楔横轧多楔轧制铁路车轴可行性有限元分析) ) ) 李传民束学道胡正寰
楔横轧多楔轧制铁路车轴可行性有限元分析
李传民
束学道
胡正寰
北京科技大学, 北京, 100083
摘要:采用DEFORM 有限元软件, 建立楔横轧多楔轧制铁路RD2车轴有限元模型, 进行多楔轧制过程有限元仿真, 通过分析三楔同时楔入成形RD2轴的金属流动规律、轧件内部应力状态情况等, 进一步阐明楔横轧多楔轧制铁路车轴的可行性。有限元分析结果为实现铁路车轴高效化、节能化、专业化生产提供了理论依据。
关键词:楔横轧; 多楔; 轧制; 铁路车轴
中图分类号:T G335. 19 文章编号:1004) 132X(2006) 19) 2017) 03
Feasibility Study on Multi -wedge C ross Wedge Rolling of
Railway Axles with Finite Element Analysis Li Chuanmin Shu Xuedao H u Zheng huan
University of Science and T echno logy Beijing , Beijing, 100083
Abstract :A numerical mo del of multi-w edge cro ss wedge rolling(M CWR) w as developed, using DEFORM softw are. The ro lling process of M CWR ro lling RD2ax le w as simulated successfully, the three-dim ensio nal reg ularities o f metal flow and stress distributio ns w ere analy zed at length, and i-l
luminated in fig ur es. T he results of sim ulation show that M CWR fo rming r ailw ay axles is feasible.
Key words :cross w edg e rolling; multi-w edg e; ro lling; railw ay ax le
0 引言
楔横轧多楔轧制是多对楔同时对轧件进行径向压下和轴向延伸的塑性成形技术, 特别适用于长轴类零件的加工, 它具有显著节省辊面、减小设备体积、生产效率高、节材、降低成本等优点, 是适合专业化、经济化大批量生产长轴类零件的有效工艺手段。
多楔轧制长轴零件, 衔接处经常会有叠皮、折皮现象发生, 严重影响轧件的质量与外观, 对于铁路车轴而言, 不允许这样的缺陷存在。所以, 多楔精确轧制铁路车轴的关键问题之一是, 多组楔同时轧制的等直径段要求衔接光滑, 其衔接坡面的成形、坡面角度的选取、过渡时金属的流动规律是比较复杂的问题, 国内外关于这几方面的研究相对较少。因此深入开展楔横轧多楔精密成形铁路车轴理论研究, 探求多楔轧制车轴光滑衔接的模具参数是十分必要的。
本文根据楔横轧多楔轧制特点, 设计了轧制铁路RD2车轴的多楔模具, 利用DEFORM 软件, 通过重新编写软件中45钢的材料特性, 对楔横轧多楔轧制RD2轴进行有限元数值模拟, 从理
收稿日期:2006) 07) 19
基金项目:国家自然科学基金资助项目(50475175, 50435010)
[1O 4]
论上较详细地分析了轧制RD2轴光滑衔接的充分条件, 给出了轧件在轧制过程中内部最大平均
应力及该时刻的最大主应力值, 进一步阐明楔横轧多楔轧制车轴的可行性。
1 楔横轧多楔轧制RD2轴模具的设计
