1、1毕业论文开题报告机械设计制造及其自动化空心轴轧制成形数值模拟一、选题的背景和意义改革开发以来，我国经济飞速发展，为机械制造业的发展带来了巨大的动力。空心轴是最常见和用途最广的轴类零件，其具有重量轻，强度高，材料省等优点，被广泛应用于汽车、摩托车、电机中。经过几十年的发展，楔横轧技术逐渐被应用到空心轴的生产中。与传统的锻造或切削工艺相比，楔横轧工艺具有如下优点（1）生产效率高。每分钟可以轧制1030个工件，通常是其他工艺的520倍。（2）材料节约。在传统机械加工中（如切削加工）约有40的材料以切屑的形式浪费，而在楔横轧工艺中浪费的材料不足10。（3）产品质量好。楔横轧件金属纤维流线沿产品外形连
2、续分布，并且晶粒进一步得到细化，所以其机械性能较好。（4）工作环境好。由于楔横轧轧制过程中无冲击，噪音小，工作环境得到改善。（5）自动化程度高。楔横轧件从成形、表面精整到最后成品都是由机器自动完成，所需操作人员少。随着计算机技术的发展，运用有限元分析软件DEFORM来研究空心轴楔横轧成为最方便、最直接的方法。研究空心轴轧制成形原理，运用PRO/E软件建立三维模型，应用有限元数值分析软件DEFORM软件，对空心轴轧制成形过程进行计算机数值模拟，研究其成形机理。通过几十年的研究、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。
3、随着我国制造业的发展，楔横轧技术必将为我国节能、节材、高效生产领域发挥重要作用。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题研究的基本内容21、研究空心轴轧制成型原理。两个带楔形模的轧辊，以相同的方向旋转，带动圆形坯料旋转，坯料在楔形型的作用下，轧制成各种形状的台阶轴。2、建立空心轴三维模型。在PRO/E中建立模具、工件、挡板等的三维实体模型。3、导入三维模型，确定物理模型，应用DEFORM软件建立数值仿真模型，研究空心轴轧制变形机理。物理模型构造是否合理直接影响着计算效率、求解精度，所以，在构造物理模型时，以理论为指导，对各因素考虑周全，经过多次试算、对比分析、优化，最终得到一个能反映真实情况而又高
4、效的模型。4、研究工艺参数对轧制过程中模具、工件变形规律。从壁厚、成形角、楔展角、断面收缩率、轧制速度等工艺参数对模具、工件变形规律来分析。拟解决的主要问题用有限元分析软件DEFORM对空心轴轧制成型过程进行计算机数值模拟，研究其成型机理，为楔横轧技术进一步解决实际问题提供一些理论基础。三、研究的方法与技术路线3通过建立三维模型，运用有限元数值分析软件DEFORM对楔横轧成形空心轴成形机理研究，分析不同工艺参数对轧制过程中模具、工件的变形规律。四、研究的总体安排与进度12周完成文献资料查阅、两篇英文翻译；34周结合所学知识和查找的文献写文献综述、开题报告；5周总体方案设计，研究空心轴轧制成型原
5、理；6周建立三维数值模拟模型，在PRO/E中建立模具、工件、挡板等的三维实体模型；78周导入三维模型，应用DEFORM软件建立数值仿真模型，研究空心轴轧制变形机理；910周研究工艺参数（如壁厚、成形角、楔展角、断面收缩率、轧制速度等）对轧制过程中模具、工件的变形规律；1113周总结研究结果，书写论文一份（10000字，约40页以上）。参考文献研究空心轴轧制成型原理建立三维数值模拟模型DEFORM软件建立数值仿真模型研究工艺参数对工件、模具的变形规律总结规律，撰写论文41杨翠苹楔横轧展宽过程的三维有限元分析D北京科技大学2001（3）7152左虹空心轴取代实心轴的设计与应用J石油化工设备1997
6、（4）61753RNEUGEBAUER,MKOLBE,RGLASSNEWWARMFORMINGPROCESSESPRODUCEHOLLOWSHAFTSJOURNALOFMATERIALSPROCESSINGTECHNOLOGY119200824284SURANKAR,MLOVELL,CMORROW,QLI,KKAWADADEVELOPMENTOFACRITICALFRICTIONMODELFORCROSSWEDGEROLLINGHOLLOWSHAFTSJOURNALOFMATERIALSPROCESSINGTECHNOLOGY177200643475贾正锐，梁继才，白志斌等空心件楔横轧变形载荷
