1、1毕业论文开题报告机械设计制造及其自动化基于DEFORM的楔横轧无料头轧制过程数值模拟一、选题的背景与意义楔横轧是一种轴类零件成形新工艺，是先进近净成形制造技术的重要组成部分，以其连续、局部的成形方式，在阶梯轴和回转类零件的制造方面显示出特殊的优势1。它既是冶金轧制技术的发展，因为它将轧制等截面型材，发展到轧制变截面的轴类零件；它又是机械锻压技术的发展，因为它将断续整体塑性成形，发展到连续局部塑性成形。所以，楔横轧技术在学科上属冶金和机械的交叉，在产品生产上属新兴科技产业2。楔横轧技术广泛地用于汽车、拖拉机、摩托车、内燃机等轴类零件毛坯的生产。在国内外，用楔横轧工艺已生产出数百种零件毛坯（如图
2、一所示）。图一楔横轧轧制部分零件图图二楔横轧工作原理图1轧辊；2轧件；3挡板楔横轧的成形原理是两个带楔形模具的轧辊，以相同的方向旋转并带动圆形轧件反向旋转，轧件在楔形孔型的作用下，轧制成各种形状的台阶轴3，4（如图二）。楔横轧的变形主要是径向压缩、轴向延伸。与传统的锻造或切削工艺相比，楔横轧工艺有如下优点5，6（1）生产效率大幅度提高。轧辊每旋转一周生产一个产品，楔横轧使用的转速一般为625R/MIN,即每分钟生产625个产品（成对轧制则加倍），生产效率平均提高520倍。今后，伴随着楔横轧技术的进一步完善，生产效率将会有更大的提高。（2）材料利用率显著提高。铸锻之后进行加工的产品，材料利用率一
3、般只有60左右，有的还低于这个数字。楔横轧成形的每一个产品只损失两个料头，利用率一般达到80左右。（3）模具寿命长。根据楔2横轧的工作原理，作用在模具上的力比较小，所以模具的寿命可以很长。一般来说，模具的平均寿命能达到8万10万件。（4）产品精度高。热轧轧件径向尺寸公差可控制在02505MM，长度尺寸公差可控制在051MM。（5）产品质量提高。楔横轧产品由于金属纤维连续，晶粒细化，产品的金相组织好，机械性能明显提高，一般承载能力可提高20左右。（6）振动、噪声均较小，劳动条件得到明显的改善。（7）产品的成形、精整与切断等工序均在轧辊孔型中连续自动完成，易于实现自动化生产。（8）生产人员、设备和
4、厂房面积都可大幅度下降，因此也带来产品成本的大幅度下降。轴类零件产生料头主要是端面凹心导致的7。造成凹心的主要原因是由于楔横轧轧制过程是金属径向压下和轴向延伸的变形过程，轧制端部尺寸时表层金属比心部金属轴向流动要快89。所以，楔横轧轧制成形轴类零件时，需要通过切削加工除去料头，从一定程度上降低了材料的利用率，限制了楔横轧技术的发展，不适应当今节约型社会需求。为进一步提高楔横轧材料利用率，开展轴类零件无料头楔横轧近净成形技术研究，具有重要的理论意义和工程价值。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题研究内容1）无料头轧制过程有限元模型的建立。2）熟悉无料头轧制过程有限元仿真。3）了解无料头轧制规律分
5、析。楔横轧轴类件无料头轧制方法，解决楔横轧轧制轴类件必须端部设置料头技术问题，保证轧件无料头成形，实现轴类零件的经济化生产。拟解决的主要问题一种可避免轧制成形的零件产生料头，提高材料利用率的轴类件无料头楔横轧轧制方法。三、研究的方法与技术路线通过收集和查阅学习各种资料，以及在束学道老师的指导下，学习掌握DEFORM软件和PROE三维制图软件。综合锻炼机械设计，工程材料，机械精度设计和工程校核等方面的知识与技能。一种轴类件无料头楔横轧轧制方法，特点是在轧制模具靠近外端的部位设置一个挡楔，挡楔的倾斜方向与被轧零件端面流动方向一致，且设置挡楔的倾斜角，并设置挡楔上与被轧零件接触的一侧的倒角为1030
6、，然后将待轧毛坯加热到10001200，通过楔横轧机上的轴向进料装置送入两个同向设置有挡3楔的轧制模具中进行轧制即得到无料头的轴类零件；优点是在轧制轴类零件时，挡楔挡住了被轧件上轴向流动比较快的表层金属，减少或避免了被轧件的端部出现凹心，使被轧件不会产生料头，提高了材料利用率，降低了生产成本，而且被轧件的表面质量好。四、研究的总体安排与进度12010年11月24日至2010年12月29日完成开题报告、文献综述和找两篇英文资料。22011年3月14日至2011年4月6日熟悉楔横轧无料头轧制原理，无料头轧制过程有限元模型的建立,无料头轧制过程有限元仿真与分析。32011年4月7日至2010年4月2