楔横轧多楔轧制是多个楔同时对轧件进行径向压下和轴向延伸的塑性成形, 设计模具的关键是在合理工艺参数下精确确定多楔的相对转角。因为如果相对转角较小, 将发生堆料或挤料现象, 在堆料处直径增大, 有时甚至导致轧制无法进行; 如果相对转角较大, 轧件将出现拉料, 轧件内部会出现疏松等缺陷。对于有两个或两个以上的楔共同轧制一段等直径段(图1所示的1200m m 段) 时, 衔接过渡坡角C 也是重要的工艺参数。因为如果C 取值过大, 楔在轧制衔接斜坡时, 楔对轧件的轴向力会推倒过渡斜坡, 造成折皮现象; 反之, C 取值过小, 则衔接部分的截面收缩率小, 轧件所受轴向力就小, 金属不易被模具赶出, 造成轧件衔接处横向变形加大, 影响轧件内部质量。图1所示为RD2轴的多楔模具展开图和RD2轴, 其中, A 为成形角, B 为展宽角, C 为A 楔的衔接坡角, H 1为2楔对于1楔的相对转角, H 2为3楔对于1楔、2楔的相
中国机械工程第17卷第19期2006年10月上半月
对转角。楔横轧楔入段端面移动量尽管不是线性变化的, 但截面收缩率小的情况下可用线性变化来近似, 而展宽段端面移动量是线性变化的, 所以H 1、H 2是包含两段折线的转角。按文献[5]给出的端面移动量专用计算程序, 可精确计算出轧件当直径为200m m , 材料为45钢时, 在表1给定的工艺参数下的相对转角, 其结果如表1所示(3楔为一组合楔, 它完成两个台阶轴的轧制, 故其截面收缩率有27175%和54140%两个值) 。按生产经验和模拟试验取衔接坡角C =30b
。
图2 多楔轧制几何模型
图3 AISI O 1045的流动应力曲线(T =1423K)
图1 RD2轴的多楔模具及RD2轴
表1
1楔2楔3楔
视为刚体。
根据实际生产中辊式楔横轧的工作状况, 对轧辊限定了X 、Y 、Z 方向上的位移约束和X 、Y 轴的旋转约束, Z 轴的角速度定为-01118rad/s; 工件与轧辊的接触选择剪摩擦模型。由于轧件结构具有对称性, 可取一半分析, 并在对称面上给予对称约束。为了节省计算时间, 把模拟任务分成两部分, 分别在两台计算机上实现, 其中一台计算机模拟衔接过程。因此, 建模时省略了3楔上的一个小楔, 此小楔功能是成形车轴最外端一段, 它不会影响衔接过程, 另一台计算机模拟轧件在轧制过程中的应力、应变变化规律, 因为轧件应力最大的时刻在展宽段, 所以模拟到展宽段结束就可以了。
轧制工艺参数
相对转角H (b ) 成形角展宽角截面收缩率
(b ) (b ) 7(%) 363636
577
19. 0019. 0027. 75/54. 40
0. 671. 34
1. 342. 68
2 楔横轧多楔轧制RD2轴有限元模型的
建立
本文利用DEFORM -3D 软件, 采用三维刚塑性有限元模拟技术, 着重研究了1楔、2楔共同轧制车轴1200m m 段光滑衔接的机理和轧件的应力、应变变化规律。多楔轧制几何模型(图2)
是在Pro/E 软件
中建立的, 然后再导入DE -FORM -3D 软件前处理部分中。轧件的直径是200m m, 划分网格后, 得到80476个四面体单元、18615个节点, 材料选用各项同性的A ISI O 1045, 其流动应力曲线是对试验数据自行编程而生成的, 如图3所示, 材料的流动应力方程为
=f (T )
#
#
3 模拟结果与分析
图4a 是三个楔同时楔入成形衔接坡面的状态, 从图中可以看出:2楔成形的衔接坡面光滑且规则, 3楔成形的台阶垂直于轧件轴线方向, 说明多楔之间未发生堵料或拉料现象; 相对转角H 1、H 2的取值正确。图4b 反映的是, 由于2楔未导衔接
圆角, 因此在衔接坡面与成形轴间未形成如图4a 所示的圆角, 从而1楔轧制衔接坡面时, 推倒了衔接坡面, 金属发生了折叠现象。由图4b 表明, 在衔接过程中, 应避免应力集中现象。图4c 反映的是2楔导圆角后1楔轧制衔接坡面时的情况, 可
(1)
式中, 为等效应力; 为等效应变; 为等效应变率; T 为绝对温度。
由于轧辊的弹性变形可忽略不计, 故两轧辊
楔横轧多楔轧制铁路车轴可行性有限元分析) ) ) 李传民束学道胡正寰
