楔横轧轧制有限元分析及无料头技术研究

孙召瑞 纪兴华

摘 要：楔横轧轧制技术以其高效、节能的特点受到越来越多的关注。结合有限元数值模拟技术，楔横轧工艺的基础理论得以深入研究，为消除轧件端部凹心指明了研究方向。依据凹心产生机理，通过多种途径实现了小料头、无料头轧制，促进了楔横轧技术的应用与推广。

关键词：楔横轧；有限元；数值模拟；无料头

引言

楔横轧作为一种非常适合阶梯轴和回转类零件生产的新工艺，是锻造与轧制两种变形方式的交叉融合，与传统切削、锻造成形相比具有高效、节材、低成本等优点，广泛应用于汽车、拖拉机、摩托车等轴类零件的生产。但由于楔横轧属于复杂的三维非线性（几何非线性、材料非线性、边界条件非线性）塑性成形，成形机理复杂、影响因素较多，传统的试轧、物理实验、试验试错法无法得到变形过程中轧件的金属流动规律和应力应变分布情况，不能精确地对其进行设计，导致新产品开发周期长、成本高。随着楔横轧技术的发展及应用，迫切需要了解变形过程中金属的流变规律、应力应变的分布规律、轧件表面质量强度及空心缺陷成因等，因此应用数值模拟对变形过程进行定量分析显得尤为重要。近年来，随着有限元技术的不断发展，数值模拟在楔横轧成形过程中得到了越来越多的应用，通过有限元计算结果对轧制过程中金属流动、温度场、应力、应变等进行了详细分析，为轧件工艺制定及模具设计、制造提供了依据。

数值模拟的结果为楔横轧无料头技术的研究指明了方向。料头是制约楔横轧技术进一步发展的关键因素，国内外的有关学者运用有限元数值模拟与轧制实验相结合的手段对无料头技术开展了一系列的研究，取得了一定的研究成果。无料头轧制技术的发展对于创新楔横轧轧制工艺、完善轧制理论及降低生产成本具有重要的科学意义和工程应用价值。

1 楔横轧轧制成形过程分析

楔横轧成型技术经过近几十年的发展，出现了辊式、弧形式及板式三种不同形式的楔横轧机，辊式楔横轧是生产中较为普遍采用的轧机形式。楔横轧的主要特征是轧件在旋轉过程中局部、连续成形，辊式楔横轧的成形原理为：两个或三个带楔形模的轧辊，以相同的方向旋转，带动圆形坯料旋转，坯料在楔形的作用下发生径向压缩和轴向延伸，被轧制成与模具底部型槽形状完全一致的轴类零件。

轧件成形过程分为四个阶段：楔入段、楔入平整段、展宽段及精整段，与之对应的楔形模具也由这四部分组成。楔入段中，楔形模具的起楔部分使坯料旋转起来并在坯料上轧出一条较浅的V形槽；随后V形槽逐渐变深，直至与模具V形一致，即为楔入平整段；V形槽向两端逐步扩展，此为展宽过程，是轧件的主要变形阶段；最后是精整段，对轧件进行整形，使其表面光整，尺寸精确，以提高轧件的外观质量和尺寸精度。工艺参数直接影响轧件的成形质量，成形角α和展宽角β是楔横轧模具设计中最重要的两个设计参数。

2 有限元数值模拟技术在楔横轧成型中的应用

采用有限元数值模拟技术，可以得到金属塑变过程中材料流动、温度分布、应力应变等规律，还可以对模具进行受力分析，并可预测出可能的缺陷及失效形式。有限元数值模拟应用于楔横轧问题的研究始于20世纪90年代末期，目前，有限元模拟技术已成为研究楔横轧零件成形技术的主要方法，主要用于分析楔横轧成形规律。在两辊楔横轧有限元模拟研究基础之上，特大型楔横轧（大直径）、闭式轧制、多楔轧制等轧制技术有了较大的进步和发展。

国内外用来分析楔横轧工艺的有限元软件主要为：DEFORM和ANSYS。其有限元模拟系统均包括前处理、有限元计算、后处理三个模块。前处理模块主要包括材料模型、单元类型的选择及几何模型建立、网格划分等；有限元计算模块包括定义分析类型、约束条件、载荷数据及计算应力、应变、挠曲等；后处理模块主要是进行结果的显示与输出等。有限元数值模拟过程中相关问题的处理正在成为楔横轧数值模拟研究的热点。对此，北京科技大学、北京机电研究所、重庆大学、吉林大学、燕山大学等单位相关研究人员相继开展了一系列的研究，并取得了一定的成果。

