空心軸軋制成形數(shù)值模擬【畢業(yè)設(shè)計】

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　空心軸軋制成形數(shù)值模擬</p><p>　　所在學院 </p><p>　　專業(yè)班級 機械設(shè)計制造及其自動化

2、</p><p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘　要</b></p>&

3、lt;p>　　摘要：空心軸在汽車、拖拉機上的軸類零件中使用非常廣泛。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，楔橫軋憑借其高效、節(jié)能、節(jié)材、綠色等優(yōu)點，顯示出它獨特的優(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程，本課題應用Pro/E軟件建立三維模型，通過有限元分析軟件DEFORM-3D軟件對空心軸軋制過程進行計算機數(shù)值模擬，研究其成形機理。</p><p>　　仿真模擬完成后，對同一截面不

4、同時間的等效應力進行分析：空心軸的節(jié)點各向等效應力呈周期性變化，等效應力的極值從內(nèi)到外不斷增大。對同一時間不同截面的等效應力進行分析，歸納出其中的結(jié)論：等效應力內(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。對不同位置的損傷系數(shù)進行分析，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，楔入段內(nèi)孔附近損傷值最大。所以從損傷系數(shù)這個角度去分析，楔入段

5、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；等效應力；損傷系數(shù)</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Abstract：Hollow shaft parts are widely used in cars and tractors.After decades

6、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 process of hollow shaft rolling

7、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.</p><p>　　After simu

8、lation 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 effective stress is increasing f

9、rom 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 outer decreases gradually from we

10、dge 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</b></p><p&g

11、t;<b>　　摘　要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　目　錄III</b></p><p><b>　　1緒論1</b></p><p>　　1.1楔橫軋工藝簡介1</p><p>　　1.

12、2楔橫軋工藝發(fā)展狀況及其應用3</p><p>　　1.2.1楔橫軋工藝國外發(fā)展狀況3</p><p>　　1.2.2楔橫軋工藝國內(nèi)發(fā)展狀況3</p><p>　　1.2.3楔橫軋工藝的應用4</p><p>　　1.3選題的主要內(nèi)容和研究意義5</p><p>　　1.3.1選題的主要內(nèi)容6&

13、lt;/p><p>　　1.3.2選題的研究意義6</p><p><b>　　2楔橫軋理論7</b></p><p>　　2.1輥式楔橫軋的基本原理7</p><p>　　2.2楔橫軋模具工藝參數(shù)9</p><p>　　2.3輥式楔橫軋運動原理10</p><

14、p>　　2.4楔橫軋的旋轉(zhuǎn)條件12</p><p>　　3楔橫軋仿真模擬16</p><p>　　3.1仿真軟件DEFORM-3D的介紹16</p><p>　　3.2輥式楔橫軋模型的建立17</p><p>　　3.2.1幾何模型的構(gòu)建17</p><p>　　3.2.2物理模型的構(gòu)建1

15、9</p><p>　　3.3實驗方案設(shè)計23</p><p>　　4實驗結(jié)果分析25</p><p>　　4.1應力和應變分析25</p><p>　　4.1.1楔入段等效應力隨時間變化曲線分析25</p><p>　　4.1.2不同截面應變速率場、等效應力場分析27</p><

16、;p>　　4.2損傷系數(shù)分析31</p><p>　　4.3軋制空心件有無芯軸對比32</p><p><b>　　5結(jié)論34</b></p><p><b>　　參考文獻35</b></p><p>　　致謝錯誤!未定義書簽。</p><p><

17、b>　　緒論</b></p><p><b>　　楔橫軋工藝簡介</b></p><p>　　楔橫軋（如圖1-1所示）是一種采用無切削加工的新興技術(shù)，人們對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越成熟，在各個方面顯示出了其獨特的優(yōu)越性：改善產(chǎn)品質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率，節(jié)約原材料

18、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、拖拉機等發(fā)動機的軸類零件上廣泛應用。楔橫軋既是機械鍛壓技術(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內(nèi)外許多專家的認可。</p><p>　　圖1-1 楔橫軋工藝示意圖</p><p>　　楔橫軋工藝是指軋件在兩軋板或者兩軋輥的模具間發(fā)生連續(xù)局

19、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滑動過程中，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，在上下軋輥以相同的方向旋轉(zhuǎn)時帶動軋件向相反方向旋轉(zhuǎn)，使軋件

20、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，三個互相平行的軋輥表面上裝有相同形狀的楔形模具，三個軋輥以相同的方向旋轉(zhuǎn)時依靠楔形模具和軋件之間的摩擦力帶動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>　　1 上模板2 下模板3 楔形模具4

21、軋件 1 軋輥2 坯料3 切斷楔4 模具</p><p>　　圖1-2板式楔橫軋原理示意圖 圖1-3輥式楔橫軋原理示意圖</p><p>　　1 軋件2 變形楔3 軋輥</p><p>　　圖1-4三輥式楔橫軋原理示意圖</p><p>　　楔橫軋工藝發(fā)展狀況及其應用</p><p>　　楔橫軋

22、工藝國外發(fā)展狀況</p><p>　　20世紀60年代初，楔橫軋工藝在原捷克斯洛伐克工程師Jiri Helub的研制下首次應用于工業(yè)生產(chǎn)。兩臺全自動的楔橫軋機于1976年在蘇聯(lián)機械制造與工藝研究院研制成功。隨后，在1976年東德德累斯頓技術(shù)大學的Dietrich和Mockel研制出了單輥軋機，并對工件變形進行了調(diào)查[2]。</p><p>　　日本的團野敦、粟野泰吉也對楔橫軋進行了詳細的研

