大斷面收縮率楔橫軋成形工藝改進

劉燕波,陳文琳,鄭明玉

(1.合肥工業大學材料科學與工程學院,合肥230009;2.合肥汽車鍛件有限公司,合肥230031)

大斷面收縮率楔橫軋成形工藝改進

劉燕波1,陳文琳1,鄭明玉2

(1.合肥工業大學材料科學與工程學院,合肥230009;2.合肥汽車鍛件有限公司,合肥230031)

目的 研究大斷面收縮率一次軋制成形的可行性,降低材料利用率。方法 以某型號變速箱二軸為研究對象,將原來的二次楔軋制改為一次楔軋制,用有限元軟件對改進前后工藝進行模擬分析,獲得了等效應變、應力場分布和軋制力矩的變化。結果 模擬結果表明,一次楔軋制變速箱二軸是可行的,料頭尺寸得到了減小。一次楔軋制的端頭的應力小于極限應力,沒有產生縮頸等缺陷。結論 改進后的工藝切實可行,節省了材料,而且方便了模具的加工制造。

大斷面收縮率;楔橫軋;工藝改進;有限元分析

楔橫軋是一種高效的金屬零件成形工藝,是一種先進的制造技術,以其高效、節材、產品綜合力學性能好等優勢,在成形實心軸類零件上得到了廣泛的應用[1—2]。楔橫軋一次的斷面收縮率一般應小于75%,否則容易產生軋件的不旋轉、螺旋縮頸甚至拉斷的問題。如果軸類件產品直徑相差很大,斷面收縮率大于75%,一般采用在同一軋輥模具上兩次楔入軋制,即每次楔入軋制的壓縮率小于75%,兩次總壓縮率大于75%的方法[3—5]。當前,有限元數值模擬方法已被應用于楔橫軋成形過程,并成為楔橫軋工藝設計中重要的輔助工具[6—8]。

文中以某型號變速箱二軸為研究對象,利用有限元軟件對大斷面收縮率大于75%的軋件進行一次楔軋制研究,探討其合格成形的可行性。

1 工藝方案分析

1.1 原有工藝

圖1為某型號變速箱二軸,質量為9.6 kg,材料為20CrMnTiH。該件為非對稱軸類件,最大直徑為90 mm,兩端最小直徑為35.5 mm,直徑差大,給軋制成形帶來困難,由于其長度較長,考慮現有設備,采用一模一件生產。實際生產在H1000楔橫軋軋機上進行,如圖2所示。

圖1 變速箱二軸Fig.1 Diagram of the second shaft in gearbox

圖2 原有工藝楔橫軋模具Fig.2 Mold of original cross wedge rolling process

根據工件尺寸,通過公式可計算得到最大斷面收縮率為86%,超過75%。所以原工藝中需要將2個端頭部分進行二次楔軋制,以防止出現縮頸或拉斷的問題。選用坯料直徑為95 mm,一次楔軋制到左邊直徑為45.5 mm,右邊直徑為49 mm,而后二次楔軋制到直徑35.5 mm,最后切除兩端料頭,如圖3a所示。模具參數:一次楔成形角α為30°,展寬角β為10°,斷面收縮率ψ為73.4%和77%;二次楔成形角α為30°,展寬角 β為 10°,斷面收縮率 ψ為 39.4%和47.5%;總斷面收縮率ψ為86%。

1.2 工藝改進

變速箱軸在二次楔軋制的情況下會產生更大的料頭,因為這是在一次楔軋制完的基礎上再進行的二次楔入,相當于又出現了一個二次料頭,二次料頭便增加了材料消耗。

另一方面,圖3a所示楔橫軋模具,在加工時存在二次定位的問題,定位不準確會造成產品質量下降。

綜上分析,將原來的兩個端頭部分的二次軋制改為一次軋制。首先是楔入點的設計,為保證最小軸徑處軋制時,模具的軸向受力均勻,則需考慮在確定展寬角和成形角的情況下,將楔入點設置在軋件的中間位置處,以保證2個端頭部分軋制時是基本同時楔入和結束。如圖3b所示。

