空心軸軋制成形數(shù)值模擬【開題報(bào)告+文獻(xiàn)綜述+畢業(yè)設(shè)計(jì)】

1、<p><b>　　畢業(yè)論文開題報(bào)告</b></p><p>　　機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化</p><p>　　空心軸軋制成形數(shù)值模擬</p><p>　　一、選題的背景和意義</p><p>　　改革開發(fā)以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，為機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了巨大的動(dòng)力?？招妮S是最常見和用途最廣的軸類零件，其具有重量輕

2、，強(qiáng)度高，材料省等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車、摩托車、電機(jī)中。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，楔橫軋技術(shù)逐漸被應(yīng)用到空心軸的生產(chǎn)中。與傳統(tǒng)的鍛造或切削工藝相比，楔橫軋工藝具有如下優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　?。?）生產(chǎn)效率高。每分鐘可以軋制10~30個(gè)工件，通常是其他工藝的5~20倍。</p><p>　?。?）材料節(jié)約。在傳統(tǒng)機(jī)械加工中（如切削加工）約有40%的材料以切屑的形式浪費(fèi)，而在楔橫軋工藝中浪費(fèi)的材

3、料不足10%。</p><p>　?。?）產(chǎn)品質(zhì)量好。楔橫軋件金屬纖維流線沿產(chǎn)品外形連續(xù)分布，并且晶粒進(jìn)一步得到細(xì)化，所以其機(jī)械性能較好。</p><p>　?。?）工作環(huán)境好。由于楔橫軋軋制過(guò)程中無(wú)沖擊，噪音小，工作環(huán)境得到改善。</p><p>　　（5）自動(dòng)化程度高。楔橫軋件從成形、表面精整到最后成品都是由機(jī)器自動(dòng)完成，所需操作人員少。</p>

4、<p>　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用有限元分析軟件DEFORM來(lái)研究空心軸楔橫軋成為最方便、最直接的方法。</p><p>　　研究空心軸軋制成形原理，運(yùn)用Pro/E軟件建立三維模型，應(yīng)用有限元數(shù)值分析軟件DEFORM軟件，對(duì)空心軸軋制成形過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，研究其成形機(jī)理。通過(guò)幾十年的研究、實(shí)踐，我國(guó)楔橫軋技術(shù)無(wú)論是在設(shè)備方面還是在工藝方面都取得了一定的進(jìn)展，現(xiàn)已成為世界上開發(fā)和投產(chǎn)楔橫軋產(chǎn)品最

5、多的國(guó)家之一。隨著我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展，楔橫軋技術(shù)必將為我國(guó)節(jié)能、節(jié)材、高效生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。</p><p>　　二、研究的基本內(nèi)容與擬解決的主要問(wèn)題</p><p><b>　　研究的基本內(nèi)容：</b></p><p>　　研究空心軸軋制成型原理。兩個(gè)帶楔形模的軋輥，以相同的方向旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)圓形坯料旋轉(zhuǎn)，坯料在楔形型的作用下，軋制成各種形狀的

6、臺(tái)階軸。</p><p>　　建立空心軸三維模型。在Pro/E中建立模具、工件、擋板等的三維實(shí)體模型。</p><p>　　導(dǎo)入三維模型，確定物理模型，應(yīng)用DEFORM軟件建立數(shù)值仿真模型，研究空心軸軋制變形機(jī)理。物理模型構(gòu)造是否合理直接影響著計(jì)算效率、求解精度，所以，在構(gòu)造物理模型時(shí)，以理論為指導(dǎo)，對(duì)各因素考慮周全，經(jīng)過(guò)多次試算、對(duì)比分析、優(yōu)化，最終得到一個(gè)能反映真實(shí)情況而又高效的模型。

7、</p><p>　　研究工藝參數(shù)對(duì)軋制過(guò)程中模具、工件變形規(guī)律。從壁厚、成形角、楔展角、斷面收縮率、軋制速度等工藝參數(shù)對(duì)模具、工件變形規(guī)律來(lái)分析。</p><p><b>　　擬解決的主要問(wèn)題：</b></p><p>　　用有限元分析軟件DEFORM對(duì)空心軸軋制成型過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，研究其成型機(jī)理，為楔橫軋技術(shù)進(jìn)一步解決實(shí)際問(wèn)題提供一

8、些理論基礎(chǔ)。</p><p>　　三、研究的方法與技術(shù)路線</p><p>　　通過(guò)建立三維模型，運(yùn)用有限元數(shù)值分析軟件DEFORM對(duì)楔橫軋成形空心軸成形機(jī)理研究，分析不同工藝參數(shù)對(duì)軋制過(guò)程中模具、工件的變形規(guī)律。</p><p>　　四、研究的總體安排與進(jìn)度</p><p>　　1-2周：完成文獻(xiàn)資料查閱、兩篇英文翻譯；</p>

9、<p>　　3-4周：結(jié)合所學(xué)知識(shí)和查找的文獻(xiàn)寫文獻(xiàn)綜述、開題報(bào)告；</p><p>　　5周：總體方案設(shè)計(jì)，研究空心軸軋制成型原理；</p><p>　　6周：建立三維數(shù)值模擬模型，在Pro/E中建立模具、工件、擋板等的三維實(shí)體模型；</p><p>　　7-8周：導(dǎo)入三維模型，應(yīng)用DEFORM軟件建立數(shù)值仿真模型，研究空心軸軋制變形機(jī)理；</

10、p><p>　　9-10周：研究工藝參數(shù)（如壁厚、成形角、楔展角、斷面收縮率、軋制速度等）對(duì)軋制過(guò)程中模具、工件的變形規(guī)律；</p><p>　　11-13周：總結(jié)研究結(jié)果，書寫論文一份（10000字，約40頁(yè)以上）。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 楊翠蘋．楔橫軋展寬過(guò)程的三維有限

11、元分析[D]．北京科技大學(xué)．2001（3）：7-15</p><p>　　[2] 左虹．空心軸取代實(shí)心軸的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]．石油化工設(shè)備．1997（4）：61-75</p><p>　　[3] R.Neugebauer,M.Kolbe,R.Glass.New warm forming processes produce hollow shafts.Journal of Materials

12、processing Technology 119(2008)：24-28</p><p>　　[4] S.Urankar,M.Lovell,C.Morrow,Q.Li,K.Kawada.Development of a critical friction model for cross wedge rolling hollow shafts.Journal of Materials processing Tec

13、hnology 177(2006)：43-47</p><p>　　[5] 賈正銳，梁繼才，白志斌等．空心件楔橫軋變形載荷測(cè)試[J]．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與試驗(yàn)機(jī)．1993（3）：22-26</p><p>　　[6] 李顯玉．凸輪軸軋制工藝的研究[J]．模具制造．2007（12）：18-25</p><p>　　[7] 衛(wèi)原平，彭穎紅，阮雪榆．金屬塑性成形過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)

14、[J]．上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)．1996（3）：30-36</p><p>　　[8] 束學(xué)道，胡正寰．大型軸類件楔橫軋成形可行性分析[J]．重型機(jī)械．2005（4）：85-89</p><p>　　[9] 汪建敏，余凱飛，胡密，祝海燕，龔貴春．空心軸類件楔橫軋仿真及壁厚變化規(guī)律[J]．熱加工工藝．2008（23）：48-51</p><p>　　[10] 梁繼才，任廣升

