汽车半轴楔横轧多楔成形力能参数数值模拟与实验

２００８年６月农业机械学报第３９卷第６期汽车半轴楔横轧多楔成形力能参数数值模拟与实验赵静鲁力群胡正寰【摘要】轧制力和轧制力矩是楔横轧汽车半轴轧机设计中的重要参数，由于多楔成形半轴过程中主侧楔的相互制约作用，轧制过程中力能参数变化复杂。采用二次开发的有限元命令流程序系统分析了工艺参数对多楔成形半轴时力能参数的影响规律；开发了力能参数的计算机数据采集及测试系统，在线测试了各工艺参数对力能参数的影响规律，测试结果与理论分析结果相符。关键词：楔横轧多楔工艺参数有限元法力能参数实验中图分类号：犜犌３３１文献标识码：犃犖狌犿犲狉犻犮犪犾犛犻犿狌犾犪狋犻狅狀犪狀犱犈狓狆犲狉犻犿犲狀狋狅犳犕犲犮犺犪狀犻犮犪犾犘犪狉犪犿犲狋犲狉狊犻狀犉狅狉犿犻狀犵犃狌狋狅犿狅犫犻犾犲犛犲犿犻犪狓犲狊狑犻狋犺犕狌犾狋犻狑犲犱犵犲犆狉狅狊狊犠犲犱犵犲犚狅犾犾犻狀犵犣犺犪狅犑犻狀犵１犔狌犔犻狇狌狀１，２犎狌犣犺犲狀犵犺狌犪狀２（１犛犺犪狀犱狅狀犵犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔，犣犻犫狅２５５０４９，犆犺犻狀犪２犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犛犮犻犲狀犮犲犪狀犱犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔犅犲犻犼犻狀犵，犅犲犻犼犻狀犵１０００８３，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋犝狊犻狀犵犳犻狀犻狋犲犲犾犲犿犲狀狋犿犲狋犺狅犱，狋犺犲狏犪狉狔犻狀犵狉狌犾犲狅犳犿犲犮犺犪狀犻犮犪犾狆犪狉犪犿犲狋犲狉狊狑犻狋犺狋犲犮犺狀狅犾狅犵狔狆犪狉犪犿犲狋犲狉狊狑犪狊犪狀犪犾狔狕犲犱狊狔狊狋犲犿犪狋犻犮犪犾犾狔犻狀犿狌犾狋犻狑犲犱犵犲犮狉狅狊狊狑犲犱犵犲狉狅犾犾犻狀犵犳狅狉犿犻狀犵犪狌狋狅犿狅犫犻犾犲狊犲犿犻犪狓犲狊．犜犺犲狋犲狊狋犻狀犵狊狔狊狋犲犿狅犳犿犲犮犺犪狀犻犮犪犾狆犪狉犪犿犲狋犲狉狊犫狔狌狊犻狀犵犮狅犿狆狌狋犲狉犮狅犾犾犲犮狋犲犱犱犪狋犪狑犪狊犱犲狏犲犾狅狆犲犱．犜犺狉狅狌犵犺狋犺犻狊狋犲狊狋犻狀犵狊狔狊狋犲犿，狋犺犲犻狀犳犾狌犲狀犮犲狉狌犾犲狅犳狉狅犾犾犻狀犵犳狅狉犮犲犪狀犱狉狅犾犾犻狀犵犿狅犿犲狀狋犪狋犱犻犳犳犲狉犲狀狋狋犲犮犺狀狅犾狅犵狔狆犪狉犪犿犲狋犲狉狊狑犪狊狋犲狊狋犲犱狅狀犾犻狀犲．犜犺犲狉犲狊狌犾狋狅犳狋犲狊狋犮狅狉狉犲狊狆狅狀犱犲犱狑犻狋犺狋犺犲狋犺犲狅狉犲狋犻犮犪犾犪狀犪犾狔狊犻狊．犜犺犲狉犲狊犲犪狉犮犺狉犲狊狌犾狋狊狆狉狅狏犻犱犲犱犻犿狆狅狉狋犪狀狋狋犺犲狅狉狔犳狅狌狀犱犪狋犻狅狀犳狅狉犱犲犳犻狀犻狀犵狆犪狉犪犿犲狋犲狉狊狅犳狉狅犾犾犻狀犵犳狅狉犮犲犪狀犱狉狅犾犾犻狀犵犿狅犿犲狀狋犳狅狉犱犲狏犲犾狅狆犻狀犵犿狌犾狋犻狑犲犱犵犲犮狉狅狊狊狑犲犱犵犲狉狅犾犾犻狀犵犿犻犾犾狅犳犳狅狉犿犻狀犵犪狌狋狅犿狅犫犻犾犲狊犲犿犻犪狓犲狊．