基于Deform的钛合金棒材辊锻成形数值模拟
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＝ ｒ＝
１ ． Ｉ 基 本 特点 【 】
辊锻 是 材 料在 一对 反 向选 装 模 具 的作用 下 产 生 塑 性 变 形 得 到 所 需 锻 件 或 锻 坯 的塑 性 成 形 工
艺 。辊锻 变 形 是 复杂 的三 维变 形 ，大部 分变 形 材
料沿着长度方 向流动使得坯料长度增长 ，少部分 材 料 会沿 着 横 向流 动使 得 坯料 厚 度增 加 ，辊 锻 成
第５ 期
机 电技术
８ ９
基于 Ｄ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍ 的钛 合金棒材辊锻成形数值模拟 央
许 东方
（ 中北大学机 电工程学 院，山西 太原 ０ ３ ０ ０ ５ １ ） 摘 要 ：利用 Ｄｅ ｆ ｏ ｒ ｍ． ３ Ｄ有限元软件建立钛合金棒 材辊 锻成形过程的三维仿真模型，揭 示钛 合金 棒坯 的变 形规律 ，
辊 锻 成形 相 比其 他 塑性 成 形 的特 点是 ：属 于 连 续加 工 局 部变 形 ，加 工 过程 平 稳 、快速 ，所 需
ｔ ｈ ａ ｉ 省 自然科 学基 金 资助 （ ２ ０ １ ３ ０ １ １ ０ ２ ２ ， ４
作者 简介 ：许 东￣ － （ １ ９ ８ ６ －） ，男 ，硕 士研 究生 ，研究 方 向：钛 合金 辊锻 成 形 。
３
模锻 的突 出部直接 压 入棒 料 ，而 这种 方法 叫做 中
间 咬入 ，并 且可 以更 灵 活 的设置 咬入 角 。为 了使 磨具 简化 ，就必 须合 理 的增加 每道 次 的压 下量 ， 从而 减少 辊 锻 的道次 。生产 实践 表 明 ，顶 部 咬入
图 Ｉ 辊 锻 成 形 的基 本 工 作 原 理
棒料 被模 锻 上下模 咬 入才 能进 行 下一 步加 工 。工 业生 产 中常 采用 以下 两种 咬入 方 式 ：顶 头 自然 咬
入和 中间咬入 。顶头 自然 咬入 的过程 中 ，钛合 金
１ 辊锻成形 的基本特点和成型原理
辊 锻成 形 的工 作原 理 如 图 １ 所示。
棒料 与辊 锻 上下 模 的摩擦 力 是咬 入 的主动 力 ， 因 此 设法提 高 摩擦 系数 和减 少 咬入 角可 以提 高成 形 率［ ２ 】 。增 加 模锻 上 下模 的粗糙 程 度可 以有 效提 高 摩擦 系数 ，而通 过减 少棒 料 的压 下量 就可 以减 少 咬入 角 。如 果无法 有 效增 加摩 擦 系数 ， 可 以采 用
形 过 程 中坯 料 的横 截面 积 不 断减 小 。辊 锻适 合 加 工 轴 类 ，板 坯 辗薄 及沿 着 长度 方 向变化 的塑 性 成
形。
（ 卅一
式中，Ｓ为前滑值；６ ｃ 为咬入角； 为摩擦角；ｈ
为 变形 区 出 口处 高度 ； 为辊 锻 模半径 。最后展 宽是棒 料 经过 辊锻 在横 向上流 动形 成 的 ，因此 绝 对 压 下量 ，磨 具直 径 、棒料 的 初始 宽度 与摩 擦系
１ ． 上辊锻 ；２ ． 辊 锻上 模 ；３ ． 毛坯 ；４ ． 辊 锻下 模 ；５ ． 下辊 锻