15、，白志斌等．空心件楔橫軋參數(shù)對(duì)軋件壁厚變化的影響[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)．1996(1)：34-40</p><p>　　[11] 呂增亭．楔橫軋軸類零件的矯正[J]．機(jī)械工程師．1998(12)：22-29</p><p>　　[12] 張巍，胡正寰．軸類零件軋制技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J]．機(jī)械工人（熱加工）．2001（1）：44-48</p><p>　　[13] 劉光

16、宇，虞躍生，萬(wàn)賢毅．計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在金屬塑性成形中的應(yīng)用[J]．汽車科技．2000（6）：8-13</p><p>　　[14] 李傳民，王向麗等．DEFORM5．03金屬成形有限元分析實(shí)例指導(dǎo)教程[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社．2007：29-36</p><p>　　[15] 應(yīng)富強(qiáng)，張更超，潘孝勇．三維有限元模擬技術(shù)在金屬塑性成形中的應(yīng)用[J]．鍛壓裝備與制造技術(shù)．2003（5）：37

17、-44</p><p><b>　　畢業(yè)論文文獻(xiàn)綜述</b></p><p>　　機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化</p><p>　　空心軸軋制成形數(shù)值模擬</p><p>　　摘要:空心軸以其特有的優(yōu)點(diǎn)在各種機(jī)器中的應(yīng)用十分廣泛，楔橫軋是制造空心軸的主要方法。空心軸楔橫軋成形過(guò)程比較復(fù)雜，本文應(yīng)用有限元分析軟件DEFORM研究

18、研究工藝參數(shù)對(duì)軋制過(guò)程中模具、工件變形規(guī)律的影響。對(duì)空心軸楔橫軋工藝參數(shù)的優(yōu)化具有十分重要的意義。</p><p>　　關(guān)鍵詞:空心軸；楔橫軋；有限元</p><p><b>　　一、引言</b></p><p>　　空心軸是最常見和用途最廣的軸類零件，其具有重量輕，強(qiáng)度高，材料省等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車、摩托車、電機(jī)中。因此研究空心軸的軋制具

19、有十分重要的意義。楔橫軋工藝是指棒料在兩軋輥的模具間或在兩平板模具之間發(fā)生連續(xù)局部的塑性變形，使所得到的零件形狀與模具底部型槽的形狀完全一致。</p><p><b>　　二、楔橫軋的優(yōu)缺點(diǎn)</b></p><p>　　與傳統(tǒng)的鍛造或切削工藝相比，楔橫軋工藝具有如下優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　（1）生產(chǎn)效率高。每分鐘可以軋制10~30個(gè)工件，通

20、常是其他工藝的5~20倍。</p><p>　?。?）材料節(jié)約。在傳統(tǒng)機(jī)械加工中（如切削加工）約有40%的材料以切屑的形式浪費(fèi)，而在楔橫軋工藝中浪費(fèi)的材料不足10%。</p><p>　?。?）產(chǎn)品質(zhì)量好。楔橫軋件金屬纖維流線沿產(chǎn)品外形連續(xù)分布，并且晶粒進(jìn)一步得到細(xì)化，所以其機(jī)械性能較好。</p><p>　?。?）工作環(huán)境好。由于楔橫軋軋制過(guò)程中無(wú)沖擊，噪音小，工

21、作環(huán)境得到改善。</p><p>　?。?）自動(dòng)化程度高。楔橫軋件從成形、表面精整到最后成品都是由機(jī)器自動(dòng)完成，所需操作人員少。</p><p>　　當(dāng)然楔橫軋工藝也存在著缺點(diǎn)：</p><p>　?。?）模具大并且復(fù)雜。楔橫軋的模具都比較大，并且復(fù)雜，所以工藝調(diào)整也相對(duì)復(fù)雜。</p><p>　　（2）設(shè)備不通用。楔橫軋機(jī)只能成形軸類件，或

22、者為非軸類零件制作坯料，不如模鍛設(shè)備鍛造的零件范圍寬等。</p><p><b>　　3、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　環(huán)件軋制技術(shù)起源于19世紀(jì)火車輪箍的研究，1842年英國(guó)建造了輪箍軋機(jī)，1886年俄國(guó)奧斯特洛維茨煉鐵廠成立了火車輪箍的生產(chǎn)車間。直到20世紀(jì)60年代初，原捷克斯洛伐克的工程師Jiri Helub首次將楔橫軋技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，隨后在萊

23、比錫國(guó)際會(huì)上展出，得到人們的廣泛重視。蘇聯(lián)機(jī)械制造與工藝研究院于1976年研制成功二臺(tái)全自動(dòng)的楔橫軋機(jī)。這種全自動(dòng)的楔橫軋機(jī)己成功的在買里托保利斯基拖拉機(jī)液壓部件廠投入生產(chǎn)。在國(guó)外，用楔橫軋生產(chǎn)的產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于電機(jī)軸、汽車變速箱二軸等，產(chǎn)品的直徑范圍為6~150mm，長(zhǎng)度范圍為40~1200mm。楔橫軋既可以生產(chǎn)零件毛坯，又可以為模鍛件制坯，還可以實(shí)現(xiàn)無(wú)切屑的精軋。楔橫軋工藝主要以熱軋為主，小直徑產(chǎn)品也可以實(shí)現(xiàn)冷軋。</p>

24、<p>　　而我國(guó)國(guó)內(nèi)在20世紀(jì)50年代就開始楔橫軋的探討與實(shí)驗(yàn)工作。上世紀(jì)60年代初，重慶大學(xué)等進(jìn)行楔橫軋汽車球銷的研究工作，并獲得初步成功。從70年代初起，原北京鋼鐵學(xué)院（現(xiàn)北京科技大學(xué)）就開展了楔橫軋技術(shù)的研究和推廣，先后幫助工廠建成楔橫軋生產(chǎn)線40多條，開發(fā)并應(yīng)用于生產(chǎn)的零件130多種，包括汽車、拖拉機(jī)、摩托車、油泵和水泵等機(jī)器的軸類零件。其研究成果被國(guó)家科委列入《中華人民共和國(guó)重大科技成果（1979—1988）》

25、，并被國(guó)家科委、國(guó)家教委以及冶金工業(yè)部確立“軸類零件軋制（斜軋與楔橫軋）研究與推廣中心”。吉林工業(yè)大學(xué)的梁繼才、任廣升、白志斌等，應(yīng)用電測(cè)法對(duì)空心件楔橫軋變形載荷進(jìn)行了測(cè)試，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，分析了工藝參數(shù)對(duì)變形載荷的影響。他們還通過(guò)對(duì)空心件楔橫軋變形特點(diǎn)的分析，建立了空心件楔橫軋的上限法模型，并利用該模型分析了空心件楔橫軋工藝參數(shù)對(duì)軋件壁厚變化的影響，提出了研究空心件楔橫軋壁厚變化預(yù)測(cè)的新方法。通過(guò)幾十年的研究、實(shí)踐，我國(guó)楔橫軋技術(shù)無(wú)論是

26、在設(shè)備方面還是在工藝方面都取得了一定的進(jìn)展，現(xiàn)已成為世界上開發(fā)和投產(chǎn)楔橫軋產(chǎn)品最多的國(guó)家之一。隨著我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展，楔橫軋技術(shù)必將為我國(guó)節(jié)能、節(jié)材</p><p>　　空心軸楔橫軋過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的彈塑性變形過(guò)程，影響因素眾多，模具形狀、毛坯形狀、材料性能、溫度及工藝參數(shù)等均有影響，該過(guò)程涉及到幾何非線性、材料費(fèi)線性、邊界條件非線性等一系列難題。楔橫軋工藝傳統(tǒng)的研究方法主要采用“經(jīng)驗(yàn)法”，這種設(shè)計(jì)方法往往需要反復(fù)修

