1 前言

    楔橫軋工藝主要適用于帶旋轉(zhuǎn)體的階梯軸類零件的生產(chǎn)，如車輛、內(nèi)燒機(jī)等變速箱中的各種齒輪軸、發(fā)動(dòng)機(jī)中的凸輪軸等。因楔橫軋工藝設(shè)計(jì)不合理產(chǎn)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(chǎn)品生產(chǎn)中遇到的常見難題。DEFORM金屬楔橫軋成形模擬技術(shù)可實(shí)現(xiàn)軸類件的成形工藝過程分析，預(yù)測(cè)軋制缺陷，優(yōu)化楔橫軋工藝參數(shù)及軋制模具設(shè)計(jì)。

2 楔橫軋成形工藝技術(shù)及特點(diǎn)

    楔橫軋成形是在兩個(gè)同向旋轉(zhuǎn)的軋輥模具的楔形凸起作用下帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)，并使毛坯產(chǎn)生連續(xù)局部變形，最終軋制成楔形孔型的各種臺(tái)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。

圖1 楔橫軋成形工藝圖

    與鍛造、鑄造成形工藝相比，楔橫軋有諸多優(yōu)點(diǎn)：

    1、具有高的生產(chǎn)效率。每分鐘可生產(chǎn)6-25個(gè)產(chǎn)品，生產(chǎn)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(gè)產(chǎn)品只損失料頭，利用率達(dá)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(chǎn)品質(zhì)量高。金屬在軋制過程中，晶粒得到細(xì)化，產(chǎn)品機(jī)械性能得到明顯提高。

3 DEFORM楔橫軋成形工藝方案的工業(yè)應(yīng)用

    盡管楔橫軋工藝具有上述多種優(yōu)點(diǎn)，但若工藝參數(shù)設(shè)計(jì)、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、摩擦條件等不合理則會(huì)造成軋件成形尺寸不合格、軋制力過大、出現(xiàn)端部凹心、軋件拉縮、加工過程工具竄動(dòng)、表面螺旋痕及因曼內(nèi)斯曼效應(yīng)造成的縮松及空洞等缺陷，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此如何進(jìn)行楔橫軋工藝參數(shù)優(yōu)化及模具楔形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shù)、旋轉(zhuǎn)速度、軋制溫度、軋件尺寸等，因此如何在工藝及模具設(shè)計(jì)階段優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)參數(shù)，是提高楔橫軋成形精度，降低研發(fā)成本的重點(diǎn)。楔橫軋數(shù)值模擬技術(shù)正逐漸應(yīng)用于軸類件軋制成形工藝的工業(yè)研究，通過楔橫軋工藝模擬，可提前預(yù)測(cè)成形缺陷，獲得成形尺寸、應(yīng)力應(yīng)變、溫度變化、軋制力等各種軋制結(jié)果，指導(dǎo)楔橫軋工藝及模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

    DEFORM楔橫軋成形技術(shù)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(yīng)力應(yīng)變、溫度場、缺陷產(chǎn)生時(shí)刻及位置、軋制力曲線等結(jié)果，從而優(yōu)化軋制工藝參數(shù)及楔形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高生產(chǎn)效率。

圖2 軸類件楔橫軋成形模擬

3.1DEFORM楔橫軋應(yīng)力應(yīng)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(dòng)作用產(chǎn)生塑性變形，變形過程中產(chǎn)生軸向、徑向和環(huán)向拉壓應(yīng)力，應(yīng)力的變化和大小可以判斷成形裂紋、縮松的潛在產(chǎn)生位置等，應(yīng)變可以反映局部變形強(qiáng)度及加工硬化區(qū)域的分布。軸類件楔橫軋成形變形過程如圖所示。

圖3 軸類件楔橫軋成形變形過程及應(yīng)變?cè)茍D

3.2DEFORM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?qū)嵭幕蚩招妮S徑向流動(dòng)的同時(shí)也延軸的方向流動(dòng)，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(jì)算準(zhǔn)確獲取。

圖4 楔橫軋成形尺寸圖

3.3DEFORM楔橫軋缺陷預(yù)測(cè)

    軋制工藝參數(shù)及模具楔形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，都將影響到楔橫軋的成形結(jié)果，DEFORM可以預(yù)測(cè)軋制過程中發(fā)生的各種缺陷，并可直觀獲得缺陷產(chǎn)生時(shí)刻及位置，指導(dǎo)成形工藝的優(yōu)化及模具設(shè)計(jì)，圖5、圖6顯示了內(nèi)端面凹心缺陷及拉縮現(xiàn)象。

圖5 楔橫軋內(nèi)端面凹心缺陷位置

圖6 楔橫軋拉縮缺陷

3.4DEFORM楔橫軋微觀組織計(jì)算

    運(yùn)用DEFORM結(jié)構(gòu)-熱-微觀組織耦合計(jì)算能力可實(shí)現(xiàn)楔橫軋成形過程中結(jié)構(gòu)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(yù)測(cè)成形回復(fù)再結(jié)晶的晶粒形核、尺寸長大及晶界等結(jié)果，避免粗晶的產(chǎn)生，從而提高成形的總和力學(xué)性能。通過DEFORM的CA算法，可以直觀地獲取微觀組織演變現(xiàn)象。

圖7 不同成形階段微觀組織演變及晶粒尺寸細(xì)化

4 結(jié)論

    軸類件楔橫軋成形工藝在多種軸類件的生產(chǎn)中得到應(yīng)用，DEFORM模擬技術(shù)可很好地模擬楔橫軋成形工藝的各種結(jié)果及現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)軋制工藝參數(shù)優(yōu)化，指導(dǎo)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

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