7、7日设计进行轴类零件无料头楔横轧近净成形的模具；运用DEFORM软件和PRO/E模拟仿真楔横轧轴类零件无料头楔横轧轧制。42011年4月28日至201年5月6日撰写设计计算说明书并准备答辩。五、主要参考文献1郑振华带有凸轮截面轴类零件的楔横轧成形研究D北京科技大学，2008。2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。3宋玉泉连续局部塑性成形的发展前景J中国机械工程，2000,116567。4李传民，王向丽等金属成形有限元分析实例指导教程M北京，机械工业出版社，2007。工艺参数、轧制参数的确定和模具设计楔横轧轴类零件无料头轧制数值模拟研究无料头轧制
8、规律查阅资料理论和实验结果的分析和综合建立楔横轧轴类零件无料头轧制理论45胡正寰楔横轧技术的现状与展望J锻压技术,199552527。6胡正寰，许协和，沙德元斜轧与楔横轧M北京，冶金工业出版社，1985。7祖汪明楔横轧多楔成形汽车半轴关键技术研究D北京科技大学，2008。8束学道，李传斌，祖汪明一种轴类件无料头楔横轧轧方法P中国专利200910154327，20100609。9马振海，杨翠萍，胡正寰楔横轧轧件端头凹心影响因素的研究J锻压技术，2002，2930。10蒋家龙译捷克的辊式楔横轧J锻压技术，1980。11HOTROLLFORMINGFROMBARSTOCKMETALFORMING，M
9、AR1968，767812JIRIHOLUBTRANSVERSEHOTROLLINGMACHINERY，JAN16,1963，1291335毕业论文文献综述机械设计制造及其自动化基于DEFORM的楔横轧无料头轧制过程数值模拟摘要楔横轧是一种高效，低耗，产品质量好的轴类零件成形新工艺，新技术，是当今先进制造技术的组成部分。理论上某些方面还有待于进一步的探讨和研究。而有限元模拟技术有助于解决这些问题，但由于有限元模拟技术在楔横轧成形模拟中的应用正处于起步阶段，其研究面较窄，人们对于阶梯轴的楔横轧成形仍采用传统的实践实验法进行研究。因此，进行楔横轧阶梯轴成形过程的有限元仿真与分析，对于楔横轧的理论发
10、展和技术推广有着重大的意义。关键词楔横轧；无料头；有限元一、研究历史及研究现状楔横轧是一种轴类零件成形新工艺，具有高效、节材等优点，在国内外已得到较广泛的应用10。但是，随着楔横轧技术的不断推广和应用范围的增大，对楔横轧技术的要求也就越来越高，如何进一步提高材料利用率是促进楔横轧技术推广的一个关键因素。尽管目前楔横轧工艺比锻造和切削工艺材料利用率都得以大大提高，但是楔横轧轧制成形，由于目前现有成形技术都必须要有料头，所以材料利用率一般都在90以下。如果能够去掉每个零件的料头损失，实现无料头轧制，则零件材料的利用率可达到90以上，甚至可以实现少或无切削加工要求。由于楔横轧轧制过程是金属径向压下和
11、轴向延伸的变形过程，轧制端部尺寸时表层金属比心部金属轴向流动要快，如何保证表层流动快的金属能返回而且和心部金属同步，使轧件端部不产生凹心，是辊式楔横轧成形无料头轴类零件技术的一个关键。在解决如何保证楔横轧轧制轴类件端部轧制不发生凹心，解决无料头轧制关键问题的。无头轧制的好处是1钢材全长以恒定速度进行轧制，生产率有较大提高；2因对钢材全长施加恒定张力，使钢材断面形状波动减少，钢材质量改善，这点对热轧扁平材生产特别重要；3由于成品长度不受限制，根据交货状态要求剪切，成品率显著提高；64由于轧材运行稳定性提高，对热轧带钢来说，有利于生产薄规格带钢；5和单块轧制不同，钢品啮入次数减少，减小对轧辊冲击，
12、有利于提高轧辊寿命。楔横轧是一种轴类零件成形新工艺、新技术，它是冶金轧制与机械锻压技术的交叉与发展。作者从事楔横轧技术的研究、开发与推广工作30多年，近几年在国家自然科学基金资助下，对楔轧技术中一些基础理论问题进行了比较系统的研究，本书是在上述工作基础上完成的。本书是一本全面阐述楔横轧技术的专著，主要内容包括轧制原理、变形机理、轧制理论、轧制力能参数、模具设计、模具设计、模具CAD/CAM、机械设备等。楔横轧工艺自六十年代初问世以来受到世人瞩目。首先由捷克斯洛伐克将辊式楔横轧技术应用于工业生产，生产汽车轴类零件和五金工具坯等【4,5】。六十年代后期，原东德将板式楔横轧机也研究成功并投入工业生产