27、改，浪費(fèi)了大量的人力、物力，生產(chǎn)效率不高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，有限元法已經(jīng)廣泛應(yīng)用到金屬塑性成形加工過(guò)程的數(shù)值模擬中。采用三維有限元數(shù)值模擬，可得到金屬塑性成形過(guò)程的金屬流動(dòng)、應(yīng)力應(yīng)變等規(guī)律，也可以進(jìn)行模具受力分析，并能預(yù)測(cè)出可能的缺陷及失效形式。</p><p>　　4、楔橫軋的意義和展望</p><p>　　綜上所述，鑒于傳統(tǒng)的空心軸加工工藝存在種種不足，楔橫軋工藝具有先進(jìn)的優(yōu)越

28、性，故采用有限元模擬技術(shù)對(duì)空心軸楔橫軋成形過(guò)程進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)楔橫軋變形全過(guò)程仿真，研究工藝參數(shù)對(duì)軋制過(guò)程中模具、工件變形規(guī)律，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)今工業(yè)發(fā)展對(duì)企業(yè)的要求是，在滿足精度要求的條件下最大限度的提高生產(chǎn)效率，降低開發(fā)成本，采用有限元模擬技術(shù)，通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的分析、楔橫軋工藝參數(shù)的優(yōu)化，縮短了磨具設(shè)計(jì)周期，避免了物力、人力的巨大浪費(fèi)，從而大大提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率。</p><p><b>　　

29、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 楊翠蘋．楔橫軋展寬過(guò)程的三維有限元分析[D]．北京科技大學(xué)．2001（3）：7-15</p><p>　　[2] 左虹．空心軸取代實(shí)心軸的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]．石油化工設(shè)備．1997（4）：61-75</p><p>　　[3] R.Neugebauer,M.Kolbe,R.Glass.New warm form

30、ing processes produce hollow shafts.Journal of Materials processing Technology 119(2008)：24-28</p><p>　　[4] S.Urankar,M.Lovell,C.Morrow,Q.Li,K.Kawada.Development of a critical friction model for cross wedge

31、rolling hollow shafts.Journal of Materials processing Technology 177(2006)：43-47</p><p>　　[5] 賈正銳，梁繼才，白志斌等．空心件楔橫軋變形載荷測(cè)試[J]．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與試驗(yàn)機(jī)．1993（3）：22-26</p><p>　　[6] 李顯玉．凸輪軸軋制工藝的研究[J]．模具制造．2007（12）：18-

32、25</p><p>　　[7] 衛(wèi)原平，彭穎紅，阮雪榆．金屬塑性成形過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)[J]．上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)．1996（3）：30-36</p><p>　　[8] 束學(xué)道，胡正寰．大型軸類件楔橫軋成形可行性分析[J]．重型機(jī)械．2005（4）：85-89</p><p>　　[9] 汪建敏，余凱飛，胡密，祝海燕，龔貴春．空心軸類件楔橫軋仿真及壁厚變化規(guī)律[J

33、]．熱加工工藝．2008（23）：48-51</p><p>　　[10] 梁繼才，任廣升，白志斌等．空心件楔橫軋參數(shù)對(duì)軋件壁厚變化的影響[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)．1996(1)：34-40</p><p>　　[11] 呂增亭．楔橫軋軸類零件的矯正[J]．機(jī)械工程師．1998(12)：22-29</p><p>　　[12] 張巍，胡正寰．軸類零件軋制技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

34、[J]．機(jī)械工人（熱加工）．2001（1）：44-48</p><p>　　[13] 劉光宇，虞躍生，萬(wàn)賢毅．計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在金屬塑性成形中的應(yīng)用[J]．汽車科技．2000（6）：8-13</p><p>　　[14] 李傳民，王向麗等．DEFORM5．03金屬成形有限元分析實(shí)例指導(dǎo)教程[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社．2007：29-36</p><p>　　[15]

35、 應(yīng)富強(qiáng)，張更超，潘孝勇．三維有限元模擬技術(shù)在金屬塑性成形中的應(yīng)用[J]．鍛壓裝備與制造技術(shù)．2003（5）：37-44</p><p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　　（20 屆）</b></p><p>　　空心軸軋制成形數(shù)值模擬</p><p><b>

36、;　　摘　要</b></p><p>　　摘要：空心軸在汽車、拖拉機(jī)上的軸類零件中使用非常廣泛。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，楔橫軋憑借其高效、節(jié)能、節(jié)材、綠色等優(yōu)點(diǎn)，顯示出它獨(dú)特的優(yōu)越性，現(xiàn)已成為一種生產(chǎn)軸類零件的新興工藝。為了能更好的了解空心軸軋制成形的原理和過(guò)程，本課題應(yīng)用Pro/E軟件建立三維模型，通過(guò)有限元分析軟件DEFORM-3D軟件對(duì)空心軸軋制過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，研究其成形機(jī)理。</p&g

37、t;<p>　　仿真模擬完成后，對(duì)同一截面不同時(shí)間的等效應(yīng)力進(jìn)行分析：空心軸的節(jié)點(diǎn)各向等效應(yīng)力呈周期性變化，等效應(yīng)力的極值從內(nèi)到外不斷增大。對(duì)同一時(shí)間不同截面的等效應(yīng)力進(jìn)行分析，歸納出其中的結(jié)論：等效應(yīng)力內(nèi)外層之間的差異從楔入段、展寬段、自由段慢慢減小，在自由段內(nèi)外層之間幾乎沒有差異。對(duì)不同位置的損傷系數(shù)進(jìn)行分析，得出：楔入段大于展寬段，展寬段大于自由段，自由段趨向于零，內(nèi)壁損傷系數(shù)大于外壁，外壁損傷系數(shù)大于中間部分，楔入

38、段內(nèi)孔附近損傷值最大。所以從損傷系數(shù)這個(gè)角度去分析，楔入段內(nèi)孔附近最容易發(fā)生裂紋缺陷。</p><p>　　關(guān)鍵詞：空心軸；楔橫軋；DEFORM-3D；等效應(yīng)力；損傷系數(shù)</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Abstract：Hollow shaft parts are widely used in car

39、s and tractors.After decades of development,Cross Wedge Rolling shows its specil advantages,because of its high efficiency,saving energy,saving materials,environmental protection.In order to understand the theory and pro

40、cess of hollow shaft rolling further,the topic is modeling with Pro/E and simulating the process of rolling with finite element analysis software and studying forming mechanism of Cross Wedge Rolling of hollow shaft.<

41、/p><p>　　After simulation succeed,effective stress of the same cross-section in different times have been analyzed and obtaining results:the nodes of different direction have cyclical changes,the maximum of eff

42、ective stress is increasing from inside to outside.Effective stress of different cross-sections in the same time have been analyzed and obtaining results: the difference of the effective stress between the inner and oute

43、r decreases gradually from wedge section,widening section and free section.Ther</p><p>　　Key words：hollow shaft；cross wedge rolling；DEFORM-3D；effective stress；damage factor</p><p><b>　　目　錄

44、</b></p><p><b>　　摘　要10</b></p><p>　　Abstract11</p><p><b>　　目　錄12</b></p><p><b>　　1緒論14</b></p><p>　　1.1楔橫軋工

45、藝簡(jiǎn)介14</p><p>　　1.2楔橫軋工藝發(fā)展?fàn)顩r及其應(yīng)用16</p><p>　　1.2.1楔橫軋工藝國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r16</p><p>　　1.2.2楔橫軋工藝國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r16</p><p>　　1.2.3楔橫軋工藝的應(yīng)用17</p><p>　　1.3選題的主要內(nèi)容和研究意義19<