23、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。他們以研究階梯軸的楔橫軋為主，通過對軋制時測定的軋制力和軋制力矩的數(shù)據(jù)進行分析，從而得出了軋輥上的力和力矩的半經(jīng)驗公式。</p><p>　　1972年，波蘭的馬齊尼亞研制出一個WPM120專利型機，但是它的應用價值較小。80年代末，RolFlo公司設(shè)計了水平二輥楔橫軋機[3]。二十世紀末，楔橫軋機被日本三菱汽車公司用于生產(chǎn)復雜的加強軸，并已在市場上銷

24、售，在國外，用楔橫軋生產(chǎn)的產(chǎn)品廣泛應用于電機軸、汽車變速箱二軸等，產(chǎn)品的直徑范圍為6~150mm，長度范圍為30~900mm。楔橫軋應用十分廣泛，在生產(chǎn)零件毛坯，模鍛件制坯，無切屑的精軋中都可以應用。楔橫軋工藝主要采用熱軋，冷軋主要在生產(chǎn)小直徑產(chǎn)品時使用。</p><p>　　楔橫軋工藝國內(nèi)發(fā)展狀況</p><p>　　我國在楔橫軋上起步并不晚，早在上世紀60年代初，重慶大學、清華大學、東

25、北大學等單位就對楔橫軋工藝進行研究，并取得了許多理論與實際成果，但未能實現(xiàn)工業(yè)上的廣泛應用[4]。</p><p>　　1963年，我國楔橫軋工藝首先在重慶大學的汽車球銷的研究中獲得初步成功，這是我國楔橫軋工藝的最早試驗。70年代初，原東北大學在實驗室試軋出火車D軸的模擬件，但是由于使用的三輥軋機的成本太高，所以未能應用于大批量生產(chǎn)。</p><p>　　70年代中期，單輥弧形式楔橫軋軋制

26、鯉魚鉗毛坯的新工藝在上海鍛壓機床三廠研制成功。這是我國最早將楔橫軋應用于生產(chǎn)的工藝，并且取得了良好的經(jīng)濟效益，這對我國楔橫軋應用于實際生產(chǎn)具有劃時代的意義。但由于單輥弧形式楔橫軋模具制造非常困難、調(diào)整工藝非常復雜，所以在推廣單輥弧形式楔橫軋時遇到了極大的阻礙。</p><p>　　70年代初，現(xiàn)北京科技大學的前身北京鋼鐵學院在楔橫軋技術(shù)的研究中取得了豐碩的成果，幫助工廠建立40余條楔橫軋生產(chǎn)線，并開發(fā)出了汽車、拖

27、拉機等發(fā)動機的軸類零件130多種，取得了良好的經(jīng)濟效益。由于其研究成果豐碩、經(jīng)濟效率良好，被國家科委列入到《中華人民共和國重大科技成果（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)的研究與應用方面做出了貢獻的還有機械工業(yè)部北京機電研究所。他們在精密鍛件的生產(chǎn)體系中應用楔橫軋工藝，充分發(fā)揮了楔橫軋工藝高效精確的特點，使得精確成形的毛坯體積分配更

28、加合理、形狀尺寸更加精確，也增大了楔橫軋應用的范圍。</p><p>　　吉林工業(yè)大學應用電測法對空心件楔橫軋變形載荷進行了研究，根據(jù)實驗測得的數(shù)據(jù)，得出不同工藝參數(shù)對塵世的變形載荷的影響規(guī)律。后來，他們在分析空心件楔橫軋軸向和徑向的變形特點的基礎(chǔ)上，首次提出了采用上限法模型進行空心軸楔橫軋，并通過上限法模型分析得出了空心件楔橫軋工藝參數(shù)對軋件壁厚的影響規(guī)律，也完善了預測楔橫軋空心軸壁厚變化的方法。</p&

29、gt;<p>　　我國現(xiàn)已成為世界上生產(chǎn)楔橫軋產(chǎn)品最多的國家之一。通過幾十年的研究、實踐，我國楔橫軋的設(shè)備處于世界先進水平，楔橫軋的工藝得到了很大的提高 [5]。隨著我國經(jīng)濟的飛速發(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>　　楔橫軋工藝的應用</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)

30、點：</p><p>　　（1）生產(chǎn)效率高。每分鐘可以軋制10~30個工件，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的材料超過40%，而在應用楔橫軋工藝加工中利用率達90%以上，浪費的材料不足10%。</p><p>　?。?）產(chǎn)品質(zhì)量好。用楔橫軋工藝生產(chǎn)，能進一步細化軋件的晶粒，所以楔橫軋產(chǎn)品體現(xiàn)出來的力

31、學性能比傳統(tǒng)方法加工出來的零件好。</p><p>　?。?）工作環(huán)境好。由于楔橫軋軋制過程中無沖擊，噪音小，大大改善了工作環(huán)境。</p><p>　?。?）自動化程度高。楔橫軋軋件從軋制、表面精加工都是由機器自動完成，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)濟合理，主要地要從下述幾個方面來看：工件的形狀

