楔轧

主要介绍

工艺参数对多楔轧件接口质量的影响规律*

赵静1束学道2胡正寰2

(1.山东理工大学轻工与农业工程学院淄博255049；

2.北京科技大学机械工程学院北京100083)

摘要:楔横轧多楔成形工艺是生产长轴类零件的先进方法，但生产过程中模具工艺参数对轧件接口质量的影响比较复杂。根

据楔横轧多楔模具的工艺特点，建立多楔轧制长轴类零件的三维有限元模型。基于ANSYS/LS-DYNA有限元模拟软件，在不同

模具工艺参数下对多楔轧制过程进行了有限元模拟，得到模具工艺参数对轧件接口质量的影响规律。在与模拟工艺参数相同

的条件下进行轧制试验，试验结果和模拟结果一致。通过对理论模拟和轧制试验获得结果的分析，得到工艺参数中过渡角对

轧件的接口质量影响最大、展宽角对轧件接口质量影响最小的结论。综合考虑各工艺参数的影响，给出保证轧件接口质量良

好的过渡角选择范围。研究结果为多楔成形长轴类零件的模具设计提供理论依据和参考。

关键词：楔横轧多楔长轴类零件工艺参数接口质量

中图分类号：TG335.19

InfluenceRuleofTechnologicalParametersonInterfaceQuality

ofMulti-wedgeCrossWedgeRollingWorkpiece

ZHAOJing1SHUXuedao2HUZhenghuan2

(1.LightIndustryandAgricultureEngineeringDepartment，ShanDongUniversityofTechnology，Zibo255049;

2.MechanicalEngineeringSchool,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083)

Abstract:Multi-wedgecrosswedgerollingtechniqueisanadvantagemethodformingalongpart.Itiscomplicatedthatthe

influencesoftechnologicalparametersoninterfacequalityofworkpieceintheprocessofmulti-wedgecrosswedgerollingforminga

longpart.Thethree-dimensionalFEMmodelformingalongpartwithmulti-wedgecrosswedgerollingtechniqueistablished

accordingtothecharacteristicofmulti-wedgecrosswedgerollingdie.Theprocessofmulti-wedgecrosswedgerollingforminga

longpartwassimulatedindifferenttechnologicalparametersbyFEMbadonANSYS/LS-DYNAFEMsoftware.Theinfluence

ruleoftechnologicalparametersoninterfacequalityofworkpieceisanalyzedbyFEMsimulation.Therollingtesthasbeendone

underthesametechnologyparametersasthatofsimulation,theresultsofexperimentandnumericalsimulationfitwell.The

conclusionwasobtainedthattransitionangleisthemostimportantfactorandthestretchingangleistheleastimportantfactoron

interfacequalityinthetechnologicalparameters.Therationalscopeoftransitionanglecorrespondingareawasworkedout.This

studyprovidestheoreticalfoundationforthedesignofmulti-wedgecrosswedgerollingformingalongpart.

Keywords:CrosswedgerollingMulti-wedgeLong-shaftTechnologicalparametersInterfacequality

0前言*

随着交通运输业的飞速发展，汽车半轴等长轴

类零件的需求量与日俱增，专业化大批量生产这些

长轴类零件已成为满足市场需求的主要手段。例如

*国家自然科学基金(50475175,50435010)资助项目。20071008收到初

稿，收到修改稿

典型的长轴类零件汽车半轴，其细杆部约占整个汽

车半轴长度的75％以上，所以半轴细杆部的成形工

艺就成为衡量整个半轴生产工艺是否高效、节材的

重要标志。采用楔横轧多楔工艺成形半轴细杆部，

具有显著节省辊面，减小设备重量等优点。但多楔

成形汽车半轴细杆部，轧制各阶段内楔与外楔之间

的制约关系比较复杂，国内外关于楔横轧多楔成形

长轴类零件的理论较少，实际生产中主要依靠经验，

因此楔横轧多楔轧制技术在国民经济和实际生产应

月

用中受到一定程度的限制[1-5]。楔横轧多楔成形长

轴类零件，关键问题是要保证在内外楔过渡段轧件

不折叠，保证轧件接口质量良好，不影响轴类零件

的力学性能。以汽车半轴为例，中华人民共和国汽

车行业标准QC/T294-1999规定汽车半轴表面不应

有折叠、凹陷、黑皮、砸痕和裂纹等表面缺陷。

为了揭示工艺参数对轧件接口质量的影响规律，利

用VB对PRO/E进行二次开发，建立了楔横轧多楔

轧制半轴细杆部的三维有限元模型，通过对ANSYS

的二次开发，编制了楔横轧多楔轧制半轴细杆部有

限元模拟的参数化命令流程序并进行了有限元数值

模拟和轧制试验，研究结果为楔横轧多楔成形长轴

类零件选择模具工艺参数时提供了理论依据和参

考。

1多楔轧制的有限元模型

楔横轧多楔成形汽车半轴细杆部时，相当于内

外楔同时对一个光轴（等直径轴）进行成形，外楔

的起楔位置和形状对过渡段轧件的接口质量有重要

影响。本文采用外楔楔入段将轧件轧成斜台阶作为

对接形状，外楔的起始位置从内楔进入展宽段开始，

如图1所示，图1中zα为过渡角，多楔模具如图2

所示。由于工艺参数的选取不同，过渡段轧件的表

面接口质量是不一样的。为了进一步研究其影响规

律，采用图3所示的有限元模型，通过改变各工艺

参数，利用商用大型有限元模拟软件

ANSYS/LS-DYNA模拟多楔轧制过程，分析了多楔

成形长轴类零件时工艺参数对轧件接口质量的影响

规律。本文数值模拟和轧制实验采用的材料均为45

钢，有限元模拟时假定材料为多段线性弹塑性材料

模型，该模型是一个非常通用的塑性模型，特别适

用于钢。计算中材料的力学性能参数如下：轧辊的

弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，密度为7.82×103

kg/m3。轧制工艺参数为轧件直径d0=40mm，轧

辊直径D=620mm。楔横轧多楔模具的工艺参数

如图4所示。

图1内外楔起楔位置及过渡角示意图

图2多楔模具图

图3有限元模型

图4多楔楔横轧模具展开图

2工艺参数对接口质量的影响

2.1轧件接口质量判别方法

当过渡段轧件金属只产生横向和径向变形，而

在轴向只发生较小的轴向变形时，在过渡段轧件的

表面就会形成非圆形状，为了清楚直观的反映不同

工艺参数对过渡段轧件表面接口质量的影响大小，

对有限元模拟结果进行处理时，通过分析过渡段非

圆形状最大尺寸和轧后理论直径差值的一半Δh大

小，作为判断过渡段轧件表面接口质量好坏的依据。

Δh由式（1）确定。显然，Δh越小说明轧件过渡

段的接口质量愈好。

()/2maxnormΔh=d−d(1)

式中dmax――过渡段非圆形状最大尺寸

dnorm――轧件轧后理论直径

2.2工艺参数对接口质量的影响

（1）过渡角的影响。为了研究过渡角对过渡段

轧件表面接口质量的影响规律，选择了一组工艺参

数进行模拟。过渡角影响的工艺参数选择如表1所