7、测试J实验技术与试验机1993（3）22266李显玉凸轮轴轧制工艺的研究J模具制造2007（12）18257卫原平，彭颖红，阮雪榆金属塑性成形过程的计算机模拟系统J上海交通大学学报1996（3）30368束学道，胡正寰大型轴类件楔横轧成形可行性分析J重型机械2005（4）85899汪建敏，余凯飞，胡密，祝海燕，龚贵春空心轴类件楔横轧仿真及壁厚变化规律J热加工工艺2008（23）485110梁继才，任广升，白志斌等空心件楔横轧参数对轧件壁厚变化的影响J农业机械学报19961344011吕增亭楔横轧轴类零件的矫正J机械工程师199812222912张巍，胡正寰轴类零件轧制技术的应用与发展J机械工人
8、（热加工）2001（1）444813刘光宇，虞跃生，万贤毅计算机模拟技术在金属塑性成形中的应用J汽车科技2000（6）81314李传民，王向丽等DEFORM503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2007293615应富强，张更超，潘孝勇三维有限元模拟技术在金属塑性成形中的应用J锻压装备与制造技术2003（5）37445毕业论文文献综述机械设计制造及其自动化空心轴轧制成形数值模拟摘要空心轴以其特有的优点在各种机器中的应用十分广泛，楔横轧是制造空心轴的主要方法。空心轴楔横轧成形过程比较复杂，本文应用有限元分析软件DEFORM研究研究工艺参数对轧制过程中模具、工件变形规律的影响1。
9、对空心轴楔横轧工艺参数的优化具有十分重要的意义。关键词空心轴；楔横轧；有限元一、引言空心轴是最常见和用途最广的轴类零件，其具有重量轻，强度高，材料省等优点，被广泛应用于汽车、摩托车、电机中。因此研究空心轴的轧制具有十分重要的意义。楔横轧工艺是指棒料在两轧辊的模具间或在两平板模具之间发生连续局部的塑性变形，使所得到的零件形状与模具底部型槽的形状完全一致。二、楔横轧的优缺点与传统的锻造或切削工艺相比，楔横轧工艺具有如下优点（1）生产效率高。每分钟可以轧制1030个工件，通常是其他工艺的520倍。（2）材料节约。在传统机械加工中（如切削加工）约有40的材料以切屑的形式浪费，而在楔横轧工艺中浪费的材料
10、不足10。（3）产品质量好。楔横轧件金属纤维流线沿产品外形连续分布，并且晶粒进一步得到细化，所以其机械性能较好。（4）工作环境好。由于楔横轧轧制过程中无冲击，噪音小，工作环境得到改善。（5）自动化程度高。楔横轧件从成形、表面精整到最后成品都是由机器自动完成，所需操作人员少2。当然楔横轧工艺也存在着缺点（1）模具大并且复杂。楔横轧的模具都比较大，并且复杂，所以工艺调整6也相对复杂。（2）设备不通用。楔横轧机只能成形轴类件，或者为非轴类零件制作坯料，不如模锻设备锻造的零件范围宽等。3、国内外研究现状环件轧制技术起源于19世纪火车轮箍的研究，1842年英国建造了轮箍轧机，1886年俄国奥斯特洛维茨炼
11、铁厂成立了火车轮箍的生产车间。直到20世纪60年代初，原捷克斯洛伐克的工程师JIRIHELUB首次将楔横轧技术应用于工业生产，随后在莱比锡国际会上展出，得到人们的广泛重视3。苏联机械制造与工艺研究院于1976年研制成功二台全自动的楔横轧机4。这种全自动的楔横轧机己成功的在买里托保利斯基拖拉机液压部件厂投入生产。在国外，用楔横轧生产的产品广泛应用于电机轴、汽车变速箱二轴等，产品的直径范围为6150MM，长度范围为401200MM。楔横轧既可以生产零件毛坯，又可以为模锻件制坯，还可以实现无切屑的精轧5。楔横轧工艺主要以热轧为主，小直径产品也可以实现冷轧。而我国国内在20世纪50年代就开始楔横轧的探
12、讨与实验工作6。上世纪60年代初，重庆大学等进行楔横轧汽车球销的研究工作，并获得初步成功7。从70年代初起，原北京钢铁学院（现北京科技大学）就开展了楔横轧技术的研究和推广，先后帮助工厂建成楔横轧生产线40多条，开发并应用于生产的零件130多种，包括汽车、拖拉机、摩托车、油泵和水泵等机器的轴类零件8。其研究成果被国家科委列入中华人民共和国重大科技成果（19791988），并被国家科委、国家教委以及冶金工业部确立“轴类零件轧制（斜轧与楔横轧）研究与推广中心”9。吉林工业大学的梁继才、任广升、白志斌等，应用电测法对空心件楔横轧变形载荷进行了测试，根据实测结果，分析了工艺参数对变形载荷的影响10。他们