圖3 模具平面圖Fig.3 Expanded diagram of crosswedge rollingmold

由于一次楔軋制的最大斷面收縮率為86%,則需選用合適的成形角和展寬角,否則軋制過程便會出現問題[9—11]。通過查閱相關設計資料,并考慮到兩端最細處長度比較短的緣故,選擇的模具工藝參數如下:棒料直徑為φ95mm,成形角α為30°,展寬角β為10°,斷面收縮率ψ為86%。

2 有限元模型及驗證

在三維軟件中建立坯料、楔橫軋模具、擋板的幾何模型,然后導入到有限元軟件中。軋件與上下模具采用自動的面面接觸模型,軋輥表面為目標面,軋件表面為接觸面,軋件與2個模具的軋制條件完全對稱。在實際軋制中楔橫軋的旋轉條件比較惡劣,為了能夠穩定軋制,在模具的成形斜面上刻痕或者打點以增大摩擦。在模擬中,為了防止模擬過程中打滑和軋件在模擬過程不轉的現象,模具與軋件間的摩擦為剪切摩擦,摩擦因數設為2[12—13]。最后得到的有限元模型如圖4所示。

圖4 楔橫軋有限元模型Fig.4 FEMmodel of cross wedge rolling

模擬主要參數如下:選取毛坯直徑為95 mm,網格數設為30 000個,軋輥直徑為800 mm,初始軋制溫度為1150℃,軋輥轉速為0.13 rad/s。

有限元模型是否可靠,需要繼續驗證。由圖4的有限元模型計算的結果與同等條件的成形實物進行對比,如圖5a和b。數值模擬得到軋件的模型與實際生產中的軋件基本相符,這說明用有限元軟件模擬真實的楔橫軋軋制過程是可信的。

圖5 有限元計算結果與實物對比Fig.5 Comparison of the results calculated by FEMand the actual sample

3 模擬結果分析

3.1 成形性分析

前述提出將原來的2個端頭部分的二次軋制改為一次軋制,圖6所示是一次楔軋制有限元模擬結果。圖7為改進前后的料頭形狀對比。由圖7可知,一次楔軋制能獲得外形合格的軋件,而且這也減小了料頭的尺寸。

圖6 一次楔軋制的模擬結果Fig.6 Result of FEMsimulation with one wedge

圖7 改進前后的料頭形狀對比Fig.7 Comparison of shapes of stub bar before and after the improvement

3.2 等效應變分析

圖8 等效應變變化情況Fig.8 Effective strain changes during cross wedge rolling process

圖8為軋制過程中的等效應變變化圖,由圖8a可知,軋制剛開始時,楔入段應變急劇增加,最大即可達到8.7,這是因為楔入階段,變形比較快,到展寬段,如圖8b,c,應變上升較為緩慢,到軋制完成時,等效應變最大為14。由圖8可以看出,軋件上的等效應變從里向外依次增大,說明表層的金屬變形程度大,這在圖8b中尤其明顯,這是因為此段斷面收縮率小,變形深入到中心部位不多。由于楔橫軋軋制是從中間往兩頭擴展,所以2個端頭的應變幾乎為0,尤其是料頭部分,基本沒有變形。

3.3 應力場分析

一次楔軋制最危險的地方就是最小軸頸處,如果參數設置不當,則會產生軸向頸縮,甚至拉斷[14—15]。為觀察最小軸頸處是否會產生破壞,用有限元軟件來觀察分析最小軸頸成形過程中的軸向力和橫向切應力,如圖9所示。

圖9 軋件端頭部分的應力分布Fig.9 Stress distribution in the end portion

圖10 軋制力矩-時間變化曲線Fig.10 Torque-time curve of crosswedge rolling

從圖9中可以看出,在與模具接觸的區域,因為金屬流動受阻,所以橫向應力和軸向應力均為壓應力,且在與模具接觸部位最大,離模具越遠,則數值越小。在軋件中心處,橫向應力和軸向應力均為拉應力,這是因為在展寬過程中,模具對軋件施加縱向應力,橫截面變為橢圓,造成軋件心部金屬橫向拉伸,所以橫向應力為負值,是拉應力。在縱截面上,由于成形角的作用,模具將與成形角部分接觸的金屬向兩端擠壓,造成軋件軸向伸長,但是由于與模具接觸部分金屬流動受阻,所以軋件心部部分在軸向上有被拉伸的趨勢,則為拉應力。