32、、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心的，空心的工件對工藝參數(shù)的要求較高。楔橫軋毛坯的金屬分布和重量都比較精確，若再進一步模鍛成形，就可以獲得所需要的斷面。</p><p>

33、　　圖1-5 適用于楔橫軋工藝的零件</p><p>　　（2）工件精度　與其它熱鍛方法相比，楔橫軋工藝能獲得相當高的尺寸精度：直徑公差為±0.1~±0.2mm，長度公差約為±0.5mm（當工件長度約為100~300mm時）。</p><p>　?。?）工件材料　可以用來鍛造的材料在鍛造溫度的范圍內(nèi)都可以用楔橫軋來進行軋制，其中主要的材料是鋼，各種滲炭鋼、炭鋼

34、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行熱楔橫軋工藝時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</p><p>&

35、lt;b>　　選題的主要內(nèi)容</b></p><p>　　課題研究對象為空心軸類件的楔橫軋成形過程及參數(shù)控制，研究空心軸軋制成形原理，運用Pro/E軟件建立三維模型，應用有限元數(shù)值分析軟件DEFORM軟件，對空心軸軋制成形過程進行計算機數(shù)值模擬，研究其成形機理。研究的主要內(nèi)容為以下四方面：</p><p>　　（1）研究空心軸軋制成形的原理。借助裝有楔形模具的上下軋輥，在

36、上下軋輥以相同的方向旋轉(zhuǎn)時帶動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、芯軸等的三維實體模型。</p><p>　　（3）導入三維模型，確定物理模型，應用DEFORM軟件建立數(shù)值仿真模型，研究空心軸軋制變形機理。物理模型構(gòu)造是否合理直接影響著計算效率、求解精度，所以，在建

37、立物理模型時，要考慮全面，按照機械理論，經(jīng)過多次的試算、不斷優(yōu)化，最終得到一個參數(shù)正確而又高效的物理模型。</p><p>　　（4）分析在空心軸各個截面在楔橫軋過程中等效應力、應變的變化情況。</p><p><b>　　選題的研究意義</b></p><p>　　實心軸在用作傳動軸時，其中心部分的材料并沒有發(fā)揮出應有的作用[6]。傳動軸的受

38、力特點是：在垂直于軸線的兩個平面內(nèi)受一對大小相等、方向相反的力偶作用，軸的各橫截面都繞軸線作相對轉(zhuǎn)動。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象不僅適用性強，還滿足建設(shè)節(jié)約型社會的要求。</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于實際的生產(chǎn)操作能夠縮短模具和產(chǎn)品的設(shè)計周期，

39、提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，所以運用有限元數(shù)值分析軟件DEFORM對空心軸軋制成形過程進行計算機數(shù)值模擬，研究其成形機理，對推廣楔橫軋工藝具有重要的現(xiàn)實意義。</p><p>　　采用DEFORM軟件模擬分析了實心件的楔橫軋過程，得到軋件內(nèi)部的應力應變場信息，不同工藝參數(shù)對應力應變的影響，對于認識楔橫軋過程中材料的流動規(guī)律，優(yōu)化模具參數(shù)設(shè)計提供了理論依據(jù)和設(shè)計指導，從而縮短了設(shè)計模具的周期，大大提高了勞動生產(chǎn)效

40、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)值模擬過程中，特別是三維變形模擬中，為了簡化模具造型，通常采用板式楔橫軋進行分析計算。</p><p>　　楔橫軋模具按是否對稱通常可分為兩大類：對稱軸模具和

41、非對稱軸模具。如果軸的軸線上存在對稱軸的則稱為對稱軸類件，否則為非對稱軸類件。對稱軸類件的模具上的孔型的主要特點是：軋板上楔形模具也是關(guān)于對稱軸對稱的 [7]。本課題楔橫軋模具設(shè)計主要是關(guān)于對稱軸的。</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>　　圖2-1 楔橫軋模具示意圖</p&g

42、t;<p>　?。?）楔入段（A-B段）</p><p>　　楔入段模具按照阿基米德螺旋線來設(shè)計楔尖高度，由頂端從零開始逐漸增至楔頂高h處。能夠順利實現(xiàn)軋件的切入并帶動軋件旋轉(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：</p><p><b>　?。?-1）</b></p

43、><p>　　式中：為上模板與軋件之間的距離，其值一般為0.3~2mm。實驗中，為了避免楔入時發(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>　　楔入段長度： （2-3）</p><p&g

44、t;　?。?）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不再增加。將軋件的整個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>　　楔入平整段長度： （2-4）</p><p><b

45、>　　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半圈以上。</p><p>　?。?）展寬段（C-D段）</p><p>　　展寬段模具的楔頂高h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)計非常重要，軋件在這段的形狀如圖2-1的3-3截

46、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>　　展寬段長度的計算如下：</p><p><b>　　（2-5）</b></p><p>　　式中：——軋件的軋細長度</p><p>　　楔橫軋在各個區(qū)域的軋制力和軋制

47、力矩上是變化的，軋制力與力矩在展寬段上是最大的，遠遠大于其他區(qū)域。</p><p>　　（4）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，表面粗糙度也會得到優(yōu)化，達到合格產(chǎn)品的要求。如圖2-1所示的4-4截面為精整段的形狀。&

48、lt;/p><p>　　精整段的長度為： （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半圈以上。</p><p>　　（5）剪切段（E-F）</p><p>　　在軋制完成后通過剪切段可以將軋件切斷。通過改變切刀的位置，可以把軋件切成不同形狀，切刀