以看出:楔与坯料的接触面规则明显, 过渡坡面没有发生坍塌; 金属流动过程中未发生折皮、叠皮现象; 衔接坡面的部分金属有向1楔、2楔中间型腔流动的痕迹, 这符合最小阻力定律, 因此1楔的设计展宽量因稍大于按金属体积计算的展宽量。图4d 是多楔衔接轧制结束后形成的轧件, 可以看出, 1楔、2楔共同成形的中间段光滑, 没有出现表
面质量问题。
的最大平均应力和该时刻的第一主应力值都很小,
因此轧件内部产生缺陷的可能性较小。
图5 轧件上的检测点位置
4 结论
(1) 利用楔横轧多楔可以轧制出铁路车轴的
(a) 衔接坡面的
成形
形状。当工艺参数选择合理时, 多楔轧制等截面
轴段, 可以做到光滑衔接且不发生表面质量问题, 而且成形过渡斜坡与轴径处因成形过渡圆角, 避免过渡衔接时出现应力集中现象。
(2) 根据轧件内部应力状态分析, 楔横轧轧制铁路车轴产生内部缺陷的可能性较小, 因此经过轧制的车轴与原坯料的疏松等级相当。
(b)
衔接坡面被推倒
(3) 楔横轧轧制铁路车轴是可行的。
参考文献:
[1] 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. [2] 任广升, 白志斌, 孙智刚, 等. 多楔同步楔横轧模具
(c)
衔接过程中
设计[J]. 锻压技术, 1992(2) :50O 54.
[3] T selikov A I. Calculation T heor y o f Fo rce o n R ol-l
ing M achines[M ]. M o sco w:M etallurg izdat, 1962. [4] Do ng Yao ming, K aveh A , M ichael R L , et al. A na-l
ysis of St ress in Cr oss W edg e Rolling with A pplica -tio n to Failure [J]. Int. J. M ech. Sci. , 2000, 42:1233O 1253.
[5] 邢希东, 束学道, 胡正寰. 多楔楔横轧端面移动量实
时测试系统研制[J]. 北京科技大学学报, 2004, 26(5) :548O 551.
[6] Fang Gang , Lei L iping, Zeng P an. T hr ee-dimen -sional R ig id-plastic F inite Element Simulat ion for the T w o-r oll Cro ss-w edg e Rolling , Pro cess[J].M ater ials P ro cessing T echnolog y, 2002, 129:245O 249.
(编辑 郭 伟)
作者简介:李传民, 男, 1974年生。北京科技大学机械工程学院博士研究生。研究方向为楔横轧多楔轧制技术与模拟仿真。发表论文4篇。束学道, 男, 1968年生。北京科技大学机械工程学院副教授、博士研究生导师、博士后研究人员。胡正寰, 男, 1934年生。北京科技大学机械工程学院教授、博士研究生导师, 中国工程院院士。
(d) 多楔衔接轧制结束图4 等截面轧制过程
心部疏松和孔腔是楔横轧产品中容易出现的主要缺陷之一, 它会削弱工件的材料强度, 并最终导致零件失效。Fang 等
[6]
认为, 负静水压力(正
平均应力) 是影响材料产生裂纹的关键因素之一,
第一主应力对裂纹的扩展和延伸起到促进作用。DEFORM 软件可以记录轧件上任意一点的应力、应变历史信息, 因此取轧件内部最容易产生缺陷的两个点(图5中P 1、P 2) 作为研究对象, P 1点是对称面中心点, P 2点是3楔轧制的最小直径段芯部一点。分析得出:P 1点的最大平均应力为1114MPa , 第一主应力为2616MPa ; P 2点的最大平均应力为1510M Pa ; P 2点第一主应力为3618MPa 。可以看出, 在轧制过程中, P 1点、P 2点