13、还通过对空心件楔横轧变形特点的分析，建立了空心件楔横轧的上限法模型，并利用该模型分析了空心件楔横轧工艺参数对轧件壁厚变化的影响，提出了研究空心件楔横轧壁厚变化预测的新方法11。通过几十年的研究、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7为世界上开发和投产楔横轧产品最多的国家之一12。随着我国制造业的发展，楔横轧技术必将为我国节能、节材、高效生产领域发挥重要作用。空心轴楔横轧过程是一个复杂的弹塑性变形过程，影响因素众多，模具形状、毛坯形状、材料性能、温度及工艺参数等均有影响，该过程涉及到几何非线性、材料费线性、边界条件非线性等一系列难题13。楔横轧工艺传统的研
14、究方法主要采用“经验法”，这种设计方法往往需要反复修改，浪费了大量的人力、物力，生产效率不高。随着计算机技术的快速发展，有限元法已经广泛应用到金属塑性成形加工过程的数值模拟中14。采用三维有限元数值模拟，可得到金属塑性成形过程的金属流动、应力应变等规律，也可以进行模具受力分析，并能预测出可能的缺陷及失效形式15。4、楔横轧的意义和展望综上所述，鉴于传统的空心轴加工工艺存在种种不足，楔横轧工艺具有先进的优越性，故采用有限元模拟技术对空心轴楔横轧成形过程进行模拟，实现楔横轧变形全过程仿真，研究工艺参数对轧制过程中模具、工件变形规律，具有十分重要的现实意义。当今工业发展对企业的要求是，在满足精度要求
15、的条件下最大限度的提高生产效率，降低开发成本，采用有限元模拟技术，通过对模拟结果的分析、楔横轧工艺参数的优化，缩短了磨具设计周期，避免了物力、人力的巨大浪费，从而大大提高劳动生产效率。参考文献1杨翠苹楔横轧展宽过程的三维有限元分析D北京科技大学2001（3）7152左虹空心轴取代实心轴的设计与应用J石油化工设备1997（4）61753RNEUGEBAUER,MKOLBE,RGLASSNEWWARMFORMINGPROCESSESPRODUCEHOLLOWSHAFTSJOURNALOFMATERIALSPROCESSINGTECHNOLOGY119200824284SURANKAR,MLOVEL
16、L,CMORROW,QLI,KKAWADADEVELOPMENTOFACRITICALFRICTIONMODELFORCROSSWEDGEROLLINGHOLLOWSHAFTSJOURNALOFMATERIALSPROCESSINGTECHNOLOGY177200643475贾正锐，梁继才，白志斌等空心件楔横轧变形载荷测试J实验技术与试8验机1993（3）22266李显玉凸轮轴轧制工艺的研究J模具制造2007（12）18257卫原平，彭颖红，阮雪榆金属塑性成形过程的计算机模拟系统J上海交通大学学报1996（3）30368束学道，胡正寰大型轴类件楔横轧成形可行性分析J重型机械2005（4）858
17、99汪建敏，余凯飞，胡密，祝海燕，龚贵春空心轴类件楔横轧仿真及壁厚变化规律J热加工工艺2008（23）485110梁继才，任广升，白志斌等空心件楔横轧参数对轧件壁厚变化的影响J农业机械学报19961344011吕增亭楔横轧轴类零件的矫正J机械工程师199812222912张巍，胡正寰轴类零件轧制技术的应用与发展J机械工人（热加工）2001（1）444813刘光宇，虞跃生，万贤毅计算机模拟技术在金属塑性成形中的应用J汽车科技2000（6）81314李传民，王向丽等DEFORM503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2007293615应富强，张更超，潘孝勇三维有限元模拟技术在金属
18、塑性成形中的应用J锻压装备与制造技术2003（5）37449本科毕业论文（20届）空心轴轧制成形数值模拟10摘要摘要空心轴在汽车、拖拉机上的轴类零件中使用非常广泛。经过几十年的发展，楔横轧凭借其高效、节能、节材、绿色等优点，显示出它独特的优越性，现已成为一种生产轴类零件的新兴工艺。为了能更好的了解空心轴轧制成形的原理和过程，本课题应用PRO/E软件建立三维模型，通过有限元分析软件DEFORM3D软件对空心轴轧制过程进行计算机数值模拟，研究其成形机理。仿真模拟完成后，对同一截面不同时间的等效应力进行分析空心轴的节点各向等效应力呈周期性变化，等效应力的极值从内到外不断增大。对同一时间不同截面的等效