49、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。為了延長切刀的使用壽命，大多數(shù)先把切刀單獨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>　?。?）軋件的斷面收縮率</p><p>　　斷面收縮率對空心軸楔橫軋是否成功的關(guān)系很大，是楔橫軋模具的幾個最主要的工藝參數(shù)之一。其數(shù)值為軋件

50、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>　　（2-7）</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題，通常要把楔橫軋軋件的斷面收縮率控制在80%以下。如果一些特殊的軸類件產(chǎn)品斷面收縮率

51、超過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80%。</p><p>　　需要注意的是，斷面收縮率過小時，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，而且會使軋件更容易產(chǎn)生疏松等各種缺陷。因為過小時，金屬徑向發(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，從而使得軋件表面產(chǎn)生疏松，中心產(chǎn)生缺陷[8]。

52、在軋制斷面收縮率較小的軋件時，可以選擇相對較大的成形角和較小的展寬角。</p><p>　　軋制一般的軋件時，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)，用較大展寬角進行軋制得到的效果會更好。</p><p><b>　?。?）模具的成形角</b></p><p>　　成形角是楔橫軋楔形模具的幾個最主要的工藝

53、參數(shù)之一，對軋制后軋件的質(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，成形角也應該選擇不同的數(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></p><p>　　展寬角也

54、是楔橫軋模具設(shè)計中重要的工藝參數(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，應該選擇較小的展寬角；當斷面收縮率很小時時，也應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><p><b&g

55、t;　　輥式楔橫軋運動原理</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)時帶動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，一般把楔形模具被看作剛體，設(shè)軋件上各點的角速度為，軋輥上各點的角速度為，軋件上線速度為，軋輥上線速度為。楔形模具的角速度一定，各點的線速度隨模具各點半徑

56、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>　?。?）由機械原理的知識可知在軋件上一定存在一個K點，使得軋輥的圓周速度和軋件的圓周線速度相同， K點處軋輥與軋件沒有相對滑動，即：</p><p>

57、;<b>　?。?-8）</b></p><p>　?。?）由圖2-2可知：在KB段，軋輥和軋件之間會發(fā)生相對滑動，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：</p><p><b

58、>　?。?-10）</b></p><p>　　（3）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產(chǎn)生相對滑動。圓周速度差最大處是在A處，其速度差（即相對滑動速度）為：</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　由（2-8）和（2-11）可以得出：</p>

59、<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滑動，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滑動速度：</p><p><b>　

60、　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。板式楔橫軋的運動模型簡圖如圖2-3所示：</p><p>　　圖2-3 板式楔橫軋運動簡圖</p><p>　　板式楔橫軋的軋件受到上下

61、兩個方向相反的軋制力P和左右兩個方向相反的摩擦力T的共同作用 [9]。在軋制進行時，兩個軋制力P組成的力偶矩小于兩個摩擦力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獛靷惸Σ料禂?shù)） （2-13）</p><p>　　楔橫軋軋件旋轉(zhuǎn)的條件是T力組成的力偶

62、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><b>　?。?-15）</b&g

63、t;</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（2-16）整理后可得： （2-17）</p&

64、gt;<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為兩個楔形模具之間的距離。</p><p>　　分析上述公式后，設(shè)相對壓縮量為，并代到（2-17），得：</p><p><b>　?。?-18）</b><

65、/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，軋件很容易會發(fā)生打滑現(xiàn)象，所以應該在適當?shù)姆秶鷥?nèi)盡可能的增大摩擦系數(shù)。同時，在軋制過程中，必須把k值保持在一個范圍之內(nèi)，因為當k值過大時，必須大幅度的提高的數(shù)值，這會大大增大對設(shè)備的要求。<

66、;/p><p>　　由式（2-17）可以看出，壓縮量對楔橫軋軋件的旋轉(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行，軋件從1軋到2這個過程中軋件整體沒有滑動。</

67、p><p>　　圖2-5 板式楔橫軋截面圖</p><p>　　軋件軋制半周所走過的展開長度： （2-19）</p><p>　　軋件的展寬量： （2-20） </p><p>　　壓縮量沿軋件的對稱軸向兩邊逐漸減小。如上圖2-5所示，壓縮量在A’D’CB區(qū)域達

68、到最大值，其值為：；在D’DC區(qū)域中，在D點處取得最小值。最小值。在D’點處取得最大值，最大值；設(shè)為D和任意所求點之間的距離，則任外一點的壓縮量；是AA’B區(qū)域中的A點到所求之點的距離。將代入到（2-17）中，整理后得旋轉(zhuǎn)條件的表達式：</p><p><b>　?。?-21）</b></p><p>　　其中，在A’D’段為1；在AA’段為；在DD’段為。</

69、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80年代，在基金會的大力資助下，Battelle Columbus實驗室開發(fā)出了剛塑性和剛粘塑性都可以使用的有限元計算成形軟件ALPID。該軟件只需人工設(shè)置邊界條件和模具的參數(shù)就會產(chǎn)生原始的速場，并且還能夠觀看到中間軋制