13、，产品包括较大型汽车零件。这项技术在原苏联也得到应用，除辊式、板式楔横轧机外，还研制出单辊弧形式楔横轧机，生产的品种有汽车、拖拉机、电机及煤炭机械上的零件。日本三菱公司、MISUBISHIMOTORS公司也将板式、辊式楔横轧机应用于汽车轴类零件【6】。我国早在五十年代就开始楔横轧的试验，在六十年代初，重庆大学最早进行楔横轧汽车球销的试验研究工作，并获得初步成功,但由于某些原因未能应用于工业生产。七十年代，东北大学、清华大学、上海锻压机床三厂等单位先后开展楔横轧技术研究，并取得了一定的成果，收到较好的经济效果【1】。八十年代以来，北京科技大学、吉林工业大学、北京机电研究所、原机械部的济南铸锻研究
14、所、郑州机械所等单位，先后开展楔横轧的工艺与设备研究工作，并取得了很大进展【8,9,10】。北京科技大学零件轧制中心，自七十年代以来，对楔横轧技术进行较为系统的研究，为楔横轧工艺在我国的推广应用做出了重要贡献。主要工作如下将楔横轧机系列化并指定生产；帮助国内建成并投产的楔横轧生产线70多条；开发并投产的楔横轧轴类品种400多种；在楔横轧技术的理论研究上取得了重要成果；开发模具设计系统软件并已实用化【5】。吉林工业大学在楔横轧变形理论与工7艺开发上作了许多深入的研究。如研究了空心件楔横轧的旋转条件、压扁失稳条件与壁厚变化规律【11】,设计建设了我国第一条集中频感应加热、精密楔横轧与余热淬火为一体
15、的楔横轧自动生产线,成为我国推广应用楔横轧技术的样板。北京机电研究所也在楔横轧技术的研究与应用方面做出了贡献。根据制坯中往往需要变形量超过一次变形极限的实际情况,提出了楔横轧二次变形量分析的理论公式与计算图表,提出了精确截齐曲线的计算方法等，研究了空心件楔横轧的旋转条件和空心件楔横轧中的压扁失稳。通过近几年来的研究、实践，我国楔横轧技术无论是在设备方面还是在工艺方面都取得了一定的进展，现已成为世界上开发和投产楔横轧产品最多的国家之一，专业化楔横轧厂迅猛发展起来，并带来了显著的经济效益和社会效益【10】。随着我国汽车、摩托车等制造业的发展，楔横轧技术必将在我国节材、节能、高效生产领域中发挥重要的
16、作用。楔横轧工艺可生产各种台阶轴类零件，在国内外已生产出数百种零件毛坯。楔横轧既可以用于无切削或少切削的精轧，又可以为模锻件提供毛坯。楔横轧作为一种轴类零件成形新工艺，是先进近净成形制造技术的组成部分。虽然各科研部门对楔横轧技术进行了广泛的理论与实际研究，并取得重大成就。但是目前在楔横轧轧制轴类零件的过程中，轴类零件的材料利用率只有85左右。如何进一步提高轴类零件的材料利用率（达到90以上），是相关企业以及研究人员迫在眉睫的难题。国内许多机械人员专注于此问题的研究，但尚未找到有效的解决方法。国外对此问题的研究也没有出现显著的成果。二、发展动向和趋势一种轴类件无料头楔横轧轧制方法，特点是在轧制模
17、具靠近外端的部位设置一个挡楔，挡楔的倾斜方向与被轧零件端面流动方向一致，且设置挡楔的倾斜角，并设置挡楔上与被轧零件接触的一侧的倒角为1030，然后将待轧毛坯加热到10001200，通过楔横轧机上的轴向进料装置送入两个同向设置有挡楔的轧制模具中进行轧制即得到无料头的轴类零件；优点是在轧制轴类零件时，挡楔挡住了被轧件上轴向流动比较快的表层金属，减少或避免了被轧件的端部出现凹心，使被轧件不会产生料头，提高了材料利用率，降低了生产成本，而且被轧件的表面质量好。8参考文献1胡正寰，张康生，王宝雨，束学道，杨翠苹楔横轧零件成形技术与模拟仿真冶金工业出版社，2004。2胡正寰，张康生,王宝雨等楔横轧零件成形
18、技术与模拟仿真北京冶金工业出版社，2005。3胡正寰，张康生,王宝雨等楔横轧理论与应用北京冶金工业出版社，1996。4JIRIHOLUBTRANSVERSEHOTROLLINGMACHINERY，JAN16,1963，129133。5蒋家龙译捷克的辊式楔横轧锻压技术，1980。6张庆生国外楔横轧情况及工艺参数锻压技术，1979，31518。7HOTROLLFORMINGFROMBARSTOCKMETALFORMING，MAR1968，7678。8王宝雨，胡正寰楔横轧楔入轧制接触面几何形式北京科技大学学报，1998,202169173。9马振海，胡正寰，杨翠平等楔横轧展宽段变形特征与应力应变分析