适用 于咬 入角 小于 ２ ５ ０ 。 ，而 中间咬入 可 以适 当增 加７ ０ 。 ～ １ ２ ０ 。 。成形 过程 中，每 时刻流 出与流入 成 形 区域 的棒 料 的体积 是相 等 的 ，然而 成形 区的棒 料厚 度是 不 断变化 的 ，因此棒 料沿 成 形方 向上 运 动速 率也 是 变化 的 ，并且 辊锻 的线速度 小于在 成 形 区 出 口棒 料 的速 度 ，这一 现 象称 为 前滑 ［ ３ ］ 。 由 于 出 口运 动速 度 决定 了棒 料 的长度 ，因此 研 究计 算前 滑有 着重 要意 义 ，芬克 公式 为 ：
辊锻 是 由轧制 工 艺应 用 到锻 造 生产 中的一 种
锻造 工 艺方 法 ，是纵 轧 工艺 的一 种 新 的应 用 。锻
设备 体积 小 、重量 大 大减 小 ，非 常适合 大 批量 生 产又 具有 很 大 的生产 柔性 ，是 一 种高 效 、精密 、 清洁 的塑 性成 形技 术 。
１ ． ２ 成 型基 本原 理 首先 解 决 的是 钛 合金 棒料 的进 入 ， 当钛合 金
造 中 的成 形 是 间断 性 的 ， 而辊锻 成 形是 连续 性 的 ，
其 成形 工艺 在 金属 塑 性 成形 中具 有 生产 率 高 ，工
Байду номын сангаас
艺 适应 性 强和 投 资小 等特 点 。本 文 揭示 钛 合金 棒 坯 的变 形规 律 ，分 析 辊锻 三 维变 形 过程 中材 料 的 流 动速 度场 、应 力应 变场 的特征 及 其动 态演 化 过 程 ，为 进一 步研 究辊锻 成形 提供 数 值分 析 依据 。
研 究了辊锻三维变形过程 中材料 的流动速度场 、应力应变场的特征及其动态演化过程 ，为进 一步研 究辊锻成形提供数值
分析依据 。 关键词 ：辊锻 ；钛合 金棒 材；变形规律 ；数值模拟
中图分类号 ：Ｔ Ｇ ３ １ ７ Ｔ Ｇ ３ ３ ５ 文献标识码 ：Ａ 文章编 号 ：１ ６ ７ ２ ． ４ ８ ０ １ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ５ ． ０ ８ ９ ． ０ ３
１ ． Ｉ 基 本 特点 【 】
辊锻 是 材 料在 一对 反 向选 装 模 具 的作用 下 产 生 塑 性 变 形 得 到 所 需 锻 件 或 锻 坯 的塑 性 成 形 工
艺 。辊锻 变 形 是 复杂 的三 维变 形 ，大部 分变 形 材
料沿着长度方 向流动使得坯料长度增长 ，少部分 材 料 会沿 着 横 向流 动使 得 坯料 厚 度增 加 ，辊 锻 成
第５ 期
机 电技术
８ ９
基于 Ｄ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍ 的钛 合金棒材辊锻成形数值模拟 央
许 东方
（ 中北大学机 电工程学 院，山西 太原 ０ ３ ０ ０ ５ １ ） 摘 要 ：利用 Ｄｅ ｆ ｏ ｒ ｍ． ３ Ｄ有限元软件建立钛合金棒 材辊 锻成形过程的三维仿真模型，揭 示钛 合金 棒坯 的变 形规律 ，
辊 锻 成形 相 比其 他 塑性 成 形 的特 点是 ：属 于 连 续加 工 局 部变 形 ，加 工 过程 平 稳 、快速 ，所 需
ｔ ｈ ａ ｉ 省 自然科 学基 金 资助 （ ２ ０ １ ３ ０ １ １ ０ ２ ２ ， ４
作者 简介 ：许 东￣ － （ １ ９ ８ ６ －） ，男 ，硕 士研 究生 ，研究 方 向：钛 合金 辊锻 成 形 。
３
模锻 的突 出部直接 压 入棒 料 ，而 这种 方法 叫做 中
间 咬入 ，并 且可 以更 灵 活 的设置 咬入 角 。为 了使 磨具 简化 ，就必 须合 理 的增加 每道 次 的压 下量 ， 从而 减少 辊 锻 的道次 。生产 实践 表 明 ，顶 部 咬入
