楔橫軋軋制有限元分析及無料頭技術研究

孫召瑞 紀興華

摘 要：楔橫軋軋制技術以其高效、節能的特點受到越來越多的關注。結合有限元數值模擬技術，楔橫軋工藝的基礎理論得以深入研究，為消除軋件端部凹心指明了研究方向。依據凹心產生機理，通過多種途徑實現了小料頭、無料頭軋制，促進了楔橫軋技術的應用與推廣。

關鍵詞：楔橫軋；有限元；數值模擬；無料頭

引言

楔橫軋作為一種非常適合階梯軸和回轉類零件生產的新工藝，是鍛造與軋制兩種變形方式的交叉融合，與傳統切削、鍛造成形相比具有高效、節材、低成本等優點，廣泛應用于汽車、拖拉機、摩托車等軸類零件的生產。但由于楔橫軋屬于復雜的三維非線性（幾何非線性、材料非線性、邊界條件非線性）塑性成形，成形機理復雜、影響因素較多，傳統的試軋、物理實驗、試驗試錯法無法得到變形過程中軋件的金屬流動規律和應力應變分布情況，不能精確地對其進行設計，導致新產品開發周期長、成本高。隨著楔橫軋技術的發展及應用，迫切需要了解變形過程中金屬的流變規律、應力應變的分布規律、軋件表面質量強度及空心缺陷成因等，因此應用數值模擬對變形過程進行定量分析顯得尤為重要。近年來，隨著有限元技術的不斷發展，數值模擬在楔橫軋成形過程中得到了越來越多的應用，通過有限元計算結果對軋制過程中金屬流動、溫度場、應力、應變等進行了詳細分析，為軋件工藝制定及模具設計、制造提供了依據。

數值模擬的結果為楔橫軋無料頭技術的研究指明了方向。料頭是制約楔橫軋技術進一步發展的關鍵因素，國內外的有關學者運用有限元數值模擬與軋制實驗相結合的手段對無料頭技術開展了一系列的研究，取得了一定的研究成果。無料頭軋制技術的發展對于創新楔橫軋軋制工藝、完善軋制理論及降低生產成本具有重要的科學意義和工程應用價值。

1 楔橫軋軋制成形過程分析

楔橫軋成型技術經過近幾十年的發展，出現了輥式、弧形式及板式三種不同形式的楔橫軋機，輥式楔橫軋是生產中較為普遍采用的軋機形式。楔橫軋的主要特征是軋件在旋轉過程中局部、連續成形，輥式楔橫軋的成形原理為：兩個或三個帶楔形模的軋輥，以相同的方向旋轉，帶動圓形坯料旋轉，坯料在楔形的作用下發生徑向壓縮和軸向延伸，被軋制成與模具底部型槽形狀完全一致的軸類零件。

軋件成形過程分為四個階段：楔入段、楔入平整段、展寬段及精整段，與之對應的楔形模具也由這四部分組成。楔入段中，楔形模具的起楔部分使坯料旋轉起來并在坯料上軋出一條較淺的V形槽；隨后V形槽逐漸變深，直至與模具V形一致，即為楔入平整段；V形槽向兩端逐步擴展，此為展寬過程，是軋件的主要變形階段；最后是精整段，對軋件進行整形，使其表面光整，尺寸精確，以提高軋件的外觀質量和尺寸精度。工藝參數直接影響軋件的成形質量，成形角α和展寬角β是楔橫軋模具設計中最重要的兩個設計參數。

2 有限元數值模擬技術在楔橫軋成型中的應用

采用有限元數值模擬技術，可以得到金屬塑變過程中材料流動、溫度分布、應力應變等規律，還可以對模具進行受力分析，并可預測出可能的缺陷及失效形式。有限元數值模擬應用于楔橫軋問題的研究始于20世紀90年代末期，目前，有限元模擬技術已成為研究楔橫軋零件成形技術的主要方法，主要用于分析楔橫軋成形規律。在兩輥楔橫軋有限元模擬研究基礎之上，特大型楔橫軋（大直徑）、閉式軋制、多楔軋制等軋制技術有了較大的進步和發展。

國內外用來分析楔橫軋工藝的有限元軟件主要為：DEFORM和ANSYS。其有限元模擬系統均包括前處理、有限元計算、后處理三個模塊。前處理模塊主要包括材料模型、單元類型的選擇及幾何模型建立、網格劃分等；有限元計算模塊包括定義分析類型、約束條件、載荷數據及計算應力、應變、撓曲等；后處理模塊主要是進行結果的顯示與輸出等。有限元數值模擬過程中相關問題的處理正在成為楔橫軋數值模擬研究的熱點。對此，北京科技大學、北京機電研究所、重慶大學、吉林大學、燕山大學等單位相關研究人員相繼開展了一系列的研究，并取得了一定的成果。