19、北京科技大学报,2002,24（3）309312。10胡正寰等重视零件轧制装备的研究21世纪前冶金装备发展及对策论文集冶金工业出版社，1998。11张承鉴,任广升等多楔同步楔横轧理论与工艺农业机械学报，1988，19（3）5360。9本科毕业论文（20届）基于DEFORM的楔横轧无料头轧制过程数值模拟10摘要摘要楔横轧是一种轴类零件成形新工艺，具有高效、节材等优点，在国内外已得到较广泛的应用。但是，近年来随着计算机技术的发展,用数值模拟的方法来研究楔横轧成形也逐渐发展起来,并且已经证明有限元数值模拟是一种高效且实用的新型研究方法。本文采用三维造型软件PROE建立模具与轧件实体模型,导入到有限元
20、分析专业软件DEFORM3D中建立轧件变形模型,对轴类件楔横轧成形的整个过程进行数值模拟仿真计算，分析其无料头轧制过程金属流动规律。研究结果为实现轴类零件无料头轧制，提高材料的利用率奠定理论基础。首先，分析了楔横轧的轧制原理及轧齐理论，并进行了深入研究，得出了一些关键结论轧制时金属流动规律，轧件的主要缺陷中心疏松与轧件端面凹心等发生机理，为零件质量打下基础。然后根据楔横轧原理进行模具设计。得出了确定各个工艺参数的一般原则及方法。这一方法为今后进行楔横轧的设备设计奠定了基础。最后，在上述工作的基础上实现了轧制成形过程，轧制应力场与应变场，模具设计与制造的数据模拟及仿真。证明了所提出的楔横轧有限元
21、建模的可行性及实用性。关键词楔横轧；无料头；有限元；模拟。11ABSTRACTCROSSWEDGEROLLINGISAKINDOFAXIALPARTSFORMINGNEWPROCESS,HIGHEFFICIENCY,MATERIALS,ETC,ATHOMEANDABROADHASBEENMOREWIDELYUSEDHOWEVER,INRECENTYEARSWITHTHEDEVELOPMENTOFCOMPUTERTECHNOLOGY,ITSDEVELOPEDUSINGNUMERICALSIMULATIONMETHODTOSTUDYTHECROSSWEDGEROLLINGFORMINGALSOGR
22、ADUALLYDEVELOPED,ANDHASYETTOPROVETHEFINITEELEMENTSIMULATIONISANEFFECTIVEANDPRACTICALNEWRESEARCHMETHODSUSINGTHREEDIMENSIONALMODELINGSOFTWAREPROEESTABLISHMOULDSANDROLLEDPIECEINTOSOLIDMODEL,FINITEELEMENTANALYSISOFPROFESSIONALSOFTWAREDEFORM3DROLLEDPIECEDEFORMATIONMODELOFTHESHAFTCROSSWEDGEROLLINGTOSIMULA
23、TETHEWHOLEPROCESSOFSIMULATIONANALYZEITSANTICIPATEHEADROLLINGPROCESSMETALFLOWRULERESEARCHRESULTSFORREALIZINGTHEAXIALPARTS,IMPROVEWITHOUTMATERIALHEADROLLINGMATERIALUTILIZATIONRATIOANDLAYATHEORETICALFOUNDATIONFIRST,ROLLINGPRINCIPLESANDALLTHEORYCROSSWEDGEROLLINGAREANALYZED,ANDCONDUCTEDINDEPTHSTUDY,ANUMB
24、EROFKEYCONCLUSIONDRAWNROLLINGMETALFLOWLAW,THEMAJORFLAWSOFROLLING,PATHOGENESISOFCENTERPOROSITYANDROLLINGENDCONCAVEHEARTANDSOANLAYTHEFOUNDATIONFORTHEQUALITYOFPARTSANDTHENMOLDDESIGNISCARRIEDOUTUNDERTHEPRINCIPLEOFCROSSWEDGEROLLINGCOMETOTHEGENERALPRINCIPLESANDMETHODSOFVARIOUSPROCESSPARAMETERSTHISAPPROACH
25、CARRIEDOUTFORTHECROSSWEDGEROLLINGDEVICESDESIGNEDFINALLY,BASEDONTHEABOVEMENTIONEDWORK,ACHIEVEDTHEROLLINGFORMINGPROCESS,ROLLINGSTRESSFIELDANDTHESTRAINFIELD,DATASIMULATIONANDEMULATIONOFMOULDDESIGNANDMANUFACTUREFINITEELEMENTMODELINGOFCROSSWEDGEROLLINGAREPROVEDFEASIBLEANDPRACTICALWHICHAREPROPOSEDBEFOREKE