46、;/p><p>　　1.3.1選題的主要內(nèi)容19</p><p>　　1.3.2選題的研究意義19</p><p>　　2楔橫軋理論21</p><p>　　2.1輥式楔橫軋的基本原理21</p><p>　　2.2楔橫軋模具工藝參數(shù)23</p><p>　　2.3輥式楔橫軋運(yùn)

47、動(dòng)原理24</p><p>　　2.4楔橫軋的旋轉(zhuǎn)條件26</p><p>　　3楔橫軋仿真模擬30</p><p>　　3.1仿真軟件DEFORM-3D的介紹30</p><p>　　3.2輥式楔橫軋模型的建立31</p><p>　　3.2.1幾何模型的構(gòu)建32</p><

48、p>　　3.2.2物理模型的構(gòu)建34</p><p>　　3.3實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)38</p><p>　　4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析40</p><p>　　4.1應(yīng)力和應(yīng)變分析40</p><p>　　4.1.1楔入段等效應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線分析40</p><p>　　4.1.2不同截面應(yīng)變速率場(chǎng)、等效應(yīng)

49、力場(chǎng)分析42</p><p>　　4.2損傷系數(shù)分析46</p><p>　　4.3軋制空心件有無(wú)芯軸對(duì)比47</p><p><b>　　5結(jié)論49</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)50</b></p><p>　　致謝錯(cuò)誤!未定義書簽。<

50、;/p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　楔橫軋工藝簡(jiǎn)介</b></p><p>　　楔橫軋（如圖1-1所示）是一種采用無(wú)切削加工的新興技術(shù)，人們對(duì)這種能解決鍛造工藝中的許多缺陷和不足的技術(shù)產(chǎn)生了廣泛的興趣。經(jīng)過(guò)幾十年的研究和發(fā)展，楔橫軋軋制軸類零件的成形工藝越來(lái)越成熟，在各個(gè)方面顯示出了其獨(dú)特的優(yōu)

51、越性：改善產(chǎn)品質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率，節(jié)約原材料和降低生產(chǎn)成本等。楔橫軋不但是一種節(jié)能、高效、節(jié)材的金屬塑性成形新工藝，而且適用于批量生產(chǎn)各種軸類零件。所以楔橫軋的產(chǎn)品在汽車、拖拉機(jī)等發(fā)動(dòng)機(jī)的軸類零件上廣泛應(yīng)用。楔橫軋既是機(jī)械鍛壓技術(shù)的發(fā)展，又是冶金軋制技術(shù)的發(fā)展。楔橫軋生產(chǎn)某些軸類零件得到了國(guó)內(nèi)外許多專家的認(rèn)可。</p><p>　　圖1-1 楔橫軋工藝示意圖</p><p>　　楔橫軋工藝

52、是指軋件在兩軋板或者兩軋輥的模具間發(fā)生連續(xù)局部的塑性變形，使得所得到的零件形狀與模具底部型槽形狀完全一致。楔橫軋工藝按模具的形狀不同一般可分成兩類：板式楔橫軋和輥式楔橫軋[1]。板式楔橫軋工藝是借助裝在上、下模板的模具，在上模板和下模板的相對(duì)滑動(dòng)過(guò)程中，使軋件的軸向、徑向都產(chǎn)生變形，加工成與模具型槽形狀完全一致的軸類零件，如圖1-2所示。其中，輥式楔橫軋又分為雙輥和三輥，雙輥楔橫軋的成形原理為：借助裝有楔形模具的上下軋輥，在上下軋輥以相

53、同的方向旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)軋件向相反方向旋轉(zhuǎn)，使軋件的軸向、徑向都產(chǎn)生變形，所得到的軋件形狀與軋輥底部楔形模具型槽的形狀完全一致，如圖1-3所示。三輥式楔橫軋的軋制原理如圖1-4所示，三個(gè)互相平行的軋輥表面上裝有相同形狀的楔形模具，三個(gè)軋輥以相同的方向旋轉(zhuǎn)時(shí)依靠楔形模具和軋件之間的摩擦力帶動(dòng)軋件向相反方向旋轉(zhuǎn)，使軋件的軸向、徑向都產(chǎn)生變形，從而實(shí)現(xiàn)階梯軸的軋制成形。軋輥每旋轉(zhuǎn)一周便能夠生產(chǎn)出至少一根階梯軸。</p><p&g

54、t;　　1 上模板2 下模板3 楔形模具4 軋件 1 軋輥2 坯料3 切斷楔4 模具</p><p>　　圖1-2板式楔橫軋?jiān)硎疽鈭D 圖1-3輥式楔橫軋?jiān)硎疽鈭D</p><p>　　1 軋件2 變形楔3 軋輥</p><p>　　圖1-4三輥式楔橫軋?jiān)硎疽鈭D</p><p>　　楔橫軋工藝發(fā)展?fàn)顩r及其應(yīng)用<

55、/p><p>　　楔橫軋工藝國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　20世紀(jì)60年代初，楔橫軋工藝在原捷克斯洛伐克工程師Jiri Helub的研制下首次應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。兩臺(tái)全自動(dòng)的楔橫軋機(jī)于1976年在蘇聯(lián)機(jī)械制造與工藝研究院研制成功。隨后，在1976年?yáng)|德德累斯頓技術(shù)大學(xué)的Dietrich和Mockel研制出了單輥軋機(jī)，并對(duì)工件變形進(jìn)行了調(diào)查[2]。</p><p>　　日

56、本的團(tuán)野敦、粟野泰吉也對(duì)楔橫軋進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并且取得了豐碩的成果，在楔橫軋的發(fā)展史上寫下了光輝的一頁(yè)。他們以研究階梯軸的楔橫軋為主，通過(guò)對(duì)軋制時(shí)測(cè)定的軋制力和軋制力矩的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而得出了軋輥上的力和力矩的半經(jīng)驗(yàn)公式。</p><p>　　1972年，波蘭的馬齊尼亞研制出一個(gè)WPM120專利型機(jī)，但是它的應(yīng)用價(jià)值較小。80年代末，RolFlo公司設(shè)計(jì)了水平二輥楔橫軋機(jī)[3]。二十世紀(jì)末，楔橫軋機(jī)被日本三菱

57、汽車公司用于生產(chǎn)復(fù)雜的加強(qiáng)軸，并已在市場(chǎng)上銷售，在國(guó)外，用楔橫軋生產(chǎn)的產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于電機(jī)軸、汽車變速箱二軸等，產(chǎn)品的直徑范圍為6~150mm，長(zhǎng)度范圍為30~900mm。楔橫軋應(yīng)用十分廣泛，在生產(chǎn)零件毛坯，模鍛件制坯，無(wú)切屑的精軋中都可以應(yīng)用。楔橫軋工藝主要采用熱軋，冷軋主要在生產(chǎn)小直徑產(chǎn)品時(shí)使用。</p><p>　　楔橫軋工藝國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　我國(guó)在楔橫軋上起步并不晚，

58、早在上世紀(jì)60年代初，重慶大學(xué)、清華大學(xué)、東北大學(xué)等單位就對(duì)楔橫軋工藝進(jìn)行研究，并取得了許多理論與實(shí)際成果，但未能實(shí)現(xiàn)工業(yè)上的廣泛應(yīng)用[4]。</p><p>　　1963年，我國(guó)楔橫軋工藝首先在重慶大學(xué)的汽車球銷的研究中獲得初步成功，這是我國(guó)楔橫軋工藝的最早試驗(yàn)。70年代初，原東北大學(xué)在實(shí)驗(yàn)室試軋出火車D軸的模擬件，但是由于使用的三輥軋機(jī)的成本太高，所以未能應(yīng)用于大批量生產(chǎn)。</p><p&