19、应力进行分析，归纳出其中的结论等效应力内外层之间的差异从楔入段、展宽段、自由段慢慢减小，在自由段内外层之间几乎没有差异。对不同位置的损伤系数进行分析，得出楔入段大于展宽段，展宽段大于自由段，自由段趋向于零，内壁损伤系数大于外壁，外壁损伤系数大于中间部分，楔入段内孔附近损伤值最大。所以从损伤系数这个角度去分析，楔入段内孔附近最容易发生裂纹缺陷。关键词空心轴；楔横轧；DEFORM3D；等效应力；损伤系数11ABSTRACTABSTRACTHOLLOWSHAFTPARTSAREWIDELYUSEDINCARSANDTRACTORSAFTERDECADESOFDEVELOPMENT,CROSSWEDG
20、EROLLINGSHOWSITSSPECILADVANTAGES,BECAUSEOFITSHIGHEFFICIENCY,SAVINGENERGY,SAVINGMATERIALS,ENVIRONMENTALPROTECTIONINORDERTOUNDERSTANDTHETHEORYANDPROCESSOFHOLLOWSHAFTROLLINGFURTHER,THETOPICISMODELINGWITHPRO/EANDSIMULATINGTHEPROCESSOFROLLINGWITHFINITEELEMENTANALYSISSOFTWAREANDSTUDYINGFORMINGMECHANISMOFC
21、ROSSWEDGEROLLINGOFHOLLOWSHAFTAFTERSIMULATIONSUCCEED,EFFECTIVESTRESSOFTHESAMECROSSSECTIONINDIFFERENTTIMESHAVEBEENANALYZEDANDOBTAININGRESULTSTHENODESOFDIFFERENTDIRECTIONHAVECYCLICALCHANGES,THEMAXIMUMOFEFFECTIVESTRESSISINCREASINGFROMINSIDETOOUTSIDEEFFECTIVESTRESSOFDIFFERENTCROSSSECTIONSINTHESAMETIMEHAV
22、EBEENANALYZEDANDOBTAININGRESULTSTHEDIFFERENCEOFTHEEFFECTIVESTRESSBETWEENTHEINNERANDOUTERDECREASESGRADUALLYFROMWEDGESECTION,WIDENINGSECTIONANDFREESECTIONTHEREISLITTLEDIFFERENCEBETWEENTHEINNERANDOUTERINTHEFREESECTIONDAMAGEFACTORINDIFFERENTLOCATIONSHAVEBEENANALYSEDDAMAGEFACTORINWEDGESECTIONISLARGERTHAN
23、WIDENINGSECTIONANDWIDENINGSECTIONISLARGERTHANFREESECTION,THEFREESECTIONTENDSTOZERODAMAGEFACTOROFTHEHOLEISLARGERTHANTHEOUTER,OUTERISLARGERTHANTHEMIDDLE,THEDAMAGEFACTOROFTHEWEDGESECTIONNEARTHEHOLEISTHELARGESTSOFROMTHISPERSPECTIVETOANALYZETHEDAMAGEFACTOR,THEWEDGESECTIONNEARTHEHOLEMOSTLIKELYTOOCCURCRACK
24、SKEYWORDSHOLLOWSHAFT；CROSSWEDGEROLLING；DEFORM3D；EFFECTIVESTRESS；DAMAGEFACTOR12目录摘要10ABSTRACT11目录121绪论1411楔横轧工艺简介1412楔横轧工艺发展状况及其应用16121楔横轧工艺国外发展状况16122楔横轧工艺国内发展状况16123楔横轧工艺的应用1713选题的主要内容和研究意义19131选题的主要内容19132选题的研究意义192楔横轧理论2121辊式楔横轧的基本原理2122楔横轧模具工艺参数2323辊式楔横轧运动原理2424楔横轧的旋转条件263楔横轧仿真模拟3031仿真软件DEFORM3D