2.1 應用DEFORM-3D對楔橫軋成型過程進行數值模擬

DEFORM-3D是一款專業性很強的有限元分析軟件，其功能主要包括成形、熱處理及熱微觀組織分析，不僅能夠模擬應力、溫度以及組織變化等問題，還可以分析它們之間相耦合的二維和三維大變形問題。DEOFRM可以對鍛造、軋制、擠壓、熱處理等加工工藝進行模擬，對其過程承受應力應變、殘余應力、熱傳導耦合、金屬回彈甚至磨損狀況進行分析。除模擬金屬塑性的大變形外，DEOFRM還能對各種各樣的剛塑性及彈塑性等材料進行模擬分析。

DEFORM-3D軟件之所以被廣泛應用于楔橫軋有限元數值模擬，主要是因為：

（1）強大、完善的網格自動再剖分功能，可以進行特別繁瑣的大變形零件分析；（2）前處理中的邊界條件可自動生成，操作便捷；（3）豐富的后處理數據，包括應力應變、速度、缺陷和力能參數曲線等，方便對整個成形過程的研究分析。

程超[1]、沈智[2]等應用DEFORM-3D分別分析了閉式楔橫軋、大直徑軋件楔橫軋軋制過程中應力應變場、金屬流動規律；研究了成形角、展寬角、斷面收縮率、坯料直徑對軋制過程及軋件端部質量的影響規律，為提高軋件質量及合理確定模具工藝參數提供了理論依據。江洋等[3]采用DEFORM-3D對楔橫軋厚壁空心軸進行熱力耦合數值模擬，在成形角35°～45°、展寬角4°～7°、斷面收縮率35%～65%、軋制溫度900℃～1100℃時，軋件不圓度與成形角及斷面收縮率的變化成反比，與展寬角及軋制溫度變化成正比。張寧等[4]運用DEFORM-3D軟件對GH4169合金零件的楔橫軋成形進行變形、傳熱、微觀組織演變的耦合數值模擬，揭示了軋件在楔橫軋成形過程中各個變形階段（楔入段、展寬段和精整段）微觀組織的演變規律，研究表明，楔橫軋大變形能使動態再結晶發生并完成，得到細小均勻的晶粒組織，軋件晶粒的細化程度隨斷面收縮率的增大而增大，軋件在高溫下主要發生晶粒長大，因此減小精整段的長度以及縮短進入下道工序的時間，可以避免粗晶的產生，提高成形件的綜合力學性能。黃汝剛[5]等利用DEFORM-3D軟件對對帶芯棒軋制的過程進行模擬，對空心軸類零件在整個過程中的應力場、應變場、速度場以及等效應變速率場進行了分析研究。

2.2 應用ANSYS/LS-DYNA對楔橫軋成型過程進行數值模擬

作為世界上最著名的通用顯式非線性動力分析軟件，ANSYS/LS-DYNA能夠模擬真實世界的各種復雜幾何非線性、材料非線性和接觸非線性問題，特別適合求解各種二維、三維非線性結構的高速碰撞、爆炸和金屬成形等非線性動力沖擊問題，同時可以求解傳熱、流體及流固耦合問題，能夠用來分析板料的鍛造、鑄造、擠壓、軋制、沖壓成形等高度非線性動力學問題。

在運用ANSYS/LS-DYNA的模塊進行數值模擬時，由于該模塊創建三維幾何模型相對較復雜，因此一般采用其他三維建模軟件建立幾何模型。首先建立楔橫軋工藝軋制模具的三維特征模型，將設計好的模具按照各個參數反映到建立的模型中，然后運用畫圖軟件的動態模擬功能，實現軋制過程中的具與軋件的相互作用，建立完整的楔橫軋系統。將完成的三維特征模型按照IGES的類型進行保存，將保存的文件載入到ANSYS/LS-DYNA軟件中。