59、gt;　　70年代中期，單輥弧形式楔橫軋軋制鯉魚鉗毛坯的新工藝在上海鍛壓機(jī)床三廠研制成功。這是我國(guó)最早將楔橫軋應(yīng)用于生產(chǎn)的工藝，并且取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，這對(duì)我國(guó)楔橫軋應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)具有劃時(shí)代的意義。但由于單輥弧形式楔橫軋模具制造非常困難、調(diào)整工藝非常復(fù)雜，所以在推廣單輥弧形式楔橫軋時(shí)遇到了極大的阻礙。</p><p>　　70年代初，現(xiàn)北京科技大學(xué)的前身北京鋼鐵學(xué)院在楔橫軋技術(shù)的研究中取得了豐碩的成果，幫助工廠

60、建立40余條楔橫軋生產(chǎn)線，并開發(fā)出了汽車、拖拉機(jī)等發(fā)動(dòng)機(jī)的軸類零件130多種，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。由于其研究成果豐碩、經(jīng)濟(jì)效率良好，被國(guó)家科委列入到《中華人民共和國(guó)重大科技成果（1979—1988）》，并被確立為“軸類零件軋制（斜軋與楔橫軋）研究與推廣中心”。</p><p>　　在楔橫軋技術(shù)的研究與應(yīng)用方面做出了貢獻(xiàn)的還有機(jī)械工業(yè)部北京機(jī)電研究所。他們?cè)诰苠懠纳a(chǎn)體系中應(yīng)用楔橫軋工藝，充分發(fā)揮了楔橫軋工藝

61、高效精確的特點(diǎn)，使得精確成形的毛坯體積分配更加合理、形狀尺寸更加精確，也增大了楔橫軋應(yīng)用的范圍。</p><p>　　吉林工業(yè)大學(xué)應(yīng)用電測(cè)法對(duì)空心件楔橫軋變形載荷進(jìn)行了研究，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)，得出不同工藝參數(shù)對(duì)塵世的變形載荷的影響規(guī)律。后來(lái)，他們?cè)诜治隹招募M軋軸向和徑向的變形特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，首次提出了采用上限法模型進(jìn)行空心軸楔橫軋，并通過(guò)上限法模型分析得出了空心件楔橫軋工藝參數(shù)對(duì)軋件壁厚的影響規(guī)律，也完善了預(yù)

62、測(cè)楔橫軋空心軸壁厚變化的方法。</p><p>　　我國(guó)現(xiàn)已成為世界上生產(chǎn)楔橫軋產(chǎn)品最多的國(guó)家之一。通過(guò)幾十年的研究、實(shí)踐，我國(guó)楔橫軋的設(shè)備處于世界先進(jìn)水平，楔橫軋的工藝得到了很大的提高 [5]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，楔橫軋技術(shù)必將在軸類零件的軋制中發(fā)揮重要作用。</p><p><b>　　楔橫軋工藝的應(yīng)用</b></p><p>　　與傳

63、統(tǒng)的鍛造或切削工藝相比，楔橫軋工藝具有如下優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　?。?）生產(chǎn)效率高。每分鐘可以軋制10~30個(gè)工件，通常是其他工藝的5~20倍。</p><p>　?。?）材料節(jié)約。在傳統(tǒng)的切削加工中以切屑的形式浪費(fèi)的材料超過(guò)40%，而在應(yīng)用楔橫軋工藝加工中利用率達(dá)90%以上，浪費(fèi)的材料不足10%。</p><p>　?。?）產(chǎn)品質(zhì)量好。用楔橫軋工藝生產(chǎn)，能進(jìn)一

64、步細(xì)化軋件的晶粒，所以楔橫軋產(chǎn)品體現(xiàn)出來(lái)的力學(xué)性能比傳統(tǒng)方法加工出來(lái)的零件好。</p><p>　?。?）工作環(huán)境好。由于楔橫軋軋制過(guò)程中無(wú)沖擊，噪音小，大大改善了工作環(huán)境。</p><p>　　（5）自動(dòng)化程度高。楔橫軋軋件從軋制、表面精加工都是由機(jī)器自動(dòng)完成，所需人工操作少。</p><p>　　但是，并不是所有工件都適合用楔橫軋軋制。采用這種楔橫軋工藝是否經(jīng)濟(jì)

65、合理，主要地要從下述幾個(gè)方面來(lái)看：工件的形狀、尺寸精度以及加工工件的材料。</p><p>　?。?）工件形狀　圖1-5所示是適用于楔橫軋工藝的一些典型零件，例如各種形狀的臺(tái)階軸、帶有垂直凸肩、球面和錐度的軸、操縱桿和連桿毛坯等。原則上如果工件的最終形狀是靠楔橫軋工藝成形的，那么這些工件一般都是實(shí)心的，空心的工件對(duì)工藝參數(shù)的要求較高。楔橫軋毛坯的金屬分布和重量都比較精確，若再進(jìn)一步模鍛成形，就可以獲得所需要的斷面

66、。</p><p>　　圖1-5 適用于楔橫軋工藝的零件</p><p>　?。?）工件精度　與其它熱鍛方法相比，楔橫軋工藝能獲得相當(dāng)高的尺寸精度：直徑公差為±0.1~±0.2mm，長(zhǎng)度公差約為±0.5mm（當(dāng)工件長(zhǎng)度約為100~300mm時(shí)）。</p><p>　?。?）工件材料　可以用來(lái)鍛造的材料在鍛造溫度的范圍內(nèi)都可以用楔橫軋來(lái)進(jìn)

67、行軋制，其中主要的材料是鋼，各種滲炭鋼、炭鋼和熱處理鋼。這些材料都能得到比較理想的結(jié)果，所以這些鋼種都可用于楔橫軋法進(jìn)行批量生產(chǎn)，但是，必須注意的是這些鋼材不能具有表面發(fā)裂和軸心偏析，否則將造成楔橫軋件產(chǎn)生缺陷。</p><p>　　除炭鋼和低炭合金鋼外，銅和銅合金、鋁和鋁合金、高炭合金鋼以及鎳合金在進(jìn)行熱楔橫軋工藝時(shí)都可以得到比較滿意的結(jié)果。</p><p>　　選題的主要內(nèi)容和研究意義

68、</p><p><b>　　選題的主要內(nèi)容</b></p><p>　　課題研究對(duì)象為空心軸類件的楔橫軋成形過(guò)程及參數(shù)控制，研究空心軸軋制成形原理，運(yùn)用Pro/E軟件建立三維模型，應(yīng)用有限元數(shù)值分析軟件DEFORM軟件，對(duì)空心軸軋制成形過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，研究其成形機(jī)理。研究的主要內(nèi)容為以下四方面：</p><p>　?。?）研究空心軸軋

69、制成形的原理。借助裝有楔形模具的上下軋輥，在上下軋輥以相同的方向旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)空心軸向相反方向旋轉(zhuǎn)，使軋件的軸向、徑向都產(chǎn)生變形，軋制成各種形狀的空心軸。</p><p>　?。?）建立空心軸三維模型。在Pro/E中建立模具、空心軸、擋板、芯軸等的三維實(shí)體模型。</p><p>　　（3）導(dǎo)入三維模型，確定物理模型，應(yīng)用DEFORM軟件建立數(shù)值仿真模型，研究空心軸軋制變形機(jī)理。物理模型構(gòu)造是否