25、的介绍3032辊式楔横轧模型的建立31321几何模型的构建32322物理模型的构建341333实验方案设计384实验结果分析4041应力和应变分析40411楔入段等效应力随时间变化曲线分析40412不同截面应变速率场、等效应力场分析4242损伤系数分析4643轧制空心件有无芯轴对比475结论49参考文献50致谢错误未定义书签。141绪论11楔横轧工艺简介楔横轧（如图11所示）是一种采用无切削加工的新兴技术，人们对这种能解决锻造工艺中的许多缺陷和不足的技术产生了广泛的兴趣。经过几十年的研究和发展，楔横轧轧制轴类零件的成形工艺越来越成熟，在各个方面显示出了其独特的优越性改善产品质量和提高生产效率，
26、节约原材料和降低生产成本等。楔横轧不但是一种节能、高效、节材的金属塑性成形新工艺，而且适用于批量生产各种轴类零件。所以楔横轧的产品在汽车、拖拉机等发动机的轴类零件上广泛应用。楔横轧既是机械锻压技术的发展，又是冶金轧制技术的发展。楔横轧生产某些轴类零件得到了国内外许多专家的认可。图11楔横轧工艺示意图楔横轧工艺是指轧件在两轧板或者两轧辊的模具间发生连续局部的塑性变形，使得所得到的零件形状与模具底部型槽形状完全一致。楔横轧工艺按模具的形状不同一般可分成两类板式楔横轧和辊式楔横轧1。板式楔横轧工艺是借助装在上、下模板的模具，在上模板和下模板的相对滑动过程中，使轧件的轴向、径向都产生变形，加工成与模具
27、型槽形状完全一致的轴类零件，如图12所示。其中，辊式楔横轧又分为双辊和三辊，双辊楔横轧的成形原理为借助装有楔形15模具的上下轧辊，在上下轧辊以相同的方向旋转时带动轧件向相反方向旋转，使轧件的轴向、径向都产生变形，所得到的轧件形状与轧辊底部楔形模具型槽的形状完全一致，如图13所示。三辊式楔横轧的轧制原理如图14所示，三个互相平行的轧辊表面上装有相同形状的楔形模具，三个轧辊以相同的方向旋转时依靠楔形模具和轧件之间的摩擦力带动轧件向相反方向旋转，使轧件的轴向、径向都产生变形，从而实现阶梯轴的轧制成形。轧辊每旋转一周便能够生产出至少一根阶梯轴。1上模板2下模板3楔形模具4轧件1轧辊2坯料3切断楔4模具
28、图12板式楔横轧原理示意图图13辊式楔横轧原理示意图1轧件2变形楔3轧辊图14三辊式楔横轧原理示意图1612楔横轧工艺发展状况及其应用121楔横轧工艺国外发展状况20世纪60年代初，楔横轧工艺在原捷克斯洛伐克工程师JIRIHELUB的研制下首次应用于工业生产。两台全自动的楔横轧机于1976年在苏联机械制造与工艺研究院研制成功。随后，在1976年东德德累斯顿技术大学的DIETRICH和MOCKEL研制出了单辊轧机，并对工件变形进行了调查2。日本的团野敦、粟野泰吉也对楔横轧进行了详细的研究，并且取得了丰硕的成果，在楔横轧的发展史上写下了光辉的一页。他们以研究阶梯轴的楔横轧为主，通过对轧制时测定的轧
29、制力和轧制力矩的数据进行分析，从而得出了轧辊上的力和力矩的半经验公式。1972年，波兰的马齐尼亚研制出一个WPM120专利型机，但是它的应用价值较小。80年代末，ROLFLO公司设计了水平二辊楔横轧机3。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，在国外，用楔横轧生产的产品广泛应用于电机轴、汽车变速箱二轴等，产品的直径范围为6150MM，长度范围为30900MM。楔横轧应用十分广泛，在生产零件毛坯，模锻件制坯，无切屑的精轧中都可以应用。楔横轧工艺主要采用热轧，冷轧主要在生产小直径产品时使用。122楔横轧工艺国内发展状况我国在楔横轧上起步并不晚，早在上世纪60年
30、代初，重庆大学、清华大学、东北大学等单位就对楔横轧工艺进行研究，并取得了许多理论与实际成果，但未能实现工业上的广泛应用4。1963年，我国楔横轧工艺首先在重庆大学的汽车球销的研究中获得初步成功，这是我国楔横轧工艺的最早试验。70年代初，原东北大学在实验室试轧出火车D轴的模拟件，但是由于使用的三辊轧机的成本太高，所以未能应用于大批量生产。70年代中期，单辊弧形式楔横轧轧制鲤鱼钳毛坯的新工艺在上海锻压机床三厂研制成功。这是我国最早将楔横轧应用于生产的工艺，并且取得了良好的经济效益，这对我国楔横轧应用于实际生产具有划时代的意义。但由于单辊弧形式楔横轧模具制造非常困难、调整工艺非常复杂，所以在推广单辊
31、弧形式楔横轧时17遇到了极大的阻碍。70年代初，现北京科技大学的前身北京钢铁学院在楔横轧技术的研究中取得了丰硕的成果，帮助工厂建立40余条楔横轧生产线，并开发出了汽车、拖拉机等发动机的轴类零件130多种，取得了良好的经济效益。由于其研究成果丰硕、经济效率良好，被国家科委列入到中华人民共和国重大科技成果（19791988），并被确立为“轴类零件轧制（斜轧与楔横轧）研究与推广中心”。在楔横轧技术的研究与应用方面做出了贡献的还有机械工业部北京机电研究所。他们在精密锻件的生产体系中应用楔横轧工艺，充分发挥了楔横轧工艺高效精确的特点，使得精确成形的毛坯体积分配更加合理、形状尺寸更加精确，也增大了楔横轧应
