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楔横轧一次楔大断面收缩率成形机理研究1

2010-9-13 10:42:54 来源:中国科技论文在线 作者:贾 震,张康生,杨翠萍,胡正寰 编辑:admin
为研究大断面收缩率轴类件楔横轧成形问题,做了楔横轧一次楔成形极限试验。发 现楔横轧一次楔轴向拉断成形极限可以远大于通常公认的75%界限,实验中成功轧制出断 面收缩率为97.7%的超大断面收缩率轧件。文中推导了轧件轧制接触区轴向合力公式,利用 有限元数值模拟方法分析了杆部对称截面轴向应力,揭示出楔横轧一次楔大断面收缩率可以 成形的原因为在适当条件下轧件变形接触区轴向受力接近于平衡,轧件杆部轴向受力较小所 致。该研究拓宽了楔横轧加工界限,对大断面收缩率产品的开发有重要意义。

1. 引言

 

    楔横轧轧制回转体零件作为一种高效、节材、近净制造技术应用越来越广泛[1]。大断面收缩率零件成形作为其中较特殊的一种形式也有着广阔的应用前景。图1 为典型的大断面收缩率零件。
图1 汽车变速箱中间轴
Fig.1 The middle axis of auto gear-box
    大断面收缩率轧制是指断面收缩率大于75%的楔横轧轧制。一般认为单次楔入轧制断面收缩率不能大于75%,否则容易发生轴类件杆部拉细拉断现象。超过75%一般采用二次或多次楔成形方法,但采用多次楔轧制容易造成心部质量缺陷,从而限制了大断面收缩率产品的开发与应用。
 
    国内外学者对楔横轧发生拉断或缩颈现象曾做过研究,日本学者叶山益次郎等通过物理实验、数学推导等方法研究了杆部表面缺陷决定的加工界限[2][3][4]。吉林大学梁继才等用上限法、能量法进行了楔横轧成形阶梯轴类件拉断理论分析[5]。
 
    上述学者主要是在理论上推导求解加工界限和研究杆部缩颈问题,所涉及的断面收缩率
没有超过75%。
 
    本文为探索楔横轧一次楔成形能否进行更大断面收缩率的轧制进行了试验并运用有限
元数值模拟和数学解析方法对试验结果进行了分析。

2. 轧制试验

 
    为研究轧件杆部发生缩颈时的楔横轧极限断面收缩率与其他参数之间的关系进而确定
加工界限,在北京科技大学零件轧制中心H500 轧机上进行了大断面收缩率一次楔成形实验。
试件坯料采用直径40mm 长度150mm,材料为45 号钢的棒料,轧制温度控制在1100℃
左右。模具顶圆直径498mm。轧机转速8r/min,电机功率30kw。实验工艺参数如表1 所示。
表1 实验所采用参数
Table 1 Process parameters for experiment

成形角α( o ) 18 22 26

展宽角β( o ) 4.5 6.5 8.5
展宽量L(mm) 100 63 26
 

    所有参数采用全排列共3×3×3=27 组,每组再采用的断面收缩率从75%开始,并逐渐增大。当断面收缩率增大到轧制过程不能成立时,将该断面收缩率定义为一次楔成形的极限断面收缩率。27 组轧制试验共得到429 根试件,图2 为部分试件。得到的最大极限断面收缩率为97.7%(见图3)。这一断面收缩率远远大于以往人们公认的楔横轧一次楔成形极限断面收缩率75%。
图2 部分试件
Fig.2 Parts of workpiece got in the experiment
图3 试验所得超大断面收缩率轧件
(断面收缩率97.7%,其坯料直径40mm,轧后杆部直径6mm)
Fig.3.Grate heavy section shrinkage part got in the experiment(section shrinkage is 97.7%,blank’s diameter before rolling is 40mm,after rolling is 6mm)

3. 成形机理研究

 