70、合理直接影響著計(jì)算效率、求解精度，所以，在建立物理模型時(shí)，要考慮全面，按照機(jī)械理論，經(jīng)過(guò)多次的試算、不斷優(yōu)化，最終得到一個(gè)參數(shù)正確而又高效的物理模型。</p><p>　?。?）分析在空心軸各個(gè)截面在楔橫軋過(guò)程中等效應(yīng)力、應(yīng)變的變化情況。</p><p><b>　　選題的研究意義</b></p><p>　　實(shí)心軸在用作傳動(dòng)軸時(shí)，其中心部分的

71、材料并沒有發(fā)揮出應(yīng)有的作用[6]。傳動(dòng)軸的受力特點(diǎn)是：在垂直于軸線的兩個(gè)平面內(nèi)受一對(duì)大小相等、方向相反的力偶作用，軸的各橫截面都繞軸線作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。從徑向截面看，越外的地方傳遞的有效力矩的作用越大，軸心部位基本不起作用。所以，選擇空心軸做為研究對(duì)象不僅適用性強(qiáng)，還滿足建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的要求。</p><p>　　由于傳統(tǒng)的空心軸切削加工工藝存在各種缺陷，相對(duì)而言，楔橫軋工藝則具有明顯的優(yōu)越性。由于有限元模擬仿真相對(duì)于

72、實(shí)際的生產(chǎn)操作能夠縮短模具和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，所以運(yùn)用有限元數(shù)值分析軟件DEFORM對(duì)空心軸軋制成形過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，研究其成形機(jī)理，對(duì)推廣楔橫軋工藝具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。</p><p>　　采用DEFORM軟件模擬分析了實(shí)心件的楔橫軋過(guò)程，得到軋件內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)信息，不同工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)力應(yīng)變的影響，對(duì)于認(rèn)識(shí)楔橫軋過(guò)程中材料的流動(dòng)規(guī)律，優(yōu)化模具參數(shù)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和設(shè)計(jì)指導(dǎo)，從

73、而縮短了設(shè)計(jì)模具的周期，大大提高了勞動(dòng)生產(chǎn)效率。</p><p><b>　　楔橫軋理論</b></p><p>　　輥式楔橫軋的基本原理</p><p>　　輥式楔橫軋是生產(chǎn)中較為普遍采用的軋制形式。而在數(shù)值模擬過(guò)程中，特別是三維變形模擬中，為了簡(jiǎn)化模具造型，通常采用板式楔橫軋進(jìn)行分析計(jì)算。</p><p>　　楔橫軋

74、模具按是否對(duì)稱通?？煞譃閮纱箢悾簩?duì)稱軸模具和非對(duì)稱軸模具。如果軸的軸線上存在對(duì)稱軸的則稱為對(duì)稱軸類件，否則為非對(duì)稱軸類件。對(duì)稱軸類件的模具上的孔型的主要特點(diǎn)是：軋板上楔形模具也是關(guān)于對(duì)稱軸對(duì)稱的 [7]。本課題楔橫軋模具設(shè)計(jì)主要是關(guān)于對(duì)稱軸的。</p><p>　　典型楔形模具結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。楔橫軋的模具一般可以分為五段，楔入段、楔入平整段、展寬段、精整段和剪切段。</p><p>　

75、　圖2-1 楔橫軋模具示意圖</p><p>　?。?）楔入段（A-B段）</p><p>　　楔入段模具按照阿基米德螺旋線來(lái)設(shè)計(jì)楔尖高度，由頂端從零開始逐漸增至楔頂高h(yuǎn)處。能夠順利實(shí)現(xiàn)軋件的切入并帶動(dòng)軋件旋轉(zhuǎn)，不產(chǎn)生打滑，并將軋件慢慢軋制出由淺到深的凹槽是楔入段的主要作用。楔入段最深處為，如圖2-1的1-1截面所示。楔頂高h(yuǎn)：</p><p><b>　

76、?。?-1）</b></p><p>　　式中：為上模板與軋件之間的距離，其值一般為0.3~2mm。實(shí)驗(yàn)中，為了避免楔入時(shí)發(fā)生打滑現(xiàn)象，取值一般比較小。</p><p>　　楔入段最寬處寬度： （2-2）</p><p>　　楔入段長(zhǎng)度： （2

77、-3）</p><p>　?。?）楔入平整段（B-C段）</p><p>　　楔入平整段模具的形狀和楔入段最寬處保持一致，即此段的展寬角，楔高h(yuǎn)不再增加。將軋件的整個(gè)圓周上軋出一圈深為的凹槽是楔入平整段的主要作用，如圖2-1的2-2截面所示。</p><p>　　楔入平整段長(zhǎng)度： （2-4）<

78、/p><p><b>　　式中：——坯料直徑</b></p><p>　　一般取，即為了保證在楔橫軋模具上軋件能夠滾動(dòng)半圈以上。</p><p>　　（3）展寬段（C-D段）</p><p>　　展寬段模具的楔頂高h(yuǎn)楔入段保持不變，但是楔形模具的寬度逐漸變寬。展寬段是楔橫軋模具完成軸向和徑向變形的主要區(qū)域，所以展寬段的設(shè)計(jì)非

79、常重要，軋件在這段的形狀如圖2-1的3-3截面所示。</p><p>　　楔橫軋的主要工藝參數(shù)，如成形角和展寬角主要根據(jù)這一區(qū)段的斷面收縮率等因素確定。</p><p>　　展寬段長(zhǎng)度的計(jì)算如下：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　式中：——軋件的軋細(xì)長(zhǎng)度</p><

80、p>　　楔橫軋?jiān)诟鱾€(gè)區(qū)域的軋制力和軋制力矩上是變化的，軋制力與力矩在展寬段上是最大的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他區(qū)域。</p><p>　?。?）精整段（D-E段）</p><p>　　精整段楔形模具的楔頂高度h、楔形的寬度都和展寬段保持一致，即展寬角，楔高不再增加。軋件在經(jīng)過(guò)精整段軋制后，就能把軋件軋制成所要求的尺寸；還可以使軋件得到更精確的尺寸精度，表面粗糙度也會(huì)得到優(yōu)化，達(dá)到合格產(chǎn)品的要求。

81、如圖2-1所示的4-4截面為精整段的形狀。</p><p>　　精整段的長(zhǎng)度為： （2-6）</p><p>　　通常取，即為了保證在楔橫軋模具上軋件能夠滾動(dòng)半圈以上。</p><p>　?。?）剪切段（E-F）</p><p>　　在軋制完成后通過(guò)剪切段可以將軋件切斷。通過(guò)

82、改變切刀的位置，可以把軋件切成不同形狀，切刀放在中間，可以把軋件切成二段；切刀放在兩邊，則可以切除多余的料頭。為了延長(zhǎng)切刀的使用壽命，大多數(shù)先把切刀單獨(dú)做好再安裝在模具上。</p><p><b>　　楔橫軋模具工藝參數(shù)</b></p><p>　　（1）軋件的斷面收縮率</p><p>　　斷面收縮率對(duì)空心軸楔橫軋是否成功的關(guān)系很大，是楔橫軋

83、模具的幾個(gè)最主要的工藝參數(shù)之一。其數(shù)值為軋件橫截面的原始面積與軋后橫截面面積的差值與軋件橫截面的原始面積的比值，即：</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　式中：——軋件毛坯的直徑；——軋件成品的直徑。</p><p>　　為了能夠使軋件正常旋轉(zhuǎn)、不發(fā)生螺旋縮頸甚至拉斷等問(wèn)題，通常要把楔橫軋軋件的斷面收縮率控制在8