犓犲狔狑狅狉犱狊犕狌犾狋犻狑犲犱犵犲犮狉狅狊狊狑犲犱犵犲狉狅犾犾犻狀犵，犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔狆犪狉犪犿犲狋犲狉狊，犉犻狀犻狋犲犲犾犲犿犲狀狋犿犲狋犺狅犱，犕犲犮犺犪狀犻犮犪犾狆犪狉犪犿犲狋犲狉狊，犈狓狆犲狉犻犿犲狀狋收稿日期：２００７０５２８国家自然科学基金资助项目（项目编号：５０４７５１７５、５０４３５０１０）赵静山东理工大学轻工与农业工程学院副教授博士，２５５０４９淄博市鲁力群山东理工大学交通与车辆工程学院工程师博士生（北京科技大学）胡正寰北京科技大学机械工程学院教授博士生导师中国工程院院士，１０００８３北京市引言汽车半轴是在差速器与驱动轮之间传递动力的实心轴。目前，国内外半轴成形的主要方法有锻造成形法和楔横轧单楔成形法。锻造工艺生产汽车半轴存在生产效率低、材料利用率低、投资大、成本高等缺点。楔横轧单楔成形汽车半轴方法，虽然可以解决传统锻造方法生产存在的缺点，但对于汽车半轴这样的长轴类零件，将使辊面长度大大增加，设备重量增加。如采用楔横轧多楔轧制成形汽车半轴，将具有明显节省轧辊辊面，减小设备重量，降低模具生产成本等优点。采用楔横轧多楔成形汽车半轴，需要设计多楔轧机，因此准确计算力能参数的大小对于设计轧机设备具有重要的意义，因为它是机座中主要零部件强度、刚度及电动机功率计算的主要依据之一。目前计算楔横轧力能参数的方法基本上都是采用上限法和滑移线法［１～４］，由于这些方法计算过程复杂且作简化较多，所以分析结果都是近似的，至今无统一理论可寻。本文在有限元软件犃犖犛犢犛／犔犛犇犢犖犃的基础上进行二次开发，对某一汽车半轴编制命令流程序和编辑．犓文件，模拟楔横轧多楔轧制汽车半轴的过程，并分析各工艺参数对力能参数的影响规律，为多楔汽车半轴轧机的设计提供理论依据。１力能参数的理论计算楔横轧多楔成形汽车半轴时，存在主楔和侧楔之间的相互制约关系，所以其轧制过程中力能参数的变化也比较复杂。由于犃犖犛犢犛／犔犛犇犢犖犃软件只能求出轧件在狓、狔方向的力犉狓、犉狔，而不能直接得到轧制力矩的大小，因此，需要对轧辊和轧件进行受力分析，确定轧制力，然后求出轧制力矩。楔横轧轧制过程轧辊和轧件的受力如图１所示，图１中犘为正压力，犳为摩擦力，γ为正压力犘与狔方向的夹角．由此得到如下关系式犉狓＝犳犮狅狊γ－犘狊犻狀γ（１）犉狔＝犳狊犻狀γ＋犘犮狅狊γ（２）犳＝μ犘（３）式中μ———摩擦因数联立式（１）～（３），得犘＝犉２狓＋犉２狔μ２槡＋１（４）所以，作用于轧辊上的轧制力矩为犜＝μ犘犇（５）式中犇———轧辊直径将式（４）代入式（５），得犜＝μ犇犉２狓＋犉２狔μ２槡＋１（６）由式（６）可知，将通过有限元模拟得到的犉狓、犉狔值代入式（６），即可计算出轧制力矩的大小。图１楔横轧轧辊受力图犉犻犵．１犅犲犪狉犻狀犵犳狅狉犮犲狅犳狉狅犾犾犪犫狅狌狋犮狉狅狊狊狑犲犱犵犲狉狅犾犾犻狀犵２计算参数的确定和有限元模型的建立２１计算参数的确定楔横轧多楔轧制工艺参数展宽角β、成形角α、断面收缩率φ是楔横轧模具设计中最重要、最基本的工艺设计参数。