3.1 变形接触区轴向力几何解析

 
    楔横轧大断面收缩率轧制过程不能建立是因轧件杆部发生缩颈或拉断所致,图4 为试验中发生缩颈试件。轧件杆部发生缩颈与否与其对称截面轴向应力有直接关系,而对称截面受力是模具通过变形接触区对轧件作用传递过来的,为探讨杆部所受轴向应力与工艺参数之间的关系,对变形接触区轴向受力进行分析。
图4 发生缩颈轧件
Fig.4 workpiece which has neck shrinkage on shaft
图5 为轧件变形接触区几何模型。
图5 轧制接触区示意图
Fig.5 the geometric model of the contact zone
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4. 结论
(1)楔横轧一次楔成形方法可以轧制出断面收缩率超过75%的轧件,在适当条件下可轧
制出断面收缩率为97.7%的超大断面收缩率轧件。
(2)大断面收缩率轧件可以成形的原因是变形接触区轴向受力接近平衡状态使轧件杆部
所受的轴向拉应力较小杆部不易发生缩颈以致。
(3)较小的成形角较大的展宽角有利于超大断面收缩率轧件成形。
参考文献
[1] 胡正寰,张康生,王宝雨,等.楔横轧理论与应用.北京:冶金工业出版社,1996
[2]叶山益次郎.阶梯轴楔横轧加工的理论分析.楔横轧译文集.长春:吉林工业大学,1982.78~89
[3]叶山益次郎.楔横轧阶梯轴的最佳条件.楔横轧译文集.长春:吉林工业大学,1982.90~101
[4]叶山益次郎.阶梯轴的楔横轧加工界限.楔横轧译文集.长春:吉林工业大学,1982.107~111
[5]梁继才,傅沛福,等.楔横轧工艺成形阶梯轴类件杆部拉断理论分析,机械强度,2001,23(2):190~193
[6] 胡正寰,张康生,王宝雨,等.楔横轧零件成形技术与模拟仿真.北京:冶金工业出版社,2004
[7]胡正寰,许协和,沙德元.斜轧与楔横轧原理、工艺及设备.冶金工业出版社,1985
[8]Dong Y M, Tagavi K A, Lovell M R, et al. Analysis of stress in cross wedge rolling with application to failure.
International Journal of Mechanical Sciences, 2000, 42:1233~1253
[9]杨翠萍,胡正寰,等. 楔横轧轧件轴向变形研究,机械工程学报, 2004,40(9):80~83
[10]束学道,李传民,等.工艺参数对楔横轧接触区表面应力的影响分析,中国机械工程,2007,18(7):851~854
[11]王明龙,张康生,等.楔横轧二次楔入力能参数试验研究,锻压技术,2007,32(4):25~28
[12]杨翠萍,张康生,等.楔横轧轧件断面收缩率对金属流动的影响,中国机械工程,2004,15(20):1868~1870
[13] 杨翠萍,张康生,刘晋平,等.三辊楔横轧应力应变场对内部缺陷的影响.北京科技大学学报,2006,28(5):464
 
Study on forming principle of heavy section shrinkage cross
wedge rolling by single wedge
 
Jia Zhen, Zhang Kangsheng, ang Cuiping, Hu Zhenghuan
School of Mechanical Engineering, University of Science &Technology Beijing, Beijing(100083)
Abstract
In order to study the deformation of heavy section shrinkage cross wedge rolling, experiment for limit-section shrinkage of single wedge in cross wedge rolling was done. The limit-section shrinkage of single wedge in cross wedge rolling is much bigger than 75% which is usually regarded as the limit-section shrinkage is fount. In the experiment the work piece whose section shrinkage gets 97.7% was successfully rolled. Axial force formula in contact zone has been deduced and 3-D finite element method was adopted to analyze the axial force on the cross section of the shaft. The reason heavy section shrinkage can be rolled by single wedge is that under proper condition the force approaches a balance condition on work piece’s contact zone, then the axial feed on the work-piece’s rod will be cut down. This study result widens the processing limit of cross wedge rolling and is of momentous significance to develop heavy section shrinkage products of cross wedge rolling. Keywords: Cross wedge rolling, Single wedge deforming,Great heavy section shrinkage,Neck shrinkage