2.1 应用DEFORM-3D对楔横轧成型过程进行数值模拟

DEFORM-3D是一款专业性很强的有限元分析软件，其功能主要包括成形、热处理及热微观组织分析，不仅能够模拟应力、温度以及组织变化等问题，还可以分析它们之间相耦合的二维和三维大变形问题。DEOFRM可以对锻造、轧制、挤压、热处理等加工工艺进行模拟，对其过程承受应力应变、残余应力、热传导耦合、金属回弹甚至磨损状况进行分析。除模拟金属塑性的大变形外，DEOFRM还能对各种各样的刚塑性及弹塑性等材料进行模拟分析。

DEFORM-3D软件之所以被广泛应用于楔横轧有限元数值模拟，主要是因为：

（1）强大、完善的网格自动再剖分功能，可以进行特别繁琐的大变形零件分析；（2）前处理中的边界条件可自动生成，操作便捷；（3）丰富的后处理数据，包括应力应变、速度、缺陷和力能参数曲线等，方便对整个成形过程的研究分析。

程超[1]、沈智[2]等应用DEFORM-3D分别分析了闭式楔横轧、大直径轧件楔横轧轧制过程中应力应变场、金属流动规律；研究了成形角、展宽角、断面收缩率、坯料直径对轧制过程及轧件端部质量的影响规律，为提高轧件质量及合理确定模具工艺参数提供了理论依据。江洋等[3]采用DEFORM-3D对楔横轧厚壁空心轴进行热力耦合数值模拟，在成形角35°～45°、展宽角4°～7°、断面收缩率35%～65%、轧制温度900℃～1100℃时，轧件不圆度与成形角及断面收缩率的变化成反比，与展宽角及轧制温度变化成正比。张宁等[4]运用DEFORM-3D软件对GH4169合金零件的楔横轧成形进行变形、传热、微观组织演变的耦合数值模拟，揭示了轧件在楔横轧成形过程中各个变形阶段（楔入段、展宽段和精整段）微观组织的演变规律，研究表明，楔横轧大变形能使动态再结晶发生并完成，得到细小均匀的晶粒组织，轧件晶粒的细化程度随断面收缩率的增大而增大，轧件在高温下主要发生晶粒长大，因此减小精整段的长度以及缩短进入下道工序的时间，可以避免粗晶的产生，提高成形件的综合力学性能。黄汝刚[5]等利用DEFORM-3D软件对对带芯棒轧制的过程进行模拟，对空心轴类零件在整个过程中的应力场、应变场、速度场以及等效应变速率场进行了分析研究。

2.2 应用ANSYS/LS-DYNA对楔横轧成型过程进行数值模拟

作为世界上最著名的通用显式非线性动力分析软件，ANSYS/LS-DYNA能够模拟真实世界的各种复杂几何非线性、材料非线性和接触非线性问题，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成形等非线性动力冲击问题，同时可以求解传热、流体及流固耦合问题，能够用来分析板料的锻造、铸造、挤压、轧制、冲压成形等高度非线性动力学问题。

在运用ANSYS/LS-DYNA的模块进行数值模拟时，由于该模块创建三维几何模型相对较复杂，因此一般采用其他三维建模软件建立几何模型。首先建立楔横轧工艺轧制模具的三维特征模型，将设计好的模具按照各个参数反映到建立的模型中，然后运用画图软件的动态模拟功能，实现轧制过程中的具与轧件的相互作用，建立完整的楔横轧系统。将完成的三维特征模型按照IGES的类型进行保存，将保存的文件载入到ANSYS/LS-DYNA软件中。

袁文生[6]、王南[7]等运用ANSYS/LS-DYNA软件对楔横轧轧制过程进行了数值模拟，得到了轧件在不同轧制阶段应力场、应变场变化规律，揭示了轧件的变形特征和金属流动规律；指出交变的三向应力和剪应力是轧件发生中心疏松、空心缺陷的主要原因。张更超等[8]采用ANSYS/LS-DYNA首次成功模拟了铝合金AL1100阶梯轴的楔横轧轧制全过程，得到了轧制过程中的应变分布云图，总结出了轧制过程中等效应变、轧制力的变化特征，探讨了成形角、展宽角、断面收缩率平三工艺参数对等效应变、轧制力的影响。束学道[9]等在ANSYS/LS-DYNA有限元软件基础上进行二次开发，采用二次开发的有限元命令流程序，较系统地分析了轧制过程中轧制力矩的变化规律，轧制力矩随展宽角和轧件尺寸的增大而增大，随成形角的增大而减小；断面收缩率对轧制力矩的影响比较复杂，轧制力矩首先表现为随断面收缩率的增大而增大，当断面收缩率达到一定数值（通常为ψ=55%左右）后，又随断面收缩率的增大而减小。该文还指出在设计大型楔横轧机时，在工艺允许条件下，优选最大展宽角、最小成形角、最大轧件尺寸来确定最大轧制力矩。