32、用的范围。吉林工业大学应用电测法对空心件楔横轧变形载荷进行了研究，根据实验测得的数据，得出不同工艺参数对尘世的变形载荷的影响规律。后来，他们在分析空心件楔横轧轴向和径向的变形特点的基础上，首次提出了采用上限法模型进行空心轴楔横轧，并通过上限法模型分析得出了空心件楔横轧工艺参数对轧件壁厚的影响规律，也完善了预测楔横轧空心轴壁厚变化的方法。我国现已成为世界上生产楔横轧产品最多的国家之一。通过几十年的研究、实践，我国楔横轧的设备处于世界先进水平，楔横轧的工艺得到了很大的提高5。随着我国经济的飞速发展，楔横轧技术必将在轴类零件的轧制中发挥重要作用。123楔横轧工艺的应用与传统的锻造或切削工艺相比，楔横
33、轧工艺具有如下优点（1）生产效率高。每分钟可以轧制1030个工件，通常是其他工艺的520倍。（2）材料节约。在传统的切削加工中以切屑的形式浪费的材料超过40，而在应用楔横轧工艺加工中利用率达90以上，浪费的材料不足10。（3）产品质量好。用楔横轧工艺生产，能进一步细化轧件的晶粒，所以楔横轧产品体现出来的力学性能比传统方法加工出来的零件好。（4）工作环境好。由于楔横轧轧制过程中无冲击，噪音小，大大改善了工作环境。（5）自动化程度高。楔横轧轧件从轧制、表面精加工都是由机器自动完成，所需人工操作少。但是，并不是所有工件都适合用楔横轧轧制。采用这种楔横轧工艺是否经济18合理，主要地要从下述几个方面来看
34、工件的形状、尺寸精度以及加工工件的材料。（1）工件形状图15所示是适用于楔横轧工艺的一些典型零件，例如各种形状的台阶轴、带有垂直凸肩、球面和锥度的轴、操纵杆和连杆毛坯等。原则上如果工件的最终形状是靠楔横轧工艺成形的，那么这些工件一般都是实心的，空心的工件对工艺参数的要求较高。楔横轧毛坯的金属分布和重量都比较精确，若再进一步模锻成形，就可以获得所需要的断面。图15适用于楔横轧工艺的零件（2）工件精度与其它热锻方法相比，楔横轧工艺能获得相当高的尺寸精度直径公差为0102MM，长度公差约为05MM（当工件长度约为100300MM时）。（3）工件材料可以用来锻造的材料在锻造温度的范围内都可以用楔横轧来
35、进行轧制，其中主要的材料是钢，各种渗炭钢、炭钢和热处理钢。这些材料都能得到比较理想的结果，所以这些钢种都可用于楔横轧法进行批量生产，但是，必须注意的是这些钢材不能具有表面发裂和轴心偏析，否则将造成楔横轧件产生缺陷。除炭钢和低炭合金钢外，铜和铜合金、铝和铝合金、高炭合金钢以及镍合金在进行热楔横轧工艺时都可以得到比较满意的结果。1913选题的主要内容和研究意义131选题的主要内容课题研究对象为空心轴类件的楔横轧成形过程及参数控制，研究空心轴轧制成形原理，运用PRO/E软件建立三维模型，应用有限元数值分析软件DEFORM软件，对空心轴轧制成形过程进行计算机数值模拟，研究其成形机理。研究的主要内容为以
36、下四方面（1）研究空心轴轧制成形的原理。借助装有楔形模具的上下轧辊，在上下轧辊以相同的方向旋转时带动空心轴向相反方向旋转，使轧件的轴向、径向都产生变形，轧制成各种形状的空心轴。（2）建立空心轴三维模型。在PRO/E中建立模具、空心轴、挡板、芯轴等的三维实体模型。（3）导入三维模型，确定物理模型，应用DEFORM软件建立数值仿真模型，研究空心轴轧制变形机理。物理模型构造是否合理直接影响着计算效率、求解精度，所以，在建立物理模型时，要考虑全面，按照机械理论，经过多次的试算、不断优化，最终得到一个参数正确而又高效的物理模型。（4）分析在空心轴各个截面在楔横轧过程中等效应力、应变的变化情况。132选题
37、的研究意义实心轴在用作传动轴时，其中心部分的材料并没有发挥出应有的作用6。传动轴的受力特点是在垂直于轴线的两个平面内受一对大小相等、方向相反的力偶作用，轴的各横截面都绕轴线作相对转动。从径向截面看，越外的地方传递的有效力矩的作用越大，轴心部位基本不起作用。所以，选择空心轴做为研究对象不仅适用性强，还满足建设节约型社会的要求。由于传统的空心轴切削加工工艺存在各种缺陷，相对而言，楔横轧工艺则具有明显的优越性。由于有限元模拟仿真相对于实际的生产操作能够缩短模具和产品的设计周期，提高劳动生产率，降低生产成本，所以运用有限元数值分析软件DEFORM对空心轴轧制成形过程进行计算机数值模拟，研究其成形机理，