袁文生[6]、王南[7]等運用ANSYS/LS-DYNA軟件對楔橫軋軋制過程進行了數值模擬，得到了軋件在不同軋制階段應力場、應變場變化規律，揭示了軋件的變形特征和金屬流動規律；指出交變的三向應力和剪應力是軋件發生中心疏松、空心缺陷的主要原因。張更超等[8]采用ANSYS/LS-DYNA首次成功模擬了鋁合金AL1100階梯軸的楔橫軋軋制全過程，得到了軋制過程中的應變分布云圖，總結出了軋制過程中等效應變、軋制力的變化特征，探討了成形角、展寬角、斷面收縮率平三工藝參數對等效應變、軋制力的影響。束學道[9]等在ANSYS/LS-DYNA有限元軟件基礎上進行二次開發，采用二次開發的有限元命令流程序，較系統地分析了軋制過程中軋制力矩的變化規律，軋制力矩隨展寬角和軋件尺寸的增大而增大，隨成形角的增大而減小；斷面收縮率對軋制力矩的影響比較復雜，軋制力矩首先表現為隨斷面收縮率的增大而增大，當斷面收縮率達到一定數值（通常為ψ=55%左右）后，又隨斷面收縮率的增大而減小。該文還指出在設計大型楔橫軋機時，在工藝允許條件下，優選最大展寬角、最小成形角、最大軋件尺寸來確定最大軋制力矩。

3 楔橫軋無料頭技術研究現狀

傳統塑性成形工藝的成材率在一系列新技術應用的背景下有所提高，而楔橫軋的成材率因料頭問題始終停滯不前（80%-85%），嚴重削弱了其市場競爭優勢。因此，如何實現楔橫軋軋制完成后少切削甚至無切削，進一步提高材料利用率，是促進楔橫軋技術推廣的關鍵。對于少、無料頭軋制，國內外學者進行了積極的探索和研究，其研究方向大致集中在工藝參數對凹心的影響、設計擋楔和坯料形狀、開發軋制新工藝等方面。

楊光等[10]采用數值模擬與二次回歸正交旋轉組合設計法分析了各工藝參數對無臺階端頭軋件料頭體積損耗的影響規律，研究表明：軋件的料頭體積與軋制長度成正比，與展寬角成反比。束學道[11]等提出了擠壓式楔橫軋工藝以實現小料頭軋制，該工藝產生的料頭體積相較于傳統楔橫軋產生的料頭體積減小了75%左右，其材料利用率可以提高到95%左右，同時該軋制方法還可以細化晶粒，提高金屬綜合力學性能。張曉英[12]提出采用錐形坯料的方式消除端頭凹心，并通過數值模擬研究了錐角大小對軋件端頭凹心深度的影響，得到了無端頭凹心的坯料形狀和尺寸，結果表明：采用具有錐形端部的坯料成形楔橫軋件可以減少甚至消除成形后軋件端頭凹心缺陷，且端頭凹心的深度隨著端部錐角的減小而減小，當端部錐角為120°時，軋件端頭凹心已經基本消除。胡斌等[13]提出了無料頭輥剪制坯工藝，并運用DEFORM-3D軟件建立了有限元模型，通過改變軋輥的旋轉速度提高了坯料端面的成形質量。魏新紅等[14]通過位移法、網格法和軸向應變圖法多個角度分析凹心在楔橫軋軋制的產生過程，通過設置擋楔和設計坯料形狀兩種方法來減小軋件端部凹心，得到楔橫軋軸類件端部凹心值隨著坯料形狀角的減小而減小的影響規律。無料頭技術的研究將隨著楔橫軋技術的應用及計算機技術的發展越來越深入。

4 結束語

（1）楔橫軋軋制基礎理論雖然已經有了很大的進步和發展，如金屬流變規律、軋齊曲線理論、軋制旋轉條件、凹心產生及消除等，但楔橫軋成形是一個非常復雜的過程，各種影響因素錯綜復雜，做到系統、全面、真實的描述成形過程，尚有大量的技術工作有待深入進行。

（2）楔橫軋軋件端部凹心產生機理已初步明確，總結了模具和軋件參數對凹心大小的影響規律，但實際生產中真正實現無料頭軋制技術難度仍較大，必須進行軋制工藝的創新。

參考文獻

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[12]張曉英.無端頭凹心楔橫軋件精確成形機理數值模擬[J].鍛壓技術，2013，38（2）：156-159.

[13]胡斌，束學道.楔橫軋無料頭輥剪制坯成形機理研究[J].鍛壓技術，2014，43（13）：92-98.

[14]魏新紅.楔橫軋軸類件端部軋制質量研究[D].寧波：寧波大學，2011.

作者簡介：孫召瑞（1967-），男，教授，碩士生導師，主要從事金屬材料成形技術研究。