26、YWORDSCROSSWEDGEROLLINGNOMATERIALHEADFEMSIMULATION。12目录摘要10目录121绪论1411楔横轧工艺简介1412楔横轧的发展及应用15121国外发展情况15122国内发展情况1613本课题的研究意义172轧件设计1921加工余量的确定19211径向加工余量来的确定19212毛坯与坯料尺寸的确定20213毛坯20214直径与长度的确定20215热态毛坯尺寸21216模具精整区型腔尺寸22217计算断面收缩率与初选、22218孔型几何尺寸设计2322轧件尺寸的计算2323轧件的计算机描述243楔横轧模具设计2531模型建立2532几何模型的建立25
27、4基于DEFORM3D无料头轧制过程数值模拟2841仿真所用软件DEFORM3D的介绍28411DEFORM的发展28412DEFORM的特点29413DEFORM3D应用举例30414DEFORM3D软件的模块结构301342无料头轧制过程的数值模拟31421横截面上的应变分布31422纵截面上的应变分布3143展宽段轧件截面上的应变场特征32431横截面上的应变分布32432纵截面上的应变分布3344起楔段轧件截面上的应力场特征33441横截面上应力33442纵截面上的应力分布3445展宽段轧件截面上的应力场特征35451横截面上的应力分布35452纵截面上的应力分布355结论37参考文献
28、38致谢27第14页共39页1绪论11楔横轧工艺简介楔横轧是一种轴类零件成型新工艺、新技术。这种工艺在科学上属于冶金和机械学科的交叉，与传统的切削、锻造零件成形工艺相比较，它具有生产效率高37倍，节约材料2040，生产成本低30左右等优点，被公认为当今先进制造技术的组成部分。楔横轧的工艺原理（如图11所示），两个带楔型模具的轧辊，以相同的方向旋转并带动圆形轧件旋转，轧件在楔形孔型的作用下，扎制成各种形状的台阶轴。楔横轧的变形主要是径向压缩、轴向延伸。在国内外，用楔横轧工艺已生产出数百种零件毛坯。（如图12所示）。如图11楔横轧的工艺原理如图12楔横轧轧制部分零件楔横轧工艺可生产各种台阶轴类零件
29、，在国内外已生产出数400多种零件毛坯。其中台阶可以是直角台阶、斜台阶、圆弧台阶（包括凸圆弧台阶和凹圆弧台阶）和窄凹档台阶等。可单台阶，也可以是组合台阶。楔横轧工艺已热轧为主，小直径产品可实现冷轧。产品直径范围为6150，长度范围40120。楔横轧既可以用于无切削或少切削的精轧，又可以为模锻件提供毛坯。对第一种情况，往往精度要求较高，因此模具费用较高，适用于大批量生产。对第二种情况，因仅仅是进行体积的再分配，所以模具形状简单，适用小批量生产。与其它常用的成形工艺（如锻造、铸造）相比，楔横轧有以下优点生产效率大幅度提高。轧辊每旋转一周就生产一个产品，楔横轧使用的转速一般为625RMIN，即每分钟
30、生产625个产品（成对轧制则加倍），生产第15页共39页效率平均提高520倍。今后，伴随着楔横轧技术的进一步完善，生产效率将会更大的提高。材料利用率显著提高。铸锻之后进行机加工的产品，材料利用率一般只有60左右，有的还要低于这个数字。楔横轧成形的每一个产品只损失两个料头，利用率一般达到80以上。精密楔横轧可达到90以上，即达到少切削，甚至无切削的目的。模具寿命长。根据楔横轧的工作原理，作用在模具上的力比较小，所以模具的寿命可以很长。模具可以根据零件由几块组合而成，因此磨损部分可以很容易更换。一般说来，模具的平均寿命能达到100000150000件。产品精度高。热轧件径向尺寸公差可控制在0205
31、，长度尺寸公差可以控制在011。采用高强度轧机或冷轧机，尺寸精度还可提高，甚至可以达到无切削加工。产品质量提高。楔横轧产品由于金属纤维连续，晶粒细化，产品的机械性能明显提高，一般承载能力可提高20左右。振动、噪声均较小，劳动条件得到明显改善。产品的成形、精整与切断等工序均在轧辊孔型中连续自动完成，易于实现自动化生产。生产人员、设备、和厂房面积都可大幅度下降，因此也带来成本的大幅度下降。12楔横轧的发展及应用121国外发展情况楔横轧技术，作为轴类零件的生产方法，其研究的历史可以追溯到19世纪。关于楔横轧轧机的首个专利由LEBEK于1879年提交。受当时技术水平的限制，相应的产品没能被第一台楔横轧