楔横轧多楔轧制铁路车轴可行性有限元分析) ) ) 李传民束学道胡正寰
楔横轧多楔轧制铁路车轴可行性有限元分析
李传民
束学道
胡正寰
北京科技大学, 北京, 100083
摘要:采用DEFORM 有限元软件, 建立楔横轧多楔轧制铁路RD2车轴有限元模型, 进行多楔轧制过程有限元仿真, 通过分析三楔同时楔入成形RD2轴的金属流动规律、轧件内部应力状态情况等, 进一步阐明楔横轧多楔轧制铁路车轴的可行性。有限元分析结果为实现铁路车轴高效化、节能化、专业化生产提供了理论依据。
关键词:楔横轧; 多楔; 轧制; 铁路车轴
中图分类号:T G335. 19 文章编号:1004) 132X(2006) 19) 2017) 03
Feasibility Study on Multi -wedge C ross Wedge Rolling of
Railway Axles with Finite Element Analysis Li Chuanmin Shu Xuedao H u Zheng huan
University of Science and T echno logy Beijing , Beijing, 100083
Abstract :A numerical mo del of multi-w edge cro ss wedge rolling(M CWR) w as developed, using DEFORM softw are. The ro lling process of M CWR ro lling RD2ax le w as simulated successfully, the three-dim ensio nal reg ularities o f metal flow and stress distributio ns w ere analy zed at length, and i-l
luminated in fig ur es. T he results of sim ulation show that M CWR fo rming r ailw ay axles is feasible.
Key words :cross w edg e rolling; multi-w edg e; ro lling; railw ay ax le
0 引言
楔横轧多楔轧制是多对楔同时对轧件进行径向压下和轴向延伸的塑性成形技术, 特别适用于长轴类零件的加工, 它具有显著节省辊面、减小设备体积、生产效率高、节材、降低成本等优点, 是适合专业化、经济化大批量生产长轴类零件的有效工艺手段。
多楔轧制长轴零件, 衔接处经常会有叠皮、折皮现象发生, 严重影响轧件的质量与外观, 对于铁路车轴而言, 不允许这样的缺陷存在。所以, 多楔精确轧制铁路车轴的关键问题之一是, 多组楔同时轧制的等直径段要求衔接光滑, 其衔接坡面的成形、坡面角度的选取、过渡时金属的流动规律是比较复杂的问题, 国内外关于这几方面的研究相对较少。因此深入开展楔横轧多楔精密成形铁路车轴理论研究, 探求多楔轧制车轴光滑衔接的模具参数是十分必要的。
本文根据楔横轧多楔轧制特点, 设计了轧制铁路RD2车轴的多楔模具, 利用DEFORM 软件, 通过重新编写软件中45钢的材料特性, 对楔横轧多楔轧制RD2轴进行有限元数值模拟, 从理
收稿日期:2006) 07) 19
基金项目:国家自然科学基金资助项目(50475175, 50435010)
[1O 4]
论上较详细地分析了轧制RD2轴光滑衔接的充分条件, 给出了轧件在轧制过程中内部最大平均
应力及该时刻的最大主应力值, 进一步阐明楔横轧多楔轧制车轴的可行性。
1 楔横轧多楔轧制RD2轴模具的设计