3 楔横轧无料头技术研究现状

传统塑性成形工艺的成材率在一系列新技术应用的背景下有所提高，而楔横轧的成材率因料头问题始终停滞不前（80%-85%），严重削弱了其市场竞争优势。因此，如何实现楔横轧轧制完成后少切削甚至无切削，进一步提高材料利用率，是促进楔横轧技术推广的关键。对于少、无料头轧制，国内外学者进行了积极的探索和研究，其研究方向大致集中在工艺参数对凹心的影响、设计挡楔和坯料形状、开发轧制新工艺等方面。

杨光等[10]采用数值模拟与二次回归正交旋转组合设计法分析了各工艺参数对无台阶端头轧件料头体积损耗的影响规律，研究表明：轧件的料头体积与轧制长度成正比，与展宽角成反比。束学道[11]等提出了挤压式楔横轧工艺以实现小料头轧制，该工艺产生的料头体积相较于传统楔横轧产生的料头体积减小了75%左右，其材料利用率可以提高到95%左右，同时该轧制方法还可以细化晶粒，提高金属综合力学性能。张晓英[12]提出采用锥形坯料的方式消除端头凹心，并通过数值模拟研究了锥角大小对轧件端头凹心深度的影响，得到了无端头凹心的坯料形状和尺寸，结果表明：采用具有锥形端部的坯料成形楔横轧件可以减少甚至消除成形后轧件端头凹心缺陷，且端头凹心的深度随着端部锥角的减小而减小，当端部锥角为120°时，轧件端头凹心已经基本消除。胡斌等[13]提出了无料头辊剪制坯工艺，并运用DEFORM-3D软件建立了有限元模型，通过改变轧辊的旋转速度提高了坯料端面的成形质量。魏新红等[14]通过位移法、网格法和轴向应变图法多个角度分析凹心在楔横轧轧制的产生过程，通过设置挡楔和设计坯料形状两种方法来减小轧件端部凹心，得到楔横轧轴类件端部凹心值随着坯料形状角的减小而减小的影响规律。无料头技术的研究将随着楔横轧技术的应用及计算机技术的发展越来越深入。

4 结束语

（1）楔横轧轧制基础理论虽然已经有了很大的进步和发展，如金属流变规律、轧齐曲线理论、轧制旋转条件、凹心产生及消除等，但楔横轧成形是一个非常复杂的过程，各种影响因素错综复杂，做到系统、全面、真实的描述成形过程，尚有大量的技术工作有待深入进行。

（2）楔横轧轧件端部凹心产生机理已初步明确，总结了模具和轧件参数对凹心大小的影响规律，但实际生产中真正实现无料头轧制技术难度仍较大，必须进行轧制工艺的创新。

参考文献

[1]程超.闭式楔横轧成形轴类件及其端部质量研究[D].宁波：宁波大学，2013.

[2]沈智.大直径楔横轧件的成形工艺研究[D].北京：北京机电研究所，2006.

[3]江洋，王宝雨，胡正寰，等.工艺参数对楔横轧厚壁空心轴不圆度的影响[J].塑性工程学报，2012，19（1）：21-25.

[4]张宁，王宝雨.楔横轧不同变形阶段的微观组织演变分析[J].塑性工程学报，2012，19（1）：16-20.

[5]黄汝刚.基于有限元理论的空心轴楔横轧成形规律的分析研究[D].济南，山东建筑大学，2013.

[6]袁文生，史宝军，杜朝蓬，等.多楔楔横轧轧件金属流动数值模拟[J].固体力学学报，2008，29：16-20.

[7]王南，张庆恒，张乃伟，岳龙山.轴类零件楔横轧数值模拟[J].北京工业大学学报，2011，37（3）：330-334.

[8]张更超.楔横轧阶梯轴成形过程的有限元仿真与分析[D].杭州，浙江工业大学，2004.

[9]束学道，胡正寰，李连鹏.楔横轧轧制力矩规律有限元分析与实验测试[J].中国机械工程，2006，17（9）：962-965.

[10]杨光，张康生，段万泽，胡正寰.工艺参数对楔横轧无台阶端头轧件料头体积损耗影响规律[J].北京科技大学学报，2014，36（7）：959-965.

[11]束学道，程超，龚文炜，等.挤压式楔横轧小料头轧制的微观组织演变分析[J].中国机械工程，2013，24（15）：2109-2113.

[12]张晓英.无端头凹心楔横轧件精确成形机理数值模拟[J].锻压技术，2013，38（2）：156-159.

[13]胡斌，束学道.楔横轧无料头辊剪制坯成形机理研究[J].锻压技术，2014，43（13）：92-98.

[14]魏新紅.楔横轧轴类件端部轧制质量研究[D].宁波：宁波大学，2011.

作者简介：孙召瑞（1967-），男，教授，硕士生导师，主要从事金属材料成形技术研究。