轴类零件楔横轧三维数值模拟

第37卷第3期2011年3月北京工业大学学报JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGYVol．37No．3Mar．2011轴类零件楔横轧三维数值模拟王南，张庆恒，张乃伟，岳龙山(河北工程大学机电学院，河北邯郸056038)摘要:利用Pro /E 建立楔横轧模具和轧件的三维参数化模型，将其导入ANSYS /LS-DYNA 有限元软件中，建立楔横轧轧制阶梯轴的有限元模型，对轴类零件楔横轧成形过程进行了三维数值模拟，得到轴类零件轧制过程中轧件内部的应变场、轧件表面变形形状等信息，为研究其他零件的轧制成形机理及变形规律提供了参考和理论依据．关键词:楔横轧;轴类零件;有限元;ANSYS /LS-DYNA 中图分类号:TG 355.19文献标志码:A 文章编号:0254－0037(2011)03－0330－05收稿日期:2009-05-26．作者简介:王南(1957—)，男，河北昌黎人，教授．随着我国汽车工业的快速发展，轴类零件的需求与日俱增，传统的机加工、铸造、锻造等轴类零件生产方法已不能适应当前汽车对轴类零件发展的要求［1］．楔横轧作为一种先进的轴类零件成形方法，被广泛地应用于轴类零件的生产过程中．零件轧制属于复杂的三维非线性塑性成形过程，准确获得轧件上每一点的应力、应变与金属流动规律，对认识零件成形规律、了解缺陷产生的原因具有重要的意义［2-4］．本文采用三维参数化软件Pro /E 建立零件轧坯与轧辊的三维实体模型，通过Pro /E 和ANSYS /LS-DYNA 的接口将三维实体模型导入三维非线性有限元分析软件ANSYS /LS-DYNA 中，合理确定材料特性参数、接触条件、各种约束条件及载荷，建立零件轧坯与楔形轧辊的三维有限元模型，进行动态数字仿真，通过ANSYS /LS-DYNA 软件的后处理功能得到轧件内部的应力、应变云图，分析金属的流动规律．1有限元模型的建立图1模具和轧件的有限元模型Fig．1The finite element model of mold and workpiece首先根据轧件特征参数设计模具，选择合理的成形角、展宽角等工艺参数，完成模具设计，然后利用Pro /E 建立楔横轧模具和轧件的三维参数化模型，将其导入ANSYS /LS-DYNA 中，建立楔横轧三维非线性有限元模型．建立的模具和轧件的有限元模型如图1所示．为了得到变形过程比较真实的描述，建立有限元模型过程时做如下假设［5-9］:1)轧辊与模具为刚体，采用刚性壳单元(shell163)对模具进行网格划分，轧辊的弹性模量E =210GPa ，密度ρ=7.82t /m 3，泊松比μ=0.3，轧辊轴线完全约束，两轧辊施以相同方向的旋转载荷．2)轧件为多段线性弹塑性材料模型，输入与应变率相关的应力－应变曲线，采用8节点实体单元(solid 164)进行网格划分，轧件弹性模量E =90GPa ，密度ρ=7.82t /m 3，泊松比μ=0.3，在轧件对称面上给予轴向几何约束．第3期王南，等:轴类零件楔横轧三维数值模拟3)轧件与上下模具采用自动的面面接触模型(auto surface-to-surface)，轧辊表面为目标面，轧件表面为接触面，轧件与2个模具的轧制条件完全对称［10-13］．4)为了节省计算时间，根据模型的对称性，取模具和轧件的1/2模型进行数值模拟［14-17］．2模拟结果及分析楔横轧的轧制过程分为楔入段、展宽段和精整段．本文主要研究轧制过程中楔入段轧件横截面和纵截面轧件内部的应变场以及轧件表面变形特征．楔横轧起楔段横截面上的横向应变εx的分布，如图2所示．由图2可以看出，在楔入段，轧件横向应变基本上以y轴为中心呈对称分布，在x方向产生延伸，出现拉伸应变，其拉伸应变最大值为0.1035，出现在A点，以接触点A为中心，离A点越远应变越小，并逐步下降到0．由于延伸应变主要伸向出口，造成出口部位金属堆积，局部出现压缩应变，其最大值为－0.065，出现在B点，离B点越远应变越小，并逐步下降到0．零件其他部位的横向应变为0，没有发生变形．楔横轧起楔段横截面上的纵向应变εy的分布，如图3所示．由图3可以看出，在楔入段，轧件应变发生在与模具接触的局部，在y方向产生压缩，出现压缩应变，其最大压缩应变值为－0.159，出现在A点，以接触点A为中心，离A点越远压缩应变值越小，并逐步下降到0．由于压缩变形的影响，出口局部产生拉伸变形，其最大值达到0.02，出现在B点，离B点越远拉伸应变值越小，并逐步下降到0．零件其他部位的纵向应变为0，没有发生变形．图2横截面横向应变εx Fig．2The x-strain of crosssection图3横截面纵向应变εy Fig．3The y-strain of cross section楔横轧起楔段横截面上的轴向应变εz的分布，如图4所示．由图4可以看出，在楔入段，轧件应变发生在与模具接触的局部，在z方向产生延伸，出现拉伸应变，其拉伸应变最大值为0.1079，出现在C点，以接触点C为中心，离C点越远轴向应变越小，并逐步下降到0．零件的其他部位的轴向应变为0，没有发生变形．楔横轧起楔段横截面上的等效应变ε的分布，如图5所示．其变形特征为:在轧制的楔入段，轧件与模具接触点的等效应变值最大，达到－0.319，离接触点越远，等效应变越小，并逐步下降到0，且应变以y 轴为中心呈对称分布;轧制过程中，径向材料被压缩，轴向材料发生延伸，随着模具的楔入，轧件应变逐步径向扩展至心部，径向压缩变形较大，轴向延伸变形不明显，轧件两端基本没发生变形．