楔横轧多楔轧制是多个楔同时对轧件进行径向压下和轴向延伸的塑性成形, 设计模具的关键是在合理工艺参数下精确确定多楔的相对转角。因为如果相对转角较小, 将发生堆料或挤料现象, 在堆料处直径增大, 有时甚至导致轧制无法进行; 如果相对转角较大, 轧件将出现拉料, 轧件内部会出现疏松等缺陷。对于有两个或两个以上的楔共同轧制一段等直径段(图1所示的1200m m 段) 时, 衔接过渡坡角C 也是重要的工艺参数。因为如果C 取值过大, 楔在轧制衔接斜坡时, 楔对轧件的轴向力会推倒过渡斜坡, 造成折皮现象; 反之, C 取值过小, 则衔接部分的截面收缩率小, 轧件所受轴向力就小, 金属不易被模具赶出, 造成轧件衔接处横向变形加大, 影响轧件内部质量。图1所示为RD2轴的多楔模具展开图和RD2轴, 其中, A 为成形角, B 为展宽角, C 为A 楔的衔接坡角, H 1为2楔对于1楔的相对转角, H 2为3楔对于1楔、2楔的相
中国机械工程第17卷第19期2006年10月上半月
对转角。楔横轧楔入段端面移动量尽管不是线性变化的, 但截面收缩率小的情况下可用线性变化来近似, 而展宽段端面移动量是线性变化的, 所以H 1、H 2是包含两段折线的转角。按文献[5]给出的端面移动量专用计算程序, 可精确计算出轧件当直径为200m m , 材料为45钢时, 在表1给定的工艺参数下的相对转角, 其结果如表1所示(3楔为一组合楔, 它完成两个台阶轴的轧制, 故其截面收缩率有27175%和54140%两个值) 。按生产经验和模拟试验取衔接坡角C =30b
。
图2 多楔轧制几何模型
图3 AISI O 1045的流动应力曲线(T =1423K)
图1 RD2轴的多楔模具及RD2轴
表1
1楔2楔3楔
视为刚体。
根据实际生产中辊式楔横轧的工作状况, 对轧辊限定了X 、Y 、Z 方向上的位移约束和X 、Y 轴的旋转约束, Z 轴的角速度定为-01118rad/s; 工件与轧辊的接触选择剪摩擦模型。由于轧件结构具有对称性, 可取一半分析, 并在对称面上给予对称约束。为了节省计算时间, 把模拟任务分成两部分, 分别在两台计算机上实现, 其中一台计算机模拟衔接过程。因此, 建模时省略了3楔上的一个小楔, 此小楔功能是成形车轴最外端一段, 它不会影响衔接过程, 另一台计算机模拟轧件在轧制过程中的应力、应变变化规律, 因为轧件应力最大的时刻在展宽段, 所以模拟到展宽段结束就可以了。
轧制工艺参数
相对转角H (b ) 成形角展宽角截面收缩率
(b ) (b ) 7(%) 363636
577
19. 0019. 0027. 75/54. 40
0. 671. 34
1. 342. 68
2 楔横轧多楔轧制RD2轴有限元模型的
建立
本文利用DEFORM -3D 软件, 采用三维刚塑性有限元模拟技术, 着重研究了1楔、2楔共同轧制车轴1200m m 段光滑衔接的机理和轧件的应力、应变变化规律。多楔轧制几何模型(图2)
是在Pro/E 软件
中建立的, 然后再导入DE -FORM -3D 软件前处理部分中。轧件的直径是200m m, 划分网格后, 得到80476个四面体单元、18615个节点, 材料选用各项同性的A ISI O 1045, 其流动应力曲线是对试验数据自行编程而生成的, 如图3所示, 材料的流动应力方程为
=f (T )
#
#
3 模拟结果与分析
图4a 是三个楔同时楔入成形衔接坡面的状态, 从图中可以看出:2楔成形的衔接坡面光滑且规则, 3楔成形的台阶垂直于轧件轴线方向, 说明多楔之间未发生堵料或拉料现象; 相对转角H 1、H 2的取值正确。图4b 反映的是, 由于2楔未导衔接
圆角, 因此在衔接坡面与成形轴间未形成如图4a 所示的圆角, 从而1楔轧制衔接坡面时, 推倒了衔接坡面, 金属发生了折叠现象。由图4b 表明, 在衔接过程中, 应避免应力集中现象。图4c 反映的是2楔导圆角后1楔轧制衔接坡面时的情况, 可
(1)
式中, 为等效应力; 为等效应变; 为等效应变率; T 为绝对温度。
由于轧辊的弹性变形可忽略不计, 故两轧辊
楔横轧多楔轧制铁路车轴可行性有限元分析) ) ) 李传民束学道胡正寰