32、轧机制造出来。六年后，SIMONDS试图用该技术生产汽车用车轴，可是，没能使楔横轧得到广泛应用。直到20世纪50年代，HOLUB在捷克斯洛伐克（原）制造出第一台轧机，楔横轧才逐步开始他的商业应第16页共39页用。1967年，东德（前）UWQ40400型楔横轧机定型，并且在莱比锡春季博览会展出。从此，楔横轧技术作为轴类零件工艺技术，得到了广泛关注。楔横轧技术发展了60年的时间才从实验室研究到工业生产。此后，楔横轧技术在欧洲、亚洲和美洲得到了推广。捷克斯洛伐克（前）于20世纪50年代末设计的UL类型轧机可以产生最大直径100毫米，长度600毫米的零件。苏联（前）1987年以前，曾尝试生产各种不同类
33、型的楔横轧设备，包括单辊，水平/垂直二辊以及机械类指定的“1417的热轧生产线。直径在05到130毫米，长度由5至630毫米的零件在当时已能广泛生产。在其他国家，如东德（前），大不列颠，波兰，美国等，其楔横轧技术也有了不同程度的发展。20世纪60年代，东德进行了许多与楔横轧技术相关的尝试。KAUL和MOCKEL在1967年申请了单楔轧机的专利。在这之后，德累斯顿技术大学的DIETRICH和MULLER在1976年研制了单辊轧机，而且对工件变形进行了调查。在英国，HENRYWIGGINANDC有限公司制成了早期的三辊楔横轧原型机。基于这一原型机，雷德曼工程有限公司在1969年制造了三辊楔横轧机。
34、在波兰，一个WPM120专利型机由马齐尼亚克于1972年提出。但是，由于其复杂模具，它仅能实现较小的应用价值。在美国，1972年，BELMONT基于捷克UL35型轧机，研制了双辊楔横轧机。此外，80年代末，ROLFLO公司设计了水平二辊楔横轧机。20世纪中叶，本村申请了日本第一台楔横轧机的专利。同年，一个试验机在日本的物理和化学研究所完成了。二十世纪末，楔横轧机被日本三菱汽车公司用于生产复杂的加强轴，并已在市场上销售。在印度，轧球和环零件的轧机得到广泛使用，如在PROSIM公司和一些大学，本世纪初其楔横轧技术也取得了一些快速发展。122国内发展情况我国在楔横轧上起步不晚，20世纪60年代末，重
35、庆大学、清华大学、东北大学等单位就进行楔横轧的研究与开发工作，并取得相当多理论与实际成果，但未能实现工业上的应用。20世纪60年代初，重庆大学最早进行楔横轧汽车球销的实验研究工作，并取得初步成功，但由于某些原因未能用于工业生产。20世纪70年代初，东北工学院（现东北大学）在实验室轧出火车D轴的模第17页共39页拟件，以后与沈阳轧钢厂合作，试轧出火车D轴，但由于种种原因未能应用于生产。20世纪70年代中期，清华大学与北京电讯工具厂合作，也试轧出尖嘴钳毛坯。上海锻压机床三厂研制成功单辊弧形式楔横轧鲤鱼钳毛坯新工艺，是我国最早将楔横轧应用于生产的单位，并收到较好的经济效果。由于单辊形式楔横轧在模具制
36、造、工艺调整等方面都十分困难，故一直不能得到推广。从20世纪70年代初期起，北京科技大学原北京钢铁学院在较好孔型斜轧技术基础上开展楔横轧技术研究工作。北京科技大学与无锡江南工具厂合作。在我国首先将二辊式楔横轧工艺研制成功并应用于五金工具生产。随后大力进行研究、开发与推广工作，先后帮助工厂建成楔横轧生长线80多条，其中2条出口美国。开发并利用于生产的零件300多种，包括汽车、拖拉机、摩托车、发动机、油泵与水泵等机器轴类零件（如下图），累计生产轴类零件200万T，使我国成为世界上开发并投产楔横轧产品最多国家之一。为此，国家科委编辑中华人民共和国重大科技成果（19791998），收录了北京科技大学的
37、这项研究成果，该研究室并被国家科委、国家教委以及冶金工业部列为“轴类零件轧制（斜轧与楔横轧）研究与推广中心。20世纪80年代以来，机械工业部的济南铸锻研究所、郑州机械锁、北京机电研究所、吉林工业大学，先后开展了楔横轧的研究与开发工作，也取得了不同的进展。13本课题的研究意义轴类零件产生料头主要是端面凹心导致的。造成凹心的主要原因是由于楔横轧轧制过程是金属径向压下和轴向延伸的变形过程，轧制端部尺寸时表层金属比心部金属轴向流动要快2627。所以，楔横轧轧制成形轴类零件时，需要通过切削加工除去料头，从一定程度上降低了材料的利用率，限制了楔横轧技术的发展，不适应当今节约型社会需求。为进一步提高楔横轧材