38、对推广楔横轧工艺具有重要的现实意义。采用DEFORM软件模拟分析了实心件的楔横轧过程，得到轧件内部的应力应变场信息，不同工艺参数对应力应变的影响，对于认识楔横轧过程中材料的流动规律，优化模具参数设计提供了理论依据和设计指导，从而缩短了设计模具的20周期，大大提高了劳动生产效率。212楔横轧理论21辊式楔横轧的基本原理辊式楔横轧是生产中较为普遍采用的轧制形式。而在数值模拟过程中，特别是三维变形模拟中，为了简化模具造型，通常采用板式楔横轧进行分析计算。楔横轧模具按是否对称通常可分为两大类对称轴模具和非对称轴模具。如果轴的轴线上存在对称轴的则称为对称轴类件，否则为非对称轴类件。对称轴类件的模具上的孔
39、型的主要特点是轧板上楔形模具也是关于对称轴对称的7。本课题楔横轧模具设计主要是关于对称轴的。典型楔形模具结构如图21所示。楔横轧的模具一般可以分为五段，楔入段、楔入平整段、展宽段、精整段和剪切段。图21楔横轧模具示意图（1）楔入段（AB段）22楔入段模具按照阿基米德螺旋线来设计楔尖高度，由顶端从零开始逐渐增至楔顶高H处。能够顺利实现轧件的切入并带动轧件旋转，不产生打滑，并将轧件慢慢轧制出由浅到深的凹槽是楔入段的主要作用。楔入段最深处为10RRR，如图21的11截面所示。楔顶高HRH（21）式中为上模板与轧件之间的距离，其值一般为032MM。实验中，为了避免楔入时发生打滑现象，取值一般比较小。楔
40、入段最宽处宽度COT2HS（22）楔入段长度COTCOTCOT211HSL（23）（2）楔入平整段（BC段）楔入平整段模具的形状和楔入段最宽处保持一致，即此段的展宽角0，楔高H不再增加。将轧件的整个圆周上轧出一圈深为R的凹槽是楔入平整段的主要作用，如图21的22截面所示。楔入平整段长度KDL212（24）式中KD坯料直径一般取KMDL602，即为了保证在楔横轧模具上轧件能够滚动半圈以上。（3）展宽段（CD段）展宽段模具的楔顶高H楔入段保持不变，但是楔形模具的宽度逐渐变宽。展宽段是楔横轧模具完成轴向和径向变形的主要区域，所以展宽段的设计非常重要，轧件在这段的形状如图21的33截面所示。楔横轧的主
41、要工艺参数，如成形角和展宽角主要根据这一区段的断面收缩率等因素确定。展宽段长度3L的计算如下COT2113LL（25）式中1L轧件的轧细长度楔横轧在各个区域的轧制力和轧制力矩上是变化的，轧制力与力矩在展宽段上是最大的，远远大于其他区域。（4）精整段（DE段）精整段楔形模具的楔顶高度H、楔形的宽度都和展宽段保持一致，即展宽角0，楔高不再增加。轧件在经过精整段轧制后，就能把轧件轧制成所要求的23尺寸；还可以使轧件得到更精确的尺寸精度，表面粗糙度也会得到优化，达到合格产品的要求。如图21所示的44截面为精整段的形状。精整段的长度为KDL214（26）通常取KDL604，即为了保证在楔横轧模具上轧件能
42、够滚动半圈以上。（5）剪切段（EF）在轧制完成后通过剪切段可以将轧件切断。通过改变切刀的位置，可以把轧件切成不同形状，切刀放在中间，可以把轧件切成二段；切刀放在两边，则可以切除多余的料头。为了延长切刀的使用寿命，大多数先把切刀单独做好再安装在模具上。22楔横轧模具工艺参数（1）轧件的断面收缩率断面收缩率对空心轴楔横轧是否成功的关系很大，是楔横轧模具的几个最主要的工艺参数之一。其数值为轧件横截面的原始面积0F与轧后横截面面积1F的差值与轧件横截面的原始面积0F的比值，即1001100100201202120010DDDDDFFF（27）式中0D轧件毛坯的直径；1D轧件成品的直径。为了能够使轧件正
43、常旋转、不发生螺旋缩颈甚至拉断等问题，通常要把楔横轧轧件的断面收缩率控制在80以下。如果一些特殊的轴类件产品断面收缩率超过80，那么一般需要采用多次楔入轧制的方法，即每次楔入轧制的断面收缩率要控制在80以下，多次轧制以后使得总的断面收缩率超过80。需要注意的是，断面收缩率过小时，并且选择了不合理的工艺参数，不但不能控制轧件的尺寸精度，而且会使轧件更容易产生疏松等各种缺陷。因为过小时，金属径向发生变形，轴向基本不发生变形，从而使得表面的金属在模具间不断拉伸，从而使得轧件表面产生疏松，中心产生缺陷8。在轧制断面收缩率较小的轧件时，可以选择相对较大的成形角和较小的展宽角。轧制一般的轧件时，比较合理的
