DEFORM楔橫札成形工藝工業應用

晏建軍

一、前言

楔橫軋工藝主要適用于帶旋轉體的階梯軸類零件的生產，如車輛、內燒機等變速箱中的各種齒輪軸、發動機中的凸輪軸等。因楔橫軋工藝設計不合理產生的成形缺陷如端頭凹心、表面螺旋痕、軋件拉縮及縮松與空洞等也是該類產品生產中遇到的常見問題。

二、楔橫軋成形工藝技術及特點

楔橫軋成形是在兩個同向旋轉的軋輥模具的楔形凸起作用下帶動工件旋轉，并使毛坯產生連續局部變形，最終軋制成楔形孔型的各種臺階軸，軋制過程中主要為徑向壓縮和軸向拉伸變形，如圖1所示。

與鍛造、鑄造成形工藝相比，楔橫軋有諸多優點：

（1）具有高的生產效率。每分鐘可生產6～25個產品，生產效率平均提高 5～20倍。

（2）材料利用率高。鑄鍛加工方式，材料利用率一般只有 60%左右，楔橫軋成形的每個產品只損失料頭，利用率達 80%以上。

（3）模具壽命較長。楔橫軋過程中，模具受力較小，因此模具壽命較長。

（4）加工精度高。熱軋件徑向尺寸公差可控制在 0.2～0.5mm，長度尺寸公差可以控制在 0.1～1mm。

（5）產品質量高。金屬在軋制過程中，晶粒得到細化，產品機械性能得到明顯提高。

三、DEFORM楔橫軋成形工藝方案的工業應用

盡管楔橫軋工藝具有上述多種優點，但若工藝參數設計、模具結構設計、摩擦條件等不合理則會造成軋件成形尺寸不合格、軋制力過大、出現端部凹心、軋件拉縮、加工過程工具竄動、表面螺旋痕及因曼內斯曼效應造成的縮松及空洞等缺陷，嚴重影響產品質量。因此如何進行楔橫軋工藝參數優化及模具楔形結構設計成為需要解決的問題。

影響楔橫軋成形的因素包括楔展角、成形角、斷面縮減率、摩擦系數、旋轉速度、軋制溫度和軋件尺寸等，因此如何在工藝及模具設計階段優化工藝設計參數，是提高楔橫軋成形精度，降低研發成本的重點。

楔橫軋數值模擬技術正逐漸應用于軸類件軋制成形工藝的工業研究，通過楔橫軋工藝模擬，可提前預測成形缺陷，獲得成形尺寸、應力應變、溫度變化和軋制力等各種軋制結果，指導楔橫軋工藝及模具結構的設計。

DEFORM楔橫軋成形技術可考慮工件在冷、熱條件下軋制工藝過程的種種影響因素。通過精確模擬軋制過程，獲得應力應變、溫度場、缺陷產生時刻及位置和軋制力曲線等結果，從而優化軋制工藝參數及楔形結構設計，提高生產效率，如圖 2所示。

1.DEFORM楔橫軋應力應變分析

楔橫軋成形過程中，金屬材料受到楔形模具的擠壓滾動作用產生塑性變形，變形過程中產生軸向、徑向和環向拉壓應力，應力的變化和大小可以判斷成形裂紋、縮松的潛在產生位置等，應變可以反映局部變形強度及加工硬化區域的分布。

軸類件楔橫軋成形變形過程，如圖 3所示。

2.DEFORM楔橫軋成形尺寸

金屬材料受到軋輥模具楔形面的擠壓，材料向實心或空心軸徑向流動的同時也延軸的方向流動，從而使軸軋制成所需長度，階梯軸各部位成形尺寸可通過 DEFORM模擬計算準確獲取，如圖 4所示。

3.DEFORM楔橫軋缺陷預測

軋制工藝參數及模具楔形結構的設計，都將影響到楔橫軋的成形結果，DEFORM可以預測軋制過程中發生的各種缺陷，并可直觀獲得缺陷產生時刻及位置，指導成形工藝的優化及模具設計。

4.DEFORM楔橫軋微觀組織計算

運用 DEFORM結構 -熱 -微觀組織耦合計算能力可實現楔橫軋成形過程中結構變形、傳熱、微觀組織演變及晶粒長大的模擬，分析軋件晶粒尺寸在不同變形階段變化的具體原因，通過微觀組織模擬，可預測成形回復再結晶的晶粒形核、尺寸長大及晶界等結果，避免粗晶的產生，從而提高成形的總和力學性能。通過DEFORM的CA算法，可以直觀地獲取微觀組織演變現象，如圖 7所示。

軸類件楔橫軋成形工藝在多種軸類件的生產中得到應用，DEFORM模擬技術可很好地模擬楔橫軋成形工藝的各種結果及現象，實現軋制工藝參數優化，指導模具結構設計。