楔横轧起楔段纵截面上的横向应变εx的分布，如图6所示．由图6可以看出，在模具的作用下，轧件在x方向产生延伸，出现拉伸应变，其拉伸应变最大值为0.1029，出现在D点，离接触点D越远，拉伸应变越小，并逐步下降为0．由于金属的轴向流动，轧件其他部位受到一定程度的挤压，出现压缩应变，压缩应变值最大值为－0.0356．楔横轧起楔段纵截面上的纵向应变εy的分布，如图7所示．由图7可以看出，在模具作用下，轧件纵向应变关于x轴对称，轧件在y方向产生压缩应变，其压缩应变最大值为－0.246，出现在E点，离E点越远压缩应变越小，并逐步下降到0．由于E处的压缩变形，带动了附近F处产生拉伸变形，其最大值为133北京工业大学学报2011年0.034．轧件其他部位的纵向应变均为0，没有发生变形．图4横截面轴向应变εz Fig．4The z -strain of crosssection 图5横截面等效应变εFig．5The effective strain of crosssection图6纵截面横向应变εx Fig．6The x -strain of longitudinalsection 图7纵截面纵向应变εy Fig．7The y -strain of longitudinal section楔横轧起楔段纵截面上的轴向应变εz 的分布，如图8所示．由图8可以看出，在模具的作用下，轧件轴向应变关于x 轴对称，轧件在z 方向产生延伸，出现拉伸应变，其拉伸应变的最大值为0.184，出现在E 点，离E 点越远拉伸应变越小，并逐步下降到0．拉伸变形的影响使金属流动性受阻，使得轧件F 点产生压缩变形，其压缩应变最大值达到－0.090．轧件其他部位的轴向应变为0，没有发生变形．楔横轧起楔段纵截面上的等效应变ε的分布，如图9所示．由图9可以看出，等效应变的最大值出现在轧件与模具的接触点处，其值为0.431，以接触点为中心，离接触点越远，等效应变越小，并逐步下降到0．轧件其他部位的等效应变为0，没有发生变形．图8纵截面轴向应变εz Fig．8The z -strain of longitudinalsection 图9纵截面等效应变εFig．9The effective strain of longitudinal section233333第3期王南，等:轴类零件楔横轧三维数值模拟3结束语基于ANSYS/LS-DYNA有限元软件，建立楔横轧模具与轧件的有限元模型，对楔横轧的楔入段进行了三维数值模拟，实现了楔横轧楔入段的动态数字仿真，研究了轧制过程中楔入段轧件横截面和纵截面的应变场以及表面变形特征，得到了轧件的应力、应变和轴向位移等信息，在此基础上可为模具工艺参数的选择、轧件质量的改善以及零件轧制成形机理及变形规律的研究提供参考和理论依据．参考文献:［1］何涛，王宝雨，胡正寰．偏心截面轴类零件的楔横轧成形数值模拟［J］．锻压技术，2008，33(2):53-55．HE Tao，WANG Bao-yu，HU Zheng-huan．Numerical simulation on cross wedge rolling of shaft parts with eccentric section ［J］．Forging＆Stamping Technology，2008，33(2):53-55．(in Chinese)［2］胡正寰，张康生，王宝雨，等．楔横轧零件成形技术与模拟仿真［M］．北京:冶金工业出版社，2004:16-25．［3］马振海，杨翠苹，胡正寰．楔横轧轧件端头凹心影响因素的研究［J］．锻压技术，2002，27(1):29-31．MA Zhen-hai，YANG Cui-ping，HU Zheng-huan．Study on effect factors of end concavity in 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established by software Pro/E，which are imported to finite element software ANSYS/LS-DYNA，and a finite element model of cross wedge rolling stepped shaft is established，the cross wedge rolling deformation process of shaft parts is simulated with finite element software ANSYS/LS-DYNA，the internal strain and surface deformation of the work piece are gained in the process of rolling．The study provides reference and theoretical foundation for other parts of rolling forming mechanism and rules of deformation．Key words:cross wedge rolling;shaft parts;finite element;ANSYS/LS-DYNA(责任编辑刘潇)。