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摘要
楔横乳单件轧制非对称轴类零件时,由于轴类零件左、右断面收缩率或展宽长度的不一致,模具左、右变形区工艺参数选取不能完全一样,如果根据经验选取模具参数,轧制时左右变形区所产生的轴向力难以平衡,导致轴类零件在乳制过程中出现轧件轴向窜动、台阶缺肉等缺陷,影响产品的外形尺寸和机械性能。
应用成形楔以外的一组或数组楔来保证轧件的轴向平衡,不仅可以保证产品的外形尺寸和产品质量,还可以扩展工艺参数的选择范围,降低模具的生产成本。因此,本文以平楔结构下非对称轴类件楔横轧成形中各个因素对非对称轴成形质量的影响作为研究的主要内容,并设计开发出一款软件以实现自动化建模,再结合正交试验与数值模拟的方法对模具结构进行最终的验证。论文选题具有较为重要的学术意义和工程实际应用价值。
本文的主要工作成果如下:
(1)以现阶段楔横乳模具设计的有关规范为依据对非对称件楔横轧模具进行设计,找出楔横轧模具各结构参数之间的数学关系。
(2)运用SolidWorks二次开发技术和VB编程技术,实现了非对称楔横轧模具的参数化建模,大大缩小了模具的设计周期,提高了优化效率。
(3)通过运用DEF0RM-3D有限元分析软件对轧件的中心横截面上的点进行点追踪,得到平楔结构参数对轴向窜动的影响规律。
(4)以成形的非对称轴的轮廓形状为主要指标,兼顾乳制力能和模具长度进行多结构参数的正交数值模拟,得到了模具各个主楔的成形角和展宽角的最优组合。
(5)通过运用DEF0RM-3D有限元分析软件模拟了非对称楔横轧的成型过程,分析轧制过程中轴向横截面工件损伤、等效应变和温度场的变化规律;分析了精整阶段乳件整体速度场及各轧制阶段轧件的中心横截面速度场;分析了轧制过程中模具在三个方向乳制力变化规律、模具磨损以及模具不同位置的温度变化规律。
本文所做的研宄对于创新楔横乳工艺技术、完善和充实非对称模横乳轧制理论、降低生产成本以及提高乳制产品质量具有重要的理论与实用价值。
关键词:楔横轧;非对称轧制;有限元模拟;参数化设计
Abstract
In the case of non-symmetrical shaft parts, the parameters of the left and right section of the shaft are not exactly the same. If the mold parameters are selected according to the experience, The axial force generated by the left and right deformation zone during rolling is difficult to balance, resulting in the axial part of the rolling parts in the rolling process, such as the lack of meat and other defects, affecting the product size and mechanical properties.
Application of a wedge or a set of wedges to ensure that the axial balance of the workpiece, not only can guarantee the product size and product quality, but also can expand the range of process parameters to reduce the mold production costs. Therefore, the influence of various factors on the quality of asymmetric shaft forming under wedge cross wedge under the wedge structure is the main content of the study. The research has theoretical and engineering application value. The main results of this paper are as follows:
(1)Based on the relevant specifications of the wedge rolling die design, the asymmetrical cross wedge rolling die is designed to find out the mathematical relationship between the structural parameters of the cross wedge rolling die.
(2)Using the SolidWorks secondary development technology and VB programming software, the parametric modeling of the asymmetric cross wedge rolling die is realized, which greatly reduces the design cycle of the mold and improves the optimization efficiency. (3)Through the use of DEFORM-3D finite element analysis software to track the points on the center cross section of the workpiece, the influence of the parameters of the wedge structure on the axial channeling is obtained.
(4)Taking the contour shape of the asymmetric axis as the main index, the orthogonal design of the multi - structure parameters is taken as the average of the rolling force and the die length, and the optimal combination of the forming angle and the widening angle of each main wedge is obtained.
(5)The deformation process of the axial cross section workpiece, the equivalent strain and the temperature field during the rolling process were analyzed by using the DEFORM-3D finite element analysis software. The whole process of the finishing section was analyzed Velocity field and the central cross section velocity field of the rolling section of each rolling stage. The variation law of the rolling force in the three directions during the rolling process, the wear of the mold and the temperature variation of the mold at different positions are analyzed.
The research results of this paper have important scientific significance and engineering application value for the rolling process of innovative wedge rolling shaft parts, enriching and perfecting the asymmetric rolling theory of wedge rolling, reducing the production cost and improving the quality of rolling products.