70、過程中軋件變形的過程 [10]。由于這是新發(fā)明的軟件，該軟件在實際生產(chǎn)中的實用性不是很強，它不具備網(wǎng)格的重劃分功能，這就大大增加了模擬的時間，降低了工作效率，而且該軟件只能模擬一般比較簡單的軸對稱模型。為了增加ALPID的功能，針對在實際應用中的各個缺點，研發(fā)人員逐漸增加了該模擬軟件的各個功能。經(jīng)過科研人員十多年的努力，美國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軟件DEFORM [11]。本課題正是應用有

71、限元分析軟件DEFORM對空心軸楔橫軋進行模擬，分析空心軸楔橫軋的規(guī)律。下面對DEFORM的結(jié)構(gòu)和功能作簡要的介紹：</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]。前處理器用來輸入模具和坯料形狀的信息和輸入溫度等

72、軋制的條件，并且還能進行網(wǎng)格的自動劃分；模擬器的主要部分是一個計算功能十分強大的有限元求解器；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)計工具和產(chǎn)品工藝的流程，減少昂貴的現(xiàn)場試驗成本，提高了模具設(shè)計效率，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>　?。ǘ〥EFORM的功能</p&g

73、t;<p>　　（1）成形分析：①使用網(wǎng)格劃分和試點跟蹤可疑分析材料內(nèi)部的流動信息及各種場量分布；②提供材料流動、模具充填、成形載荷、模具應力、纖維流向和缺陷形成等信息；③等效應變、等效應力、損傷值等以圖形的形式使后起處理更簡單；④基于損傷因子的裂紋萌生及擴展模型可以分析剪切、沖裁和機加工過程；⑤自我接觸條件及完美的網(wǎng)格再劃分使得在成形過程中即便形成了缺陷，模擬也可以進行下去。</p><p>　　

74、（2）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能對模具應力、彈性變形及破損進行分析；③專門的材料模型用于蠕變、相變、硬度和擴散；④分析變形、傳熱、熱處理、相變和擴散之間復雜的相互作用 [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，所以應當先在Pro/Engineer建立，保存為.STL格式，再導入

75、到DEMORM中進行模擬。</p><p><b>　　幾何模型的構(gòu)建</b></p><p>　　由于Pro/Engineer的默認坐標系和DEFORM-3D的默認坐標系是相同的，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，整體導入到DEFORM-3D軟件中。</p><p>　　圖3-1楔

76、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尺寸參數(shù)。已確定尺寸為坯料長度L=45mm、坯料外徑=46mm、坯料內(nèi)徑=20mm軋件軋后外徑與楔形模具底面間隙S=0.5mm、模

77、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、楔入段長度、楔入平整段長度、展寬段長度、精整段長度。</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，選擇展寬角=8°，成形角=30°

78、比較合適。</p><p>　　楔入段的長度： （3-2）</p><p>　　由上式可求得：=49.29mm</p><p>　　展寬段的長度： （3-3）</p><p>　　由上式可求得：=320.19mm<

79、/p><p>　　精整段的長度： （3-4）</p><p>　　由上式可求得：=86.66mm</p><p>　　所以楔形模具長度為：</p><p>　　設(shè)定軋輥的直徑為320mm，則軋輥的角度為：</p><p>　　軋輥的厚度設(shè)定為15mm，軋輥的寬

80、度為80mm，長度和楔的長度相同，設(shè)定為456.14mm。軋輥的寬度必須大于軋件軋細后的長度，否則料頭會從軋輥的邊緣處露出來，影響軋件的質(zhì)量。</p><p>　　擋板的工藝參數(shù)設(shè)定為：長80mm，寬30mm，高10mm。值得注意的是：擋板的寬度必須小于軋件軋細后的直徑，否則軋輥會碰到擋板，使擋板發(fā)生變形，失去固定作用，從而使得模擬進行不下去；擋板的長度必須大于軋件軋細后的長度，否則軋件的料頭會從擋板邊緣處露出來

81、。</p><p>　　芯軸的工藝參數(shù)設(shè)定為：直徑20mm，高80mm。值得注意的是軸心的直徑必須小于軋件內(nèi)孔的大小。</p><p>　　建立好模型后，把模型保存副本為.STL格式，然后導入DEFORM-3D中。</p><p><b>　　物理模型的構(gòu)建</b></p><p>　　在Pro/E中把軋件、楔形模具、擋

82、板、芯軸的模型構(gòu)造完成以后，保存為.STL格式再把.STL格式的模型導入DEFORM-3D軟件中，然后就可以開始確定物理模型。物理模型構(gòu)造是否合理對實驗的結(jié)果影響很大，直接影響著計算效率、求解精度甚至實驗的成果與否。所以，在建立物理模型時，要考慮全面，不僅要設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)，還要根據(jù)計算機的性能設(shè)計合理的參數(shù)，按照機械理論，經(jīng)過多次的試算、不斷優(yōu)化，最終得到一個參數(shù)正確而又高效的物理模型 [14]。</p><p>

83、;<b>　?。?）導入模型</b></p><p>　　把先前在Pro/E中畫好的軋件、模具、擋板和芯軸根據(jù)要求導入到DEFORM-3D中，得到如圖3-5所示的模型。</p><p>　　圖3-5 導入的楔橫軋模型</p><p><b>　　（2）單元類型選取</b></p><p>　　在DE