这３个基本模具工艺参数和轧件直径与力能参数之间存在着密切而复杂的关系，是影响楔横轧多楔轧制力能参数的主要因素。因此，本文主要针对展宽角β、成形角α、断面收缩率φ以及轧件直径犱０对轧制力和轧制力矩的影响进行数值模拟和分析。为了获得展宽角、成形角、断面收缩率和轧件直径４个工艺参数对轧制力和轧制力矩的影响规律，采用在其他３个工艺参数不变的情况下，改变其中１个工艺参数进行模拟。模拟分４组进行，其计算参数如表１所示，汽车半轴尺寸如图２所示。表１模拟的计算参数犜犪犫．１犆犪犾犮狌犾犪狋犻狀犵狆犪狉犪犿犲狋犲狉狊犻狀狊犻犿狌犾犪狋犻狅狀组数展宽角β／（°）成形角α／（°）断面收缩率φ／％轧件直径犱０／犿犿１８２８４５、５５、６５、７０４０２８２０、２４、２８、３２５５４０３５、６、７、８２８５５４０４８２８５５３０、４０、５０图２某一轻型汽车半轴尺寸图犉犻犵．２犇犻犿犲狀狊犻狅狀狅犳犪狀犪狌狋狅犿狅犫犻犾犲狊犲犿犻犪狓犻狊２２有限元模型的建立楔横轧多楔成形汽车半轴时，既有径向压缩和轴向延伸，又存在横向扩展，其边界条件很复杂。在建立有限元分析模型时，只有充分考虑上述多种因素，才能得到成形过程比较真实的描述。为此作如下假设：轧辊视为刚体，采用刚性壳单元（犛犺犲犾犾１６３）进行网格划分。原因是轧辊的刚度大，弹性变形较小可忽略；轧件视为弹塑性体，采用８节点三维实体单元（犛狅犾犻犱１６４）进行网格划分，因为轧件的成形属连续局部大弹塑性变形过程；轧辊与轧件的接触采用表面表面接触模型（犛犜犛），轧辊表面为目标面，轧件表面为接触面；接触摩擦简化为库仑摩擦。轧制温度为１０５０℃。轧辊与轧件的楔横轧多楔有限元计算模型如图３所示。３工艺参数对力能参数的影响规律３１断面收缩率在α＝２８°，β＝８°时，轧制力和轧制力矩随断面收缩率的变化规律如图４所示。从图４可以看出，随着断面收缩率的增大，轧制力和轧制力矩均呈下降趋势，当进入稳定轧制阶段，断面收缩率为７０％所需的轧制力和轧制力矩比断面收缩率为４５％时５８１第６期赵静等：汽车半轴楔横轧多楔成形力能参数数值模拟与实验图３楔横轧多楔轧制汽车半轴有限元模型犉犻犵．３犉犻狀犻狋犲犲犾犲犿犲狀狋犿狅犱犲犾狅犳犿狌犾狋犻狑犲犱犵犲犮狉狅狊狊狑犲犱犵犲狉狅犾犾犻狀犵约减少了１７％。因为随着断面收缩率的增大，轧辊的压下量增加，轴向流动增大，并且断面收缩率愈大，金属变形越接近轧件中心，金属轴向流动容易，所以径向力减小。但随着断面收缩率的增大，变形程度加大，轧制接触面积显著增加，横向力增加。但总体上分析，随着断面收缩率的增加，横向力增加的数值（４５％时横向力７００８犽犖，７０％时横向力７８６９８犽犖，增加８６１８犽犖）远不如径向力减少的数值大（４５％时径向力２４５２５犽犖，７０％时径向力１９５８６犽犖，减少４９３９犽犖），所以随着断面收缩率增大，轧制力和轧制力矩均减小．图４断面收缩率对力能参数的影响犉犻犵．４犐狀犳犾狌犲狀犮犲狅犳犪狉犲犪狉犲犱狌犮狋犻狅狀狅狀狉狅犾犾犻狀犵犳狅狉犮犲犪狀犱狉狅犾犾犻狀犵犿狅犿犲狀狋（犪）轧制力（犫）轧制力矩３２成形角在φ＝５５％，β＝８°时，轧制过程中轧制力和轧制力矩随不同，成形角的变化规律如图５所示。