Keywords: Cross wedge rolling; asymmetric Rolling; Finite element analogy; Parametric Design
随着交通运输工业和建筑行业的迅猛发展,铁路车辆用轴、汽车用轴和穿墙螺丝等轴类零件的需求量与日俱增,市场对轴类零件力学性能的要求也越来越高[1]。生产非对称轴类件通常采用锻造、切削和楔横轧三种方法。而楔横乳相比于其他两种成形技术,具有生产效率高、金属纤维连续、节材显着、劳动条件好和产品质量优异等优点,是近净成形轴类零件的先进工艺,能够充分发挥金属塑性成型的优点。
模具的设计是楔横轧加工的基础,而在设计楔横乳模具的过程中需要进行大量的复杂计算和曲面造型,使得建模过程非常复杂,而且在设计初步完成后,还需要结合实际生产对模具参数进行不断的修改,使得工程设计人员耗费大量的时间和精力,无法把精力投入到模具的优化设计上来。
随着计算机技术的发展,模具设计人员可以通过利用软件来计算和建模,大大缩短了模具的设计周期[2]。然后使用数值模拟技术来对非对称楔横乳的轧制过程进行数值模拟,得到三维状态下的材料流动状况、应力应变分布和轧件的变形特征、轧制力等重要信息。通过对仿真结果进行分析后,可以对模横轧工艺参数进行优化。总之,对轧辊的每一次修正都不需要技术人员重新进行设计、制定工艺,检验乳制效果等繁琐的重复性工作,大大降低了设计人员的劳动程度,提高了设计质量,减少了设计周期并降低了生产成本。
本文的主要研宄内容有:
(1)以现阶段楔横轧模具设计的有关规范为依据对非对称件楔横轧模具进行设计,分析楔横轧模具各结构参数之间的数学关系。
(2)运用S0LIDW0RKS二次开发技术和VB编程技术,对非对称轴类件楔横轧模具进行参数化设计。
(3)运用DEF0RM-3D有限元分析软件对乳件的中心横截面上的点进行点追踪,分析平楔结构参数对轴向窜动的影响规律。
(4)以成形的非对称轴的轮廓形状为主要指标,兼顾乳制力能和模具长度进行多结构参数的正交数值模拟,分析模具的最优化结构参数。
(5)运用DEF0RM-3D有限元分析软件模拟了非对称楔横乳的成型过程,分析乳制过程中轴向横截面工件损伤、等效应变和温度场的变化规律;分析各乳制阶段轧件整体速度场以及各轧制阶段轧件较大断面收缩率部位的中心横截面速度场;分析轧制过程中模具在轴向、径向和切向上轧制力的变化规律、轧制完成后模具的磨损状况以及模具不同位置的温度变化规律。
非对称轴类件楔横轧模具成品有限元分析：
胚料在模具中初始装配位置
无平楔结构的楔横轧模具乳制出的坯料的截面损伤云图
有平楔结构的楔横乳模具乳制出的坯料的截面损伤云图
无平楔结构下非对称轧制纵截面等效应变场
有平楔结构下非对称乳制纵截面等效应变场
无平楔
有平楔
工件整体速率图
轧件横截面上乳制全过程速率图
模具所受载荷
模具磨损分布情况
轧制完成时模具表面的温度分布云图
目录
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 楔横乳工艺简介
1.2.2 楔横轧技术的发展
1.2.3 楔横轧非对称轴类件研究现状
1.2.4 楔横轧模具CAD研究现状
1.3 本文主要研究内容
第2章 非对称轴类件楔横轧的模具设计
2.1 楔横轧模具特点与成形原理
2.2 楔横轧模具设计的基本原则
2.2.1 对称原则
2.2.2 旋转条件
2.2.3 缩颈条件
2.2.4 疏松条件
2.3 楔横轧的工艺参数
2.3.1 断面收缩率
2.3.2 成形角
2.3.3 展宽角
2.4 非对称楔横轧模具设计计算
2.4.1 毛坯与坯料的确定
2.4.2 模具型腔设计
2.4.3 模具主楔的设计
2.4.4 模具平楔的设计
2.5 本章小节
第3章 非对称楔横轧模具参数化设计
3.1 SOLIDffORKS软件及其二次开发
3.1.1 S0LIDW0RKS软件简介
3.1.2 S0LIDW0RKS二次开发技术
3.1.3 S0LIDW0RKS土次开发工具一VISUAL BASIC 6.0
3.1.4 S0LIDW0RKS宏录制工具
3.2 非对称楔横乳模具参数化设计分析
3.2.1 轧件参数化分析
3.2.2 楔横乳模具参数化分析
3.2.3 非对称轴类件楔横轧模具的参数化计算
3.2.4 非对称轴类件楔横轧模具的参数化建模
3.3 本章小节
第4章 非对称楔横轧模具结构参数优化
4.1 刚塑性有限元法
4.2 DEF0RM-3D 软件
4.3 DEFORM-3D有限元模拟前处理
4.3.1 模型简化
4.3.2 非对称楔横乳的前处理
4.4 楔横轧模具平楔结构参数优化
4.4.1 平楔高度对轴向窜动抑制效果的影响
4.4.2 平楔宽度对轴向窜动抑制效果的影响
4.4.3 平楔齿顶长对轴向窜动抑制效果的影响
4.4.4 平楔成形角对轴向窜动抑制效果的影响
4.5 楔横乳模具主楔结构参数优化
4.5.1 正交试验设计
4.5.2 正交试验结果分析
第5章 非对称楔横轧模具及成品有限元分析
5.1 坯料分析
5.1.1 工件损伤分析
5.1.2 轧制完成后等效应变分析
5.1.3 轧件温度场分析
5.1.4 乳件金属流动分析
5.2 模具分析
5.2.1 模具受力分析
5.2.2 模具磨损分析
5.2.3 模具整体温度分析
5.3 本章小结
第6章 结论与展望
6.1 结论
6.2 展望
致谢
参考文献
附录
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