84、FORM中，有限元程序按照定義過的單元類型進行實際網(wǎng)格劃分。合理地選擇單元的類型，對于模擬的結(jié)果又著很大的影響。在選擇單元類型時要具體問題具體分析，根據(jù)情況選擇合適的單元類型；在能夠保證求解精度的前提下，盡量選擇面數(shù)較少的單元類型，這樣能夠提高模擬想效率。</p><p>　　常用的單元類型主要有兩種：四節(jié)點四面體單元、八節(jié)點六面體單元。雖然四面體單元存在著計算精度低的問題，但是在單元數(shù)量一定時，它比用六面體單元

85、節(jié)省25%的計算時間，而且通常情況下仍能得到比較準確的結(jié)果。所以，我們在模擬中通常采用四面體單元進行網(wǎng)格的劃分。</p><p><b>　?。?）網(wǎng)格劃分</b></p><p>　　在模擬之前，必須對坯料進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分的質(zhì)量對模擬的結(jié)果和效率有著重要的影響。一般情況下，網(wǎng)格劃分得越多，模擬結(jié)果的精度就越高，但是模擬的時間也會大幅度增加，所以，必須權(quán)衡利弊，

86、劃分適當?shù)木W(wǎng)格，在保證精度的情況下，使效率達到最快。在網(wǎng)格劃分較少時，增加網(wǎng)格的數(shù)量能大幅度提高模擬結(jié)果的精度，而模擬是時間增加不明顯；反之，在網(wǎng)格劃分已經(jīng)比較大時，再增加網(wǎng)格劃分，則模擬結(jié)果的精度提高不太明顯，而模擬時間則大大增加。因為模具采用剛性材料，所以不需要對模具進行網(wǎng)格劃分 [15]。DEFORM的計算過程是基于節(jié)點的，網(wǎng)格越細，每個節(jié)點之間的梯度變化就不會很大，當變量梯度較大，網(wǎng)格密度又較低時，那么變量的峰值就有可能被計算機

87、所忽略。DEFORM中是具有網(wǎng)格重劃分功能的，當先前的網(wǎng)格劃分的比較粗糙，系統(tǒng)計算過程中重劃分網(wǎng)格時是基于先前的網(wǎng)格，那么重劃分后的網(wǎng)格與先前的網(wǎng)格之間就有一個值的傳遞，以保證求解過程的連續(xù)性，這個過程就好像曲線擬合一樣，更準確的講就是插值擬合，網(wǎng)格劃分的好，節(jié)點之間的變化不是太大，那么擬合就會較好，這樣模擬的誤差就小些，相對來說網(wǎng)格細一點最后的模擬結(jié)果相對更精確些，當然，</p><p>　　圖3-6 進行劃分

88、網(wǎng)格后的軋件</p><p>　　（4）模型材料的確定</p><p>　　在實際楔橫軋中，擋板和楔形模具幾乎不發(fā)生形變，所以將模具當做剛體，不對模具進行網(wǎng)格劃分；又為了提高模擬的效率，縮短模擬的時間，故采用四節(jié)點四面體實體單元模型，軋件材料采用45#鋼，其密度為7801.4kg/,泊松比為0.292，彈性模量為207Mpa。</p><p>　?。?）接觸和摩擦定

89、義</p><p>　　在有限元分析軟件DEFORM-3D中，接觸類型主要有三種方式：點面接觸、線面接觸、面面接觸。一般在楔橫軋軋制成形過程中用剪切摩擦和庫侖摩擦來描述接觸表面上的摩擦力。</p><p>　　庫侖摩擦力的定義：如果坯料和模具之間的摩擦力和接觸面上的正壓力成正比，則把這種摩擦稱為庫侖摩擦力，即：</p><p><b>　　（3-5）<

90、;/b></p><p>　　上式中，T——庫侖摩擦力，——摩擦系數(shù)，——正壓力。</p><p>　　剪切摩擦力的定義：坯料與模具的摩擦切應力和坯料的剪切屈服強度成正比，則把這種摩擦切應力稱為剪切摩擦力，其數(shù)學表達式為：</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　上式中，——摩擦切應力，

91、m——摩擦系數(shù)，K——剪切屈服強度。</p><p>　　空心軸楔橫軋是在高溫下軋制的，坯料和模具之間的摩擦力和接觸面上的正壓力不成正比，用剪切摩擦來計算比較符合條件。把用剪切摩擦力計算來建立的摩擦模型稱為剪切摩擦模型。在建立模型的過程中，摩擦系數(shù)的大小對建立的模型是否合理有著重要的影響。如果摩擦系數(shù)太小，可能會使坯料在模具之間發(fā)生打滑；反之，會使坯料上各個位置受力不平衡，使軋件容易出現(xiàn)裂紋、疏松等損傷。由于軋件

92、與楔形模具的接觸面比較大，又是在高溫下進行軋制，所以采用全摩擦條件，即。設(shè)定上模與軋件的摩擦系數(shù)為2，下模與軋件的摩擦系數(shù)為2，擋板、芯軸與軋件的摩擦系數(shù)均為0，在DEFORM-3D中作如圖3-7所示設(shè)置。</p><p>　　圖3-7 摩擦系數(shù)設(shè)置圖</p><p><b>　?。?）約束定義</b></p><p>　　在空心軸楔橫軋過程中