84、0%以下。如果一些特殊的軸類件產(chǎn)品斷面收縮率超過(guò)80%，那么一般需要采用多次楔入軋制的方法，即每次楔入軋制的斷面收縮率要控制在80%以下，多次軋制以后使得總的斷面收縮率超過(guò)80%。</p><p>　　需要注意的是，斷面收縮率過(guò)小時(shí)，并且選擇了不合理的工藝參數(shù)，不但不能控制軋件的尺寸精度，而且會(huì)使軋件更容易產(chǎn)生疏松等各種缺陷。因?yàn)檫^(guò)小時(shí)，金屬?gòu)较虬l(fā)生變形，軸向基本不發(fā)生變形，從而使得表面的金屬在模具間不斷拉伸，從

85、而使得軋件表面產(chǎn)生疏松，中心產(chǎn)生缺陷[8]。在軋制斷面收縮率較小的軋件時(shí)，可以選擇相對(duì)較大的成形角和較小的展寬角。</p><p>　　軋制一般的軋件時(shí)，比較合理的斷面收縮率范圍一般在30%~60%之間。如果斷面收縮率在上述范圍之內(nèi)，用較大展寬角進(jìn)行軋制得到的效果會(huì)更好。</p><p><b>　?。?）模具的成形角</b></p><p>

86、　　成形角是楔橫軋楔形模具的幾個(gè)最主要的工藝參數(shù)之一，對(duì)軋制后軋件的質(zhì)量起著決定性作用。成形角的選擇范圍一般為：。</p><p>　　斷面收縮率不同時(shí)，成形角也應(yīng)該選擇不同的數(shù)值。表2-1所示為斷面收縮率與成形角之間的關(guān)系。</p><p>　　表2-1 成形角與斷面收縮率關(guān)系</p><p><b>　?。?）模具的展寬角</b></

87、p><p>　　展寬角也是楔橫軋模具設(shè)計(jì)中重要的工藝參數(shù)之一。展寬角的選擇范圍一般為：。</p><p>　　斷面收縮率對(duì)展寬角有很大影響。為了使軋件避免產(chǎn)生縮頸、疏松等損傷，斷面收縮率較大時(shí)，應(yīng)該選擇較小的展寬角；當(dāng)斷面收縮率很小時(shí)時(shí)，也應(yīng)該選擇比較小展寬角。表2-2所示為展寬角與斷面收縮率之間的關(guān)系。</p><p>　　表2-2 展寬角與斷面收縮率關(guān)系</p

88、><p><b>　　輥式楔橫軋運(yùn)動(dòng)原理</b></p><p>　　輥式楔橫軋是借助裝有楔形模具的上下軋輥，在上下軋輥以相同的方向旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)軋件向相反方向旋轉(zhuǎn)，使軋件的軸向、徑向都產(chǎn)生變形，所得到的軋件形狀與軋輥底部楔形模具型槽的形狀完全一致的成形工藝。在軋制時(shí)，一般把楔形模具被看作剛體，設(shè)軋件上各點(diǎn)的角速度為，軋輥上各點(diǎn)的角速度為，軋件上線速度為，軋輥上線速度為。楔形

89、模具的角速度一定，各點(diǎn)的線速度隨模具各點(diǎn)半徑變化而變化，如圖2-2所示為輥式楔橫軋示意圖。</p><p><b>　　1 軋件 2軋輥</b></p><p>　　圖2-2 輥式楔橫軋軋制示意圖</p><p>　?。?）由機(jī)械原理的知識(shí)可知在軋件上一定存在一個(gè)K點(diǎn)，使得軋輥的圓周速度和軋件的圓周線速度相同， K點(diǎn)處軋輥與軋件沒有相對(duì)滑動(dòng)，

90、即：</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　?。?）由圖2-2可知：在KB段，軋輥和軋件之間會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，軋輥的線速度大于軋件的線速度。速度差在B處最大，差值為：</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　由（2-8）和（2-9）可知：<

91、/p><p><b>　　（2-10）</b></p><p>　?。?）由圖2-2可知，在KA段，軋輥的線速度小于軋件的線速度，軋輥和軋件之間也會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。圓周速度差最大處是在A處，其速度差（即相對(duì)滑動(dòng)速度）為：</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　由（2-8）和

92、（2-11）可以得出：</p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　由上式可知，A處和B處一樣存在很大的相對(duì)滑動(dòng)，但由于A處軋件與軋輥之間比B處的接觸不緊密，B處的摩擦力更大，所以A處的楔形模具的磨損比B處輕的多。</p><p>　　綜合（2-10）、（2-12）兩式可得到輥式楔橫軋的相對(duì)滑動(dòng)速度：</p>

93、;<p><b>　　楔橫軋的旋轉(zhuǎn)條件</b></p><p>　　為了保證軋件能夠旋轉(zhuǎn)，不發(fā)生打滑現(xiàn)象，必須分析影響楔橫軋軋件旋轉(zhuǎn)的各種因素。下面以板式楔橫軋為例進(jìn)行分析，板式楔橫軋的軋件在軋制力和摩擦力的共同作用下發(fā)生軸向和徑向的變化。板式楔橫軋的運(yùn)動(dòng)模型簡(jiǎn)圖如圖2-3所示：</p><p>　　圖2-3 板式楔橫軋運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖</p>&

94、lt;p>　　板式楔橫軋的軋件受到上下兩個(gè)方向相反的軋制力P和左右兩個(gè)方向相反的摩擦力T的共同作用 [9]。在軋制進(jìn)行時(shí)，兩個(gè)軋制力P組成的力偶矩小于兩個(gè)摩擦力T組成的力偶矩。</p><p>　　軋制力P與摩擦力T之間的關(guān)系為：</p><p>　?。ā獛?kù)倫摩擦系數(shù)） （2-13）</p><p&g

95、t;　　楔橫軋軋件旋轉(zhuǎn)的條件是T力組成的力偶矩大于或等于P組成的力偶矩，</p><p><b>　　，即：</b></p><p>　　整理后得： （2-14）</p><p>　　根據(jù)圖2-3所示的幾何關(guān)系可得：</p><p><

96、;b>　?。?-15）</b></p><p>　　把（2-14）代入到（2-13）可得：</p><p><b>　?。?-16）</b></p><p><b>　　上式中，是壓縮量。</b></p><p>　　對(duì)（2-16）整理后可得：

97、 （2-17）</p><p>　　式中：，和分別是工件的內(nèi)徑與內(nèi)半徑。</p><p>　　，和分別是工件的外徑與外半徑。</p><p>　　為軋件的壓縮量，B為兩個(gè)楔形模具之間的距離。</p><p>　　分析上述公式后，設(shè)相對(duì)壓縮量為，并代到（2-17），得：</p><p><b>

98、　?。?-18）</b></p><p>　　由此可知與k的曲線如圖2-4所示：</p><p>　　圖2-4 與k的曲線圖</p><p>　　由此可知，摩擦系數(shù)對(duì)軋件的旋轉(zhuǎn)有著很重要影響，摩擦系數(shù)太小，軋件很容易會(huì)發(fā)生打滑現(xiàn)象，所以應(yīng)該在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)盡可能的增大摩擦系數(shù)。同時(shí)，在軋制過(guò)程中，必須把k值保持在一個(gè)范圍之內(nèi)，因?yàn)楫?dāng)k值過(guò)大時(shí)，必須大幅度的