以看出:楔与坯料的接触面规则明显, 过渡坡面没有发生坍塌; 金属流动过程中未发生折皮、叠皮现象; 衔接坡面的部分金属有向1楔、2楔中间型腔流动的痕迹, 这符合最小阻力定律, 因此1楔的设计展宽量因稍大于按金属体积计算的展宽量。图4d 是多楔衔接轧制结束后形成的轧件, 可以看出, 1楔、2楔共同成形的中间段光滑, 没有出现表
面质量问题。
的最大平均应力和该时刻的第一主应力值都很小,
因此轧件内部产生缺陷的可能性较小。
图5 轧件上的检测点位置
4 结论
(1) 利用楔横轧多楔可以轧制出铁路车轴的
(a) 衔接坡面的
成形
形状。当工艺参数选择合理时, 多楔轧制等截面
轴段, 可以做到光滑衔接且不发生表面质量问题, 而且成形过渡斜坡与轴径处因成形过渡圆角, 避免过渡衔接时出现应力集中现象。
(2) 根据轧件内部应力状态分析, 楔横轧轧制铁路车轴产生内部缺陷的可能性较小, 因此经过轧制的车轴与原坯料的疏松等级相当。
(b)
衔接坡面被推倒
(3) 楔横轧轧制铁路车轴是可行的。
参考文献:
[1] 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. [2] 任广升, 白志斌, 孙智刚, 等. 多楔同步楔横轧模具
(c)
衔接过程中
设计[J]. 锻压技术, 1992(2) :50O 54.
[3] T selikov A I. Calculation T heor y o f Fo rce o n R ol-l
ing M achines[M ]. M o sco w:M etallurg izdat, 1962. [4] Do ng Yao ming, K aveh A , M ichael R L , et al. A na-l
ysis of St ress in Cr oss W edg e Rolling with A pplica -tio n to Failure [J]. Int. J. M ech. Sci. , 2000, 42:1233O 1253.
[5] 邢希东, 束学道, 胡正寰. 多楔楔横轧端面移动量实
时测试系统研制[J]. 北京科技大学学报, 2004, 26(5) :548O 551.
[6] Fang Gang , Lei L iping, Zeng P an. T hr ee-dimen -sional R ig id-plastic F inite Element Simulat ion for the T w o-r oll Cro ss-w edg e Rolling , Pro cess[J].M ater ials P ro cessing T echnolog y, 2002, 129:245O 249.
(编辑 郭 伟)
作者简介:李传民, 男, 1974年生。北京科技大学机械工程学院博士研究生。研究方向为楔横轧多楔轧制技术与模拟仿真。发表论文4篇。束学道, 男, 1968年生。北京科技大学机械工程学院副教授、博士研究生导师、博士后研究人员。胡正寰, 男, 1934年生。北京科技大学机械工程学院教授、博士研究生导师, 中国工程院院士。
(d) 多楔衔接轧制结束图4 等截面轧制过程
心部疏松和孔腔是楔横轧产品中容易出现的主要缺陷之一, 它会削弱工件的材料强度, 并最终导致零件失效。Fang 等
[6]
认为, 负静水压力(正
平均应力) 是影响材料产生裂纹的关键因素之一,
第一主应力对裂纹的扩展和延伸起到促进作用。DEFORM 软件可以记录轧件上任意一点的应力、应变历史信息, 因此取轧件内部最容易产生缺陷的两个点(图5中P 1、P 2) 作为研究对象, P 1点是对称面中心点, P 2点是3楔轧制的最小直径段芯部一点。分析得出:P 1点的最大平均应力为1114MPa , 第一主应力为2616MPa ; P 2点的最大平均应力为1510M Pa ; P 2点第一主应力为3618MPa 。可以看出, 在轧制过程中, P 1点、P 2点