93、，楔形模具繞軋輥的圓心作圓周運動，軋件在軋輥之間作無滑動的旋轉(zhuǎn)運動。為了使楔形模具只發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動，在上、下軋輥均需要加X，Y軸方向的轉(zhuǎn)動約束，Z方向的位移約束。在軋件沒有受到約束時，軋件主要是通過模具在運動時對其施加的軋制力和摩擦力來實現(xiàn)的。本次模擬的是對稱空心軸的楔橫軋，只要對一半的空心軸進行模擬即可，所以在軋件的中心對稱面上要添加邊界約束。在DEFORM-3D中對對稱面添加約束后，該面會呈現(xiàn)紅點，如圖3-8所示，然后再選擇添加即可。

94、</p><p>　　圖3-8 添加對稱面后對稱面示意圖</p><p><b>　　實驗方案設(shè)計</b></p><p>　　本仿真實驗的工藝參數(shù)如下：軋輥的角速度，成形角，展寬角=8°，楔入段，展寬段=320.19mm，精整段=86.66mm?？招妮S毛坯外徑=46mm，軋細外徑d=38mm，內(nèi)徑=20mm，長度L=45mm，斷面收

95、縮率=31.8%，軋輥的角度為163.4°，軋制溫度T=1050℃。本實驗的技術(shù)路線如圖3-9所示：</p><p>　　圖3-9 技術(shù)路線圖</p><p>　　仿真模擬完成后，分別對同一截面不同時間的等效應力、應變和同一時間不同截面的等效應力、應變進行分析，歸納出其中的結(jié)論；再分析不同截面的損傷系數(shù)之間的規(guī)律。</p><p><b>　　實

96、驗結(jié)果分析</b></p><p><b>　　應力和應變分析</b></p><p>　　為了對變形過程中金屬各個部分的流動狀況進行描述，在軋件的不同位置分別截取幾個平面進行分析。在模具的楔入段、展寬段所對應的軋件橫截面以及料頭對應的自由段橫截面上截取3個平面，如圖4-1所示，其中楔入段截面在x=0處，展寬段截面在x=10處，自由段截面在x=35處，并在

97、橫截面上取出如圖4-1所示的5個節(jié)點，在楔橫軋的過程中，分析其節(jié)點的等效應力、應變等的變化情況。模擬過程中X為圓柱坐標系的徑向，Y為圓柱坐標系的軸向，Z為圓柱坐標系的切向。</p><p>　　圖4-1 節(jié)點、截面示意圖</p><p>　　楔入段等效應力隨時間變化曲線分析</p><p>　?。╝）等效應力 （b）軸向

98、應力</p><p>　?。╟）徑向應力 （d）切向應力</p><p>　　（e）XY面切應力 （f）YZ面切應力</p><p>　?。╣）ZX向切向應力</p><p>　　圖4-2 節(jié)點應力變化示意圖</p><p>　　楔入段截面上

99、所取的5個節(jié)點隨軋制過程的等效應力變化趨勢如圖4-2（a）所示，由圖可以看出，等效應力的波峰波谷呈現(xiàn)交替出現(xiàn)，等效應力達到最大值出現(xiàn)在t=1.408s時。在整個軋制過程中，波峰與波峰之間的時間間隔都和軋件的旋轉(zhuǎn)周期相似，由此可知，軋件和模具接觸的部分的等效應力達到極值，所以等效應力的極值是呈現(xiàn)周期性變化的。軸向應力的變化也有相似的地方，如上圖4-2（b）所示為軸向應力的變化曲線，軸向應力的波峰波谷呈現(xiàn)交替出現(xiàn)，也呈周期性變化，該周期為軋

100、件的旋轉(zhuǎn)周期，但是也有和等效應力不同的地方，當節(jié)點和模具相接觸時，空心軸外部的節(jié)點軸向應力在波谷，即空心軸外部的壓應力達到最大值，空心軸內(nèi)部節(jié)點的軸向應力達到波峰，即空心軸內(nèi)部的拉應力達到最大值；軋件每轉(zhuǎn)過四分之一圈，波谷和波峰就會發(fā)生一次變換。徑向應力和切向應力，如圖4-2（c、d）所示也呈現(xiàn)和等效應力相似的周期性變化，當節(jié)點和模具接觸時，空心軸外部的節(jié)點軸向應力在波谷，即空心軸外部壓應力達到最大值，空心軸內(nèi)部節(jié)點的軸向應力達到波峰，

101、即空心軸內(nèi)部的拉應力達到最大值。xy，yz，zx平面切應力變化曲線如圖4-2（e、f、g）所示，同樣具有周期</p><p>　　同理可知：在展寬段和自由段上的等效應力、軸向應力、徑向應力、切向應力和楔入段一樣具有周期性。</p><p>　　不同截面應變速率場、等效應力場分析</p><p>　?。╝）楔入段 　 （b）

102、展寬段</p><p><b>　?。╟）自由段</b></p><p>　　圖4-3 不同截面等效應力曲線</p><p>　　如上圖4-3所示，（a）為楔入段x=0mm處的截面上5個節(jié)點在軋制變形過程中等效應力的變化曲線，（b）為展寬段橫x=10mm的截面等效應力的變化曲線，（c）為自由段x=35mm處的截面等效應力的變化曲線， 5個節(jié)點處

103、的等效應力的極值都呈現(xiàn)周期性變化。在同一時刻，等效應力從楔入段、展寬段、自由段不斷減?。粌?nèi)外層等效應力的差異也從楔入段、展寬段、自由段不斷減小。在自由段，軋件不和楔形模具相接觸，所以等效應力的極值比楔入段，展寬段都要小。利用這個結(jié)論我們可以找出在整個軋制過程中空心軸上的最大等效應力值，如果在軋制過程中最大等效應力值比材料的抗拉強度大，軋件就會被拉裂。</p><p>　?。╝）楔入段