99、提高的數(shù)值，這會(huì)大大增大對(duì)設(shè)備的要求。</p><p>　　由式（2-17）可以看出，壓縮量對(duì)楔橫軋軋件的旋轉(zhuǎn)也產(chǎn)生重要影響。板式楔橫軋的壓縮量是不斷發(fā)生變化的，所以必須把確定的壓縮量值代入（2-17）中，這樣就可以比較方便地確定軋件的旋轉(zhuǎn)條件。</p><p>　　圖2-5所示為典型的板式楔橫軋截面圖。圖中為軋件毛坯的直徑，為軋件軋制完成后的直徑。為了使楔橫軋空心軸能夠順利進(jìn)行，軋件從1

100、軋到2這個(gè)過(guò)程中軋件整體沒有滑動(dòng)。</p><p>　　圖2-5 板式楔橫軋截面圖</p><p>　　軋件軋制半周所走過(guò)的展開長(zhǎng)度： （2-19）</p><p>　　軋件的展寬量： （2-20） </p><p>　　壓縮量沿軋件的對(duì)稱軸向兩邊逐漸減小。

101、如上圖2-5所示，壓縮量在A’D’CB區(qū)域達(dá)到最大值，其值為：；在D’DC區(qū)域中，在D點(diǎn)處取得最小值。最小值。在D’點(diǎn)處取得最大值，最大值；設(shè)為D和任意所求點(diǎn)之間的距離，則任外一點(diǎn)的壓縮量；是AA’B區(qū)域中的A點(diǎn)到所求之點(diǎn)的距離。將代入到（2-17）中，整理后得旋轉(zhuǎn)條件的表達(dá)式：</p><p><b>　　（2-21）</b></p><p>　　其中，在A’D’段

102、為1；在AA’段為；在DD’段為。</p><p><b>　　楔橫軋仿真模擬</b></p><p>　　仿真軟件DEFORM-3D的介紹</p><p>　　20世紀(jì)80年代，在基金會(huì)的大力資助下，Battelle Columbus實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出了剛塑性和剛粘塑性都可以使用的有限元計(jì)算成形軟件ALPID。該軟件只需人工設(shè)置邊界條件和模具的參數(shù)

103、就會(huì)產(chǎn)生原始的速場(chǎng)，并且還能夠觀看到中間軋制過(guò)程中軋件變形的過(guò)程 [10]。由于這是新發(fā)明的軟件，該軟件在實(shí)際生產(chǎn)中的實(shí)用性不是很強(qiáng)，它不具備網(wǎng)格的重劃分功能，這就大大增加了模擬的時(shí)間，降低了工作效率，而且該軟件只能模擬一般比較簡(jiǎn)單的軸對(duì)稱模型。為了增加ALPID的功能，針對(duì)在實(shí)際應(yīng)用中的各個(gè)缺點(diǎn)，研發(fā)人員逐漸增加了該模擬軟件的各個(gè)功能。經(jīng)過(guò)科研人員十多年的努力，美國(guó)SFTC公司最終將該分析模擬軟件發(fā)展成為如今功能全、效率高的有限元分析

104、軟件DEFORM [11]。本課題正是應(yīng)用有限元分析軟件DEFORM對(duì)空心軸楔橫軋進(jìn)行模擬，分析空心軸楔橫軋的規(guī)律。下面對(duì)DEFORM的結(jié)構(gòu)和功能作簡(jiǎn)要的介紹：</p><p>　?。ㄒ唬〥EFORM的結(jié)構(gòu)</p><p>　　DEFORM軟件是基于有限元的工藝仿真系統(tǒng)，主要用于分析金屬成形及其相關(guān)工業(yè)的各種成形工藝和熱處理工藝，該軟件主要包括前處理器、模擬器、后處理器三部分[12]。前處

105、理器用來(lái)輸入模具和坯料形狀的信息和輸入溫度等軋制的條件，并且還能進(jìn)行網(wǎng)格的自動(dòng)劃分；模擬器的主要部分是一個(gè)計(jì)算功能十分強(qiáng)大的有限元求解器；后處理器主要是將模擬的最終結(jié)果以圖形和數(shù)據(jù)的形式輸出。</p><p>　　有限元分析軟件DEFORM的使用，大大減少了設(shè)計(jì)工具和產(chǎn)品工藝的流程，減少昂貴的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成本，提高了模具設(shè)計(jì)效率，降低了生產(chǎn)和材料成本，縮短了新產(chǎn)品的研發(fā)周期。</p><p>

106、　?。ǘ〥EFORM的功能</p><p>　?。?）成形分析：①使用網(wǎng)格劃分和試點(diǎn)跟蹤可疑分析材料內(nèi)部的流動(dòng)信息及各種場(chǎng)量分布；②提供材料流動(dòng)、模具充填、成形載荷、模具應(yīng)力、纖維流向和缺陷形成等信息；③等效應(yīng)變、等效應(yīng)力、損傷值等以圖形的形式使后起處理更簡(jiǎn)單；④基于損傷因子的裂紋萌生及擴(kuò)展模型可以分析剪切、沖裁和機(jī)加工過(guò)程；⑤自我接觸條件及完美的網(wǎng)格再劃分使得在成形過(guò)程中即便形成了缺陷，模擬也可以進(jìn)行下去。&

107、lt;/p><p>　?。?）熱處理：①能處理鍛造、拉伸、擠壓、軋制、熱處理等多種塑性成形工藝；②能對(duì)模具應(yīng)力、彈性變形及破損進(jìn)行分析；③專門的材料模型用于蠕變、相變、硬度和擴(kuò)散；④分析變形、傳熱、熱處理、相變和擴(kuò)散之間復(fù)雜的相互作用 [13]。</p><p>　　輥式楔橫軋模型的建立</p><p>　　在DEFORM軟件里不能構(gòu)建三維模型，所以應(yīng)當(dāng)先在Pro/En

108、gineer建立，保存為.STL格式，再導(dǎo)入到DEMORM中進(jìn)行模擬。</p><p><b>　　幾何模型的構(gòu)建</b></p><p>　　由于Pro/Engineer的默認(rèn)坐標(biāo)系和DEFORM-3D的默認(rèn)坐標(biāo)系是相同的，所以可以將軋件、楔形模具、擋板和芯軸（分別如圖3-1、3-2、3-3、3-4所示）裝配到一起后，整體導(dǎo)入到DEFORM-3D軟件中。</p

109、><p>　　圖3-1楔形模具 圖3-2 軋件</p><p>　　圖3-3 擋板 圖3-4 芯軸</p><p>　　在Pro/E軟件中建立如圖3-1所示的幾何模型。根據(jù)幾何模型確定模具和軋件各個(gè)尺寸參數(shù)。已確定尺寸為坯料長(zhǎng)度L=45mm、坯料外徑=46mm、坯料內(nèi)徑=20mm軋件

110、軋后外徑與楔形模具底面間隙S=0.5mm、模具高度h=4mm、軋后軸端直徑d=38mm；待確定的尺寸為展寬角、成形角、斷面收縮率、楔入段長(zhǎng)度、楔入平整段長(zhǎng)度、展寬段長(zhǎng)度、精整段長(zhǎng)度。</p><p>　　由于： （3-1）</p><p>　　由上式可求得=31.8%</p><p>　　由表2-1和表2-2可知，選擇展寬

111、角=8°，成形角=30°比較合適。</p><p>　　楔入段的長(zhǎng)度： （3-2）</p><p>　　由上式可求得：=49.29mm</p><p>　　展寬段的長(zhǎng)度： （3-3）</p><p>