44、断面收缩率范围一般在3060之间。如果断面收缩率在上述范围之内，用较大展宽角进行轧制得到的效果会更好。（2）模具的成形角24成形角是楔横轧楔形模具的几个最主要的工艺参数之一，对轧制后轧件的质量起着决定性作用。成形角的选择范围一般为3418。断面收缩率不同时，成形角也应该选择不同的数值。表21所示为断面收缩率与成形角之间的关系。表21成形角与断面收缩率关系断面收缩率/28263222301824（3）模具的展宽角展宽角也是楔横轧模具设计中重要的工艺参数之一。展宽角的选择范围一般为124。断面收缩率对展宽角有很大影响。为了使轧件避免产生缩颈、疏松等损伤，断面收缩率较大时，应该选择较小的展宽角；当断
45、面收缩率很小时时，也应该选择比较小展宽角。表22所示为展宽角与断面收缩率之间的关系。表22展宽角与断面收缩率关系断面收缩率/404050506060707080展宽角/859712594823辊式楔横轧运动原理辊式楔横轧是借助装有楔形模具的上下轧辊，在上下轧辊以相同的方向旋转时带动轧件向相反方向旋转，使轧件的轴向、径向都产生变形，所得到的轧件形状与轧辊底部楔形模具型槽的形状完全一致的成形工艺。在轧制时，一般把楔形模具被看作刚体，设轧件上各点的角速度为1，轧辊上各点的角速度为2，轧件上线速度为1V，轧辊上线速度为2V。楔形模具的角速度一定，各点的线速度随模具各点半径变化而变化，如图22所示为辊式
46、楔横轧示意图。251轧件2轧辊图22辊式楔横轧轧制示意图（1）由机械原理的知识可知在轧件上一定存在一个K点，使得轧辊的圆周速度和轧件的圆周线速度KV相同，K点处轧辊与轧件没有相对滑动，即KKKRRV2（28）（2）由图22可知在KB段，轧辊和轧件之间会发生相对滑动，轧辊的线速度2V大于轧件的线速度1V。速度差在B处最大，差值为2121212BBBBBBBRRRRVVV3022BKKBBKKBRRRRNRRRR（29）由（28）和（29）可知KBKBKBKKBKKBRRRRVRRVRRVV（210）（3）由图22可知，在KA段，轧辊的线速度2V小于轧件的线速度1V，轧辊和轧件之间也会产生相对滑动
47、。圆周速度差最大处是在A处，其速度差（即相对滑动速度）为2121221AAAAAAARRRRVVV263022AKKAAKKRRRNRRRR（211）由（28）和（211）可以得出KAKAKAKKAKKARRRRVRRVRRVV（212）由上式可知，A处和B处一样存在很大的相对滑动，但由于A处轧件与轧辊之间比B处的接触不紧密，B处的摩擦力更大，所以A处的楔形模具的磨损比B处轻的多。综合（210）、（212）两式可得到辊式楔横轧的相对滑动速度KAKAKARRRRVVKBKBKBRRRRVV24楔横轧的旋转条件为了保证轧件能够旋转，不发生打滑现象，必须分析影响楔横轧轧件旋转的各种因素。下面以板式楔
48、横轧为例进行分析，板式楔横轧的轧件在轧制力和摩擦力的共同作用下发生轴向和径向的变化。板式楔横轧的运动模型简图如图23所示图23板式楔横轧运动简图27板式楔横轧的轧件受到上下两个方向相反的轧制力P和左右两个方向相反的摩擦力T的共同作用9。在轧制进行时，两个轧制力P组成的力偶矩小于两个摩擦力T组成的力偶矩。轧制力P与摩擦力T之间的关系为PT（库伦摩擦系数）（213）楔横轧轧件旋转的条件是T力组成的力偶矩TM大于或等于P组成的力偶矩PM，PTMM，即PBPDN整理后得NDB（214）根据图23所示的几何关系可得222222NWNWDDRRB（215）把（214）代入到（213）可得122122122
49、NWWNWNDDDRDDD（216）上式中，2NWDDR是压缩量。对（216）整理后可得NWNDDDR122（217）式中NNRD2，ND和NR分别是工件的内径与内半径。WWRD2，WD和WR分别是工件的外径与外半径。R为轧件的压缩量，B为两个楔形模具之间的距离。分析上述公式后，设相对压缩量为WDRK2，并代到（217），得122KKK（218）由此可知与K的曲线如图24所示28图24与K的曲线图由此可知，摩擦系数对轧件的旋转有着很重要影响，摩擦系数太小，轧件很容易会发生打滑现象，所以应该在适当的范围内尽可能的增大摩擦系数。同时，在轧制过程中，必须把K值保持在一个范围之内，因为当K值过大时，必须大幅度的提高的数值，这会大大增大对设备的要求。由式（217）可以看出，压缩量R对楔