104、 （b）展寬段</p><p><b>　?。╟）自由段</b></p><p>　　圖4-4 不同截面等效應變速率曲線</p><p>　　如上圖4-4所示，（a）為楔入段x=0mm處的截面上5個節(jié)點在軋制變形過程中等效應變速率的變化曲線，（b）為展寬段橫x=10mm的截面等效應變速率的變化曲線，（c）為自由段x=35mm

105、處的截面等效應變速率的變化曲線。等效應變速率曲線與等效應力曲線十分相似，等效應力的變化規(guī)律由等效應變速率決定。在軋制過程中，溫度一直保持在1050℃左右，溫差相對都比較小，所以忽略溫度帶來的影響，而把應變速率當做影響等效應力的主要因素。圖4-4（a、b、c）中的波峰波谷分別與圖4-3（a、b、c）中的波峰波谷對應，所以應變速率的大小也能反映等效應力的大小。</p><p>　　屈服極限由等效應變速率所決定，進而影

106、響著軋件的等效應變，而應變速率由軋件的工藝參數(shù)所決定。綜上所述，工藝參數(shù)經(jīng)過控制應變速率快慢，來決定軋件的等效應力的大小。</p><p>　　下圖4-5所示為橫截面上的等效應變分布圖，由圖可以看出，截面外圈和內(nèi)圈附近顏色比較淺，所以等效應變在截面上呈現(xiàn)近似圓環(huán)分布，其中外圈和內(nèi)圈兩個區(qū)域附近等效應變高于中間區(qū)域的等效應變，因此空心軸上的等效應變是從內(nèi)帶外是先變小后變大的，所以空心軸外壁和內(nèi)壁的變形程度比中間部分

107、大的多。</p><p>　　圖4-5 橫截面等效應變分布圖</p><p>　　下圖4-6所示位等效應變在縱截面上的分布圖，由圖可知，從楔入段、展寬段、自由段，沿著軸向方向，等效應變由大變小并逐漸減小為零；并且從內(nèi)壁開始，隨著半徑的不斷增大，等效應變先減小后增大，這和橫截面上得出的等效應變規(guī)律相同。</p><p>　　圖4-6 縱截面等效應變分布圖</p&

108、gt;<p><b>　　損傷系數(shù)分析</b></p><p>　　圖4-7所示是軋制結(jié)束后，軋件橫截面和縱截面上損傷系數(shù)的分布云圖。由4-7（a）可以看出，截面外圈和內(nèi)圈附近顏色比較淺，所以損傷系數(shù)在截面上呈現(xiàn)近似圓環(huán)分布，其中空心軸外部和內(nèi)部兩個區(qū)域附近損傷系數(shù)高于中間區(qū)域的損傷系數(shù)，外壁和內(nèi)孔處的損傷系數(shù)比較大，說明這兩處比較容易產(chǎn)生缺陷。圖4-7（b）可知，跟模具接觸的

109、軋制區(qū)的損傷系數(shù)比自由段大，而在自由段，損傷系數(shù)接近于0，即從楔入段沿著軸向方向，損傷系數(shù)減小為0；并且從內(nèi)壁開始，隨著半徑的不斷增大，損傷系數(shù)先減小后增大，這和橫截面上得出的等效應變規(guī)律相同。</p><p>　?。╝）橫截面 （b）縱截面</p><p>　　圖4-7 損傷系數(shù)分布圖</p><p>　　下圖4-8

110、所示是在不同截面上各節(jié)點的損傷系數(shù)大小和軋制時間之間的關(guān)系。隨著軋制時間的增加，損傷系數(shù)也逐漸變大。等到軋制結(jié)束時，楔入段損傷系數(shù)最小為0.807，展寬段損傷系數(shù)最小為0.69，自由段損傷系數(shù)最小為0.138，各個截面之間的損傷系數(shù)：楔入段大于展寬段，展寬段大于自由段。由于對稱面的損失系數(shù)最大，因此只要對稱面的損傷系數(shù)在要求范圍內(nèi)即可，所以控制此處的變形量就可保證軋件的質(zhì)量。圖4-8（a）所示為楔入段截面上損傷系數(shù)的變化，空心軸內(nèi)孔處的

111、損傷系數(shù)最大，其次是外部的損傷系數(shù)，中間區(qū)域的損傷系數(shù)最小。而在4-8（b）中展寬段截面上損傷系數(shù)變化，也是內(nèi)孔損傷系數(shù)大于外部大于中間區(qū)域，但這種差異性正在變小。自由段的損傷系數(shù)如圖4-8（c）所示，損傷系數(shù)的變化可以忽略不計。</p><p>　　綜上所述，楔入段內(nèi)孔附近損傷系數(shù)最大，也最容易產(chǎn)生缺陷。</p><p>　?。╝）楔入段

112、 （b）展寬段</p><p><b>　?。╟）自由段</b></p><p>　　圖4-8 不同截面上損傷系數(shù)</p><p>　　軋制空心件有無芯軸對比</p><p>　　空心軸的軋制可以使用芯軸也可以不使用芯軸，那么使用芯軸與否對軋制的結(jié)果會造成什么影響？有無芯軸軋制空心軸的損傷值如圖4-9和4-10所示。由圖