夹持杆部变形剧烈，变形量大，金属流动复杂，容易产生疏松、裂纹、颈缩等缺陷，建议进一步研究采取适当的轧制工艺，来降低缺陷发生的概率。