楔横轧多楔轧制展宽段应力、应变有限元分析.doc

楔横轧多楔轧制展宽段应力与应变有限元分析① 邢希东②1, 2 胡正寰1 束学道1 杨翠苹1 (1: 北京科技大学机械工程学院，北京 100083) (2: 山东理工大学机械工程学院，淄博 255049) 摘要 楔横轧多楔轧制是主楔和侧楔同时对轧件进行径向压下、横向扩展并轴向延伸的塑性成形.楔横轧多楔轧制与单楔轧制相比,可以显著节省辊面、减小设备本体尺寸.楔横轧多楔轧制成形过程中应力场、应变场变化规律仍然需要深入研究.本文针对楔横轧多楔轧制特点，在LS/DYNA有限元软件基础上进行二次开发,成功地仿真了楔横轧多楔轧制过程，并对其展宽段的应力、应变场变化规律进行详细分析,得到了在料既不堵又不拉情况下多楔楔横轧应力与应变变化规律与单楔楔横轧相似、不完全一致的结论。 关键词 楔横轧；多楔；有限元；应力；应变 分类号 TG335.19 0前言 楔横轧是楔横轧模具对轧件进行径向压下、横向扩展并轴向延伸的塑性成形。楔横轧与锻造相比，它具有高节材率、高效率、高模具寿命、低产品成本、清洁生产等优点[1]。对于长轴类零件，特别是超大型轴类零件如火车RD2车轴，如用单楔轧制则所需辊面大，设备过于庞大，只有多楔楔横轧可以解决该问题，它可以显著节省辊面、减小设备本体尺寸。然而多楔轧制所用模具比单楔模具更复杂，工艺调整难度更大，其轧制各阶段主楔与侧楔之间的制约关系和成形机理比单楔更复杂，对其成形过程中应力场、应变场变化规律仍然需要深入研究。 本文针对楔横轧多楔轧制特点，在LS/DYNA有限元软件基础上进行二次开发,成功地仿真了楔横轧多楔轧制过程，并对其展宽段的应力、应变场变化规律进行详细分析,得到了在料既不堵又不拉情况下多楔楔横轧应力与应变变化规律与单楔楔横轧不完全一致的结论。 1多楔楔横轧有限元模型 国家自然科学基金重点资助项目（No.与国家自然科学青年基金项目（No.。 邢希东，男，1968年生，北京科技大学机械工程学院博士生，山东理工大学副教授，（电话。 1.1基本假设 在建立有限元分析模型时，根据多楔楔横轧的变形特点与边界条件，作如下假设： 1．轧辊视为刚体，采用刚性壳单元（Shell163）进行网格划分。轧辊的弹性模量E=210Gpa。 2．轧件视为弹塑性体，多段线性弹塑性材料模型，采用8节点三维实体单元（Solid164）进行网格划分。轧件材料弹性模量E=90Gpa。 3．轧辊与轧件的接触采用表面——表面接触模型（STS），视为刚性体轧辊表面为目标面，轧件表面(变形体)为接触面。 4．将轧制过程视为恒温过程,忽略在轧辊、轧件表面与环境之间存在的热传导、热交换以及内部温度变化。 5．接触摩擦简化为弹性库仑摩擦，取摩擦系数μ=0.4。 6．根据对称性，取轧辊与轧件的一半（见图1）计算；并在对称面上给予轴向几何约束。 1.2模拟参数的选择与有限元模型的建立 建立多楔楔横轧有限元模型的关键问题是在合理工艺参数下，精确确定主楔和侧楔的相对转角（如图1所示）。因为如果 图1多楔楔横轧模具展开图、轧件与轧制过程 Fig.1 MCWR tool structure, workpiece and deformation process 图2 多楔楔横轧有限元模型图 Fig.2 The finite-element model of MCWR 主楔与侧楔相对转角较小,将发生堆料或挤料现象,在堆料处直径增大，有时甚至导致楔横轧制无法完成;如果主楔与侧楔相对转角较大,轧件将出现拉料，轧件会出现疏松等缺陷。在图1，主楔成形角α与侧楔成形角相同，主楔与侧楔的相对转角θ，也就是第一楔(也叫基本楔、主楔)展宽段端面移动量曲线与轧辊中心连线的夹角。这样侧楔展宽角（即第二楔展宽角）＝主楔展宽角β＋θ。本文通过专用计算程序[2]，精确计算出轧件直径为φ40mm，材料为45＃，不同轧制工艺参数下主楔与侧楔的相对转角θ如表1 所示。多楔楔横轧模具与轧件、有限元计算 模型分别如图1、2。 表1 多楔楔横轧实验与模拟工艺参数 Table 1 MCWR process parameters for experiment and FEM 组数 端面收缩率 ψ(％) 展宽角β（°） 成形角α（°） 移动量转角 θ（°） 1 10 6 34 0.6022 2 25 6 32 1.5052 3 40 6 30 2.4075 4 50 8 28 4.0196 5 60 8 28 4.82 2.应变应力分析[3][4] 如图1所示，楔横轧多楔轧制过程要经过五个阶段，即主楔楔入段、侧楔楔入（同时主楔展宽）段、多楔展宽段、主楔精整（侧楔展宽）段、多楔精整段。