從橫向應力變化過程可以看出,開始楔入時(圖8a),橫向應力為17 MPa,到了展寬段(圖8c),橫截面變形增加,橫向應力增大為44 MPa,軋制完成后(圖8e),橫向力下降,變為15.7 MPa,由于模具與軋件接觸的作用,所以橫向應力不會降為0。從軸向受力變化過程來看,圖8b為最后一個臺階開始楔入時的軸向受力圖,此時,軋件中心產生拉應力,為32.4 MPa,到展寬段(圖8d)時,此時斷面收縮率為最大,拉應力可達到90.6 MPa,此時也是最易產生頸縮或拉斷的時候,到精整段(圖8f)后,此時,軋件在軸向上不再產生變形,則軸向應力大大減小。

通過有限元模擬結果來看,軋制過程產生的應力遠未達到20CrMnTiH材料的抗拉強度極限,再加上最小軸頸處所受拉應力的時間并不長,這也減小了產生缺陷的可能性。所以用上述參數設計的模具理論上可以生產出所需的合格零件。

3.4 軋制過程中的軋輥力矩變化

軋制過程中,軋件隨著軋輥的旋轉逐步變形,隨著變形程度的增加,軋件與模具的接觸面積也逐漸增大,這就使軋制力矩增大。軋制力矩是選擇楔橫軋設備的重要依據,在有限元模擬過程中,可以根據每個節點在各時刻所受節點力計算得出軋制力矩,從而得到軋制力矩的變化規律,用以指導工藝過程設計及設備選取。

圖10為變速箱二軸一次楔軋制的軋制力矩,從圖10可以看出,在剛剛楔入時,軋制力矩迅速增加。這是因為在楔入段時,模具與軋件的接觸面積迅速增加,且楔入的深度也是增加最快的時候,所以造成了軋制力矩在楔入段上升非常迅速的現象。直到展寬段后,曲線變化平緩,緩慢上升,直到展寬段末期達到最大值,為113 kN·m。軋制進入精整段后,由于模具不再與軋件的料頭部分接觸,所以軋制力矩慢慢減小。隨著軋制變形階段的不同,軋制力矩發生了較大變化,這與楔橫軋軋制過程的變形結果是相符合的。

4 結論

1)采用有限元方法實現了對大斷面收縮率軸類零件楔橫軋二次楔軋制和一次楔軋制的數值模擬。

2)只要選定合適的工藝參數,一次軋制完全可以獲得合格的大斷面收縮率軸類件;將二次軋制改為一次軋制,相較于原來可節省4.2%的材料,且更方便了模具的加工制造。

3)等效應變從中心向表面依次增大,由中間向兩頭依次減小;最小軸頸處成形時所受軸向拉應力最大,此處易產生缺陷。

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Forging Process Improvement on Wedge Rolling with Large Cross-sectional Area Shrinkage

LIU Yan-bo1,CHENWen-lin1,ZHENGMing-yu2
(1.School of Materials Science and Engineering,Hefei University of Technology,Hefei230009,China; 2.Hefei Automobile Forging Co.,Ltd.,Hefei230031,China)

The aim of this studywas to investigate the feasibility of crosswedge rollingwith onewedge and large section shrinkage,so as to reducematerial utilization.The second shaftof automobile gearbox was taken as the research subject,the traditional forging process was improved from twice wedge to one wedge in crosswedge rolling,then the process before and after the improvementwas simulated by finite element software.The equivalent strain,the stress distribution and the rolling momentwere obtained.The simulation result showed itwas feasible to forming the second shaft in gearbox with rollingwith one wedge and the size of remnantwas reduced.Therewere no defects such as necking occurred and the stress at the tip by onewedgewas lower than the limit stress.The improved process is feasible,notonly savingmaterial,butalso facilitating the manufacture ofmold.

large cross-sectional area shrinkage;crosswedge rolling;process improvement;finite element analysis

10.3969/j.issn.1674-6457.2015.04.003

TG335.6

:A

:1674-6457(2015)04-0011-05

2015-04-22

劉燕波(1988—),男,山東東營人,碩士生,主要研究方向為精密塑性成形及組織性能。

陳文琳(1963—),女,安徽人,博士,合肥工業大學教授,碩士生導師,主要研究方向為模具CAD/CAE與先進材料加工技術。