38、料利用率，开展轴类零件无料头楔横轧近净成形技术研究，具有重要的理论意义和工程价值。本项目将解决楔横轧轧制轴类件时，轧件端部必须设置料头的技术难题，实现轴类件楔横轧无料头轧制成形，材料利用率提高到90以上，实现轴类零件的经济化、节能化生产，适应当今社会的需求。第18页共39页如图13无料头轧制过程图第19页共39页2轧件设计给定一个产品，在进行楔横轧模具设计之前，首先要根据楔横轧工艺的特点及产品要求，确定合理的加工余量，设计楔横轧轧件。21加工余量的确定211径向加工余量来的确定楔横轧轧件径向加工余量的确定主要考虑轧件的弯曲、表面缺陷、径向尺寸精度以及机加工时装夹误差等。楔横轧轧件一般为较长的轴
39、类件，由于轧制时存在轧件受力不均、坯料加热温度不匀、轧件冷却不匀，以及其他多种因素的影响，轧件都会存在一定程度的弯曲。一般来讲，模具较新时，上下两个模具的一致性好，轧件受力均匀，轧件弯曲小；当模具磨损加大、磨损的程度不一致加大时，轧件的弯曲就加大；轧件的直径大、长度短时，弯曲较小，反之就会大些。轧件的弯曲度过大就应进行校直，校直后的轧件也会存在一定的弯曲。生产实际中，一般要求弯曲度不大于0608。轧件的表面缺陷主要有螺旋压痕、异物压入伤痕以及碰伤划伤等。螺旋压痕主要是由于模具的表面和成型面形成的棱过于尖锐造成的；异物压入伤痕主要是由于氧化皮、铁屑等异物在轧制的过程中压入轧件表面造成的；碰伤和划
40、伤主要是在生产及运输过程中形成的，尤其是轧件在轧制完成后出料过程中以及热处理的出料过程中，由于这时的轧件温度很高，轧件很软，很容易碰伤和划伤。另外在装卸过程也容易造成轧件的碰伤和划伤。生产实际中，一般要求表面缺陷不大于0608。轧制过程中，由于坯料加热温度不均匀、模具和轧件接触摩擦状态分布不同以及其他工艺条件变化等多方面因素的影响，轧件的直径会有波动，一般在0104。在进行机械加工时，轧件的装夹和定位也会有误差，尤其是大批量的流水线作业生产中，不可能对每一个产品进行反复找正，使每一个产品的装夹误差最小。机械加工安装的误差一般不大于04。第20页共39页212毛坯与坯料尺寸的确定213毛坯设计的
41、毛坯和工件草图如图21所示图21毛坯和工件草图根据零件外形尺寸制定毛坯尺寸，毛坯尺寸直径040MM214直径与长度的确定中得坯料直径0该轴坯料直径0等于毛坯最大直径D0，即0D040（21）坯料长度L0第21页共39页坯料直径L0的计算公式如下L0V/S02L（22）/4D2L/4D022L332100/402227206MM式中V毛坯总体积，；F0坯料截面面积，；L单侧料头长度，L2；将数值带入式L04021523327/402425975综上所述，轧件的径向加工余量应该综合分析，并根据实际情况确定，一般轧件的直径方向加工余量为25。215热态毛坯尺寸热态毛坯尺寸等于冷态毛坯尺寸乘以热膨胀系
42、数，即DNDNKD（23）LNLNKL（24）KD径向热膨胀系数，KD10091013；KL轴向热膨胀系数，KL10121018。DNDNKD331013333MM（25）LNLNKL720610157314MM（26）第22页共39页216模具精整区型腔尺寸模具精整区型腔尺寸由热态毛坯尺寸却定。轴向尺寸与热态毛坯尺寸一致。径向尺寸为热态毛坯最大直径处增加1深度为基圆间隙，成型方案（22）如图图22成型方案图217计算断面收缩率与初选、1（S0S1）/S0100（133/40）100319（27）根据计算结果最大断面收缩率为319，故成型角、展宽角均可选较大数值。730第23页共39页218孔
43、型几何尺寸设计以第一组数据楔段为例进行下列计算。已知轧辊最大直径DMAX608，楔段轧制所对应的轧辊半径R1304，取1楔入段长度及圆心角LH1COTCOTD0D1KD/2COTCOT（28）4033101/21COT30COT76397式中为基圆间隙，取为1所对应的圆心角1360L1/2R3606397/（2617）594（29）2楔入精整段长度及圆心角L205DK05335184（210）257296L2/R572965184/617481（211）3展宽带长度及圆心角L305L1COT6397COT72605（212）357296L3/R572962605/617491（213）4）展宽