由图５可以看出，随着成形角的增大，轧制力和轧制力矩均减少，成形角为３２°时，所需的轧制力和轧制力矩比成形角２０°时约减少１３％。因为成形角增大，使轧件轧制区金属的轴向流动量增加，金属流动更加容易，金属变形抗力减小，同时使轧制接触面积减少，所以随着成形角的增大，轧制力和轧制力矩均减小。图５成形角对力能参数的影响犉犻犵．５犐狀犳犾狌犲狀犮犲狅犳犳狅狉犿犻狀犵犪狀犵犾犲狅狀狉狅犾犾犻狀犵犳狅狉犮犲犪狀犱狉狅犾犾犻狀犵犿狅犿犲狀狋（犪）轧制力（犫）轧制力矩３３展宽角在φ＝５５％，α＝２８°时，轧制过程中轧制力和轧制力矩随展宽角的变化规律如图６所示。从图６可以看出，随着展宽角的增大，轧制力和轧制力矩均增加。展宽角β＝８°时，所需轧制力和轧制力矩比β＝５°时约增加５３％。因为展宽角增大使轧件变形区内金属的流动量增加，轴向压缩量增大，变形程度加大，轧件的轴向延伸受到的阻力增加，恶化了应力状态，轴向拉应力减小；另外，轧件沿径向发生塑性变形的轴部接触面积也随展宽角的增大而增加，所以轧制力和轧制力矩均因展宽角的增大而增大。３４轧件直径在φ＝５５％，α＝２８°，β＝８°时，轧制力和轧制力矩随轧件直径的变化规律如图７所示。从图７可以看出，随着轧件直径的增大，轧制力和轧制力矩均增加，轧件直径犱０＝５０犿犿时所需的轧制力和轧制力６８１农业机械学报２００８年图６展宽角对力能参数的影响犉犻犵．６犐狀犳犾狌犲狀犮犲狅犳狊狆狉犲犪犱犻狀犵犪狀犵犾犲狅狀狉狅犾犾犻狀犵犳狅狉犮犲犪狀犱狉狅犾犾犻狀犵犿狅犿犲狀狋（犪）轧制力（犫）轧制力矩图７轧件直径对力能参数的影响犉犻犵．７犐狀犳犾狌犲狀犮犲狅犳狉狅犾犾犲犱狆犪狉狋狊犻狕犲狅狀狉狅犾犾犻狀犵犳狅狉犮犲犪狀犱狉狅犾犾犻狀犵犿狅犿犲狀狋（犪）轧制力（犫）轧制力矩图８断面收缩率对力能参数影响的测试结果犉犻犵．８犜犲狊狋狉犲狊狌犾狋狅犳犪狉犲犪狉犲犱狌犮狋犻狅狀狅狀犿犲犮犺犪狀犻犮犪犾狆犪狉犪犿犲狋犲狉狊（犪）压制力（犫）压制力矩矩比犱０＝３０犿犿时约提高了１２６％。因为随着轧件尺寸的增大，轧制接触面积显著增大，而接触面内单位压力变化远小于接触面积增大的变化，所以轧制力和轧制力矩均增大。４力能参数的实验测试实验测试的目的是为了获得工艺参数对力能参数的影响规律，测试在北京科技大学零件轧制中心的犎６３０型楔横轧机上进行，采用启动轧制的方式轧制零件。本实验中扭矩的测量采用美国犅犻狀狊犳犲犾犱犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵犐狀犮公司生产的型号为犜狅狉狇狌犲犜狉犪犽９０００扭矩仪进行测定。它采用无限自动测量的方法，由发射机，应变测量仪和接收机组成。应变测量仪固定在轧机的联轴器上，接收机和信号放大器相连接。轧制力由安装在轧辊的２个轴承座与２个径向调整螺丝上的压力传感器测得。压力传感器和扭矩仪测得的数据通过计算机数据采集系统可直接输入到计算机中。由于论文篇幅有限，这里只给出断面