图 Ｉ 辊 锻 成 形 的基 本 工 作 原 理
棒料 被模 锻 上下模 咬 入才 能进 行 下一 步加 工 。工 业生 产 中常 采用 以下 两种 咬入 方 式 ：顶 头 自然 咬
入和 中间咬入 。顶头 自然 咬入 的过程 中 ，钛合 金
１ 辊锻成形 的基本特点和成型原理
辊 锻成 形 的工 作原 理 如 图 １ 所示。
棒料 与辊 锻 上下 模 的摩擦 力 是咬 入 的主动 力 ， 因 此 设法提 高 摩擦 系数 和减 少 咬入 角可 以提 高成 形 率［ ２ 】 。增 加 模锻 上 下模 的粗糙 程 度可 以有 效提 高 摩擦 系数 ，而通 过减 少棒 料 的压 下量 就可 以减 少 咬入 角 。如 果无法 有 效增 加摩 擦 系数 ， 可 以采 用
形 过 程 中坯 料 的横 截面 积 不 断减 小 。辊 锻适 合 加 工 轴 类 ，板 坯 辗薄 及沿 着 长度 方 向变化 的塑 性 成
形。
（ 卅一
式中，Ｓ为前滑值；６ ｃ 为咬入角； 为摩擦角；ｈ
为 变形 区 出 口处 高度 ； 为辊 锻 模半径 。最后展 宽是棒 料 经过 辊锻 在横 向上流 动形 成 的 ，因此 绝 对 压 下量 ，磨 具直 径 、棒料 的 初始 宽度 与摩 擦系
１ ． 上辊锻 ；２ ． 辊 锻上 模 ；３ ． 毛坯 ；４ ． 辊 锻下 模 ；５ ． 下辊 锻
适用 于咬 入角 小于 ２ ５ ０ 。 ，而 中间咬入 可 以适 当增 加７ ０ 。 ～ １ ２ ０ 。 。成形 过程 中，每 时刻流 出与流入 成 形 区域 的棒 料 的体积 是相 等 的 ，然而 成形 区的棒 料厚 度是 不 断变化 的 ，因此棒 料沿 成 形方 向上 运 动速 率也 是 变化 的 ，并且 辊锻 的线速度 小于在 成 形 区 出 口棒 料 的速 度 ，这一 现 象称 为 前滑 ［ ３ ］ 。 由 于 出 口运 动速 度 决定 了棒 料 的长度 ，因此 研 究计 算前 滑有 着重 要意 义 ，芬克 公式 为 ：
辊锻 是 由轧制 工 艺应 用 到锻 造 生产 中的一 种
锻造 工 艺方 法 ，是纵 轧 工艺 的一 种 新 的应 用 。锻
设备 体积 小 、重量 大 大减 小 ，非 常适合 大 批量 生 产又 具有 很 大 的生产 柔性 ，是 一 种高 效 、精密 、 清洁 的塑 性成 形技 术 。
１ ． ２ 成 型基 本原 理 首先 解 决 的是 钛 合金 棒料 的进 入 ， 当钛合 金
造 中 的成 形 是 间断 性 的 ， 而辊锻 成 形是 连续 性 的 ，
其 成形 工艺 在 金属 塑 性 成形 中具 有 生产 率 高 ，工
Байду номын сангаас
艺 适应 性 强和 投 资小 等特 点 。本 文 揭示 钛 合金 棒 坯 的变 形规 律 ，分 析 辊锻 三 维变 形 过程 中材 料 的 流 动速 度场 、应 力应 变场 的特征 及 其动 态演 化 过 程 ，为 进一 步研 究辊锻 成形 提供 数 值分 析 依据 。
研 究了辊锻三维变形过程 中材料 的流动速度场 、应力应变场的特征及其动态演化过程 ，为进 一步研 究辊锻成形提供数值
分析依据 。 关键词 ：辊锻 ；钛合 金棒 材；变形规律 ；数值模拟
中图分类号 ：Ｔ Ｇ ３ １ ７ Ｔ Ｇ ３ ３ ５ 文献标识码 ：Ａ 文章编 号 ：１ ６ ７ ２ ． ４ ８ ０ １ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ５ ． ０ ８ ９ ． ０ ３