44、精整段长度及圆心角L405DK05335184（214）457296L4/R572965184/617977（215）22轧件尺寸的计算轧件径向尺寸的计算比较简单，将零件各处直径加上加工余量即可得到轧件的直径。轧件轴向尺寸的计算要复杂一些。轧件的各轴段长度有的要由零件该轴端的长度加上加工余量，有的要减去加工余量，有的不加也不减。第24页共39页零件直径比相邻轴段大的轴段长度就要加上加工余量的尺寸，反之就要减去加工余量的尺寸。零件直径大小介于两个相邻轴段直径之间的轴段长度不变。23轧件的计算机描述描述楔横轧轧件的形状尺寸可以有多种方法，但从进行楔横轧模具设计角度讲，描述轧件的图形模型应该具有以下
45、三个特点便于计算机进行图形识别和后续处理；易于操作者用习惯的方法迅速为计算机输入轧件的全部图形信息；充分体现楔横轧轧件的整体性。经过综合分析比较，选用以体素法来建立描述楔横轧轧件的计算机模型。基本体素的选择是很重要的。如果体素选择得过于复杂，不仅增加了基本体素的量，给原始的数据输入和后续的计算机处理带来困难，而且会将基本体素的数据描述复杂化，导致再用简单的体素来描述复杂的体素。反之，如果体素选得过于简单，对某些问题就显得太零碎，使用户得不到较完整的形象，从而也不便于应用。根据楔横轧轧件的特点，选用圆柱体、圆锥体。圆弧回转体作为构造楔横轧轧件的基本体素，需要指出的是，由于楔横轧轧件的结构比较简单
46、，在用基本体素构造，无需像一般三维造型设计进行复杂的相交、相切、相贯以及隐线面的计算机处理。因此，原则上来讲只是应用了基本体素构造三维实体的概念。第25页共39页3楔横轧模具设计该轴为近似对称零件。可采用对称轴轧制，然后机加工切除余量。由于该轴的断面收缩率均位小于75，利于模具设计，保证模具精度。31模型建立DEFROM3DR软件支持多种CAD系统如PROENGINEER以及STL/SLA格式。本模型采用PROENGINEER进行建模，另存为STL格式后导入软件前处理器，如图所示，中间是轧件，上下分别是上轧辊和下轧辊，轧件左右为左挡板和右挡板。如图31楔横轧有限元模型3几何模型的建立在楔横轧成
47、形过程中，轧件既发生径向压缩，又产生轴向延伸，该工艺过程个复杂的三维塑性变形过程。因此，用于模拟计算的几何模型也应三维模型，这样才能使仿真结果更接近楔横轧工艺的真实结果，尽量减小模拟过程中的失真。具有和其他PROENGINEER软件的接口，通过这些接口第26页共39页可以相互传输数据，本文选择使用三维造型软件来建立轧件及模具模型，设置好几何参数后保存为格式的文件，通过的接口导入，然后进行模拟计算。所建立的几何模型如下图所示如图32轧辊第27页共39页图33挡板如图34坯料如图35轧制成品第28页共39页4基于DEFORM3D无料头轧制过程数值模拟41仿真所用软件DEFORM3D的介绍DEFOR
48、M3D是一套基于工艺模拟系统的有限元系统FEM，专门设计用于分析各种金属成形过程中的三维3D流动，提供极有价值的工艺分析数据，有关成形过程中的材料和温度流动。典型的DEFORM3D应用包括锻造、挤压、镦头、轧制,自由锻、弯曲和其他成形加工手段DEFORM3D是模拟3D材料流动的理想工具。它不仅鲁棒性好，而且易于使用。DEFORM3D强大的模拟引擎能够分析金属成形过程中多个关联对象耦合作用的大变形和热特性。系统中集成了在任何必要时能够自行触发自动网格重划生成器，生成优化的网格系统。在要求精度较高的区域，可以划分较细密的网格，从而降低题目的规模，并显著提高计算效率。DEFORM3D图形界面，既强大
49、又灵活。为用户准备输入数据和观察结果数据提供了有效工具。DEFORM3D还提供了3D几何操纵修正工具，这对于3D过程模拟极为重要。DEFORM3D延续了DEFORM系统几十年来一贯秉承的力保计算准确可靠的传统。在最近的国际范围复杂零件成形模拟招标演算中，DEFORM3D的计算精度和结果可靠性，被国际成形模拟领域公认为第一。相当复杂的工业零件，如连杆,曲轴,扳手,具有复杂筋翼的结构零件,泵壳和阀体，DEFORM3D都能够令人满意地例行完成。411DEFORM的发展20世纪70年代后期，位于美国加州伯克利的加利福尼亚的加利福尼亚大学小林研究所在美国军方的支持下开发出了有限元软件ALPID，1990年在此基础上开发出DEFORN2D软件。该软件的开发者独立出来成立SFEC公司（SECIENTIF
