摘要

　　楔橫乳單件軋制非對稱(chēng)軸類(lèi)零件時(shí),由于軸類(lèi)零件左、右斷面收縮率或展寬長(cháng)度的不一致,模具左、右變形區工藝參數選取不能完全一樣,如果根據經(jīng)驗選取模具參數,軋制時(shí)左右變形區所產(chǎn)生的軸向力難以平衡,導致軸類(lèi)零件在乳制過(guò)程中出現軋件軸向竄動(dòng)、臺階缺肉等缺陷,影響產(chǎn)品的外形尺寸和機械性能。

　　應用成形楔以外的一組或數組楔來(lái)保證軋件的軸向平衡,不僅可以保證產(chǎn)品的外形尺寸和產(chǎn)品質(zhì)量,還可以擴展工藝參數的選擇范圍,降低模具的生產(chǎn)成本。因此,本文以平楔結構下非對稱(chēng)軸類(lèi)件楔橫軋成形中各個(gè)因素對非對稱(chēng)軸成形質(zhì)量的影響作為研究的主要內容,并設計開(kāi)發(fā)出一款軟件以實(shí)現自動(dòng)化建模,再結合正交試驗與數值模擬的方法對模具結構進(jìn)行最終的驗證。論文選題具有較為重要的學(xué)術(shù)意義和工程實(shí)際應用價(jià)值。

　　本文的主要工作成果如下:

　　(1)以現階段楔橫乳模具設計的有關(guān)規范為依據對非對稱(chēng)件楔橫軋模具進(jìn)行設計,找出楔橫軋模具各結構參數之間的數學(xué)關(guān)系。

　　(2)運用SolidWorks二次開(kāi)發(fā)技術(shù)和VB編程技術(shù),實(shí)現了非對稱(chēng)楔橫軋模具的參數化建模,大大縮小了模具的設計周期,提高了優(yōu)化效率。

　　(3)通過(guò)運用DEF0RM-3D有限元分析軟件對軋件的中心橫截面上的點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)追蹤,得到平楔結構參數對軸向竄動(dòng)的影響規律。

　　(4)以成形的非對稱(chēng)軸的輪廓形狀為主要指標,兼顧乳制力能和模具長(cháng)度進(jìn)行多結構參數的正交數值模擬,得到了模具各個(gè)主楔的成形角和展寬角的最優(yōu)組合。

　　(5)通過(guò)運用DEF0RM-3D有限元分析軟件模擬了非對稱(chēng)楔橫軋的成型過(guò)程,分析軋制過(guò)程中軸向橫截面工件損傷、等效應變和溫度場(chǎng)的變化規律;分析了精整階段乳件整體速度場(chǎng)及各軋制階段軋件的中心橫截面速度場(chǎng);分析了軋制過(guò)程中模具在三個(gè)方向乳制力變化規律、模具磨損以及模具不同位置的溫度變化規律。

　　本文所做的研宄對于創(chuàng )新楔橫乳工藝技術(shù)、完善和充實(shí)非對稱(chēng)模橫乳軋制理論、降低生產(chǎn)成本以及提高乳制產(chǎn)品質(zhì)量具有重要的理論與實(shí)用價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞:楔橫軋;非對稱(chēng)軋制;有限元模擬;參數化設計

Abstract

　　In the case of non-symmetrical shaft parts, the parameters of the left and right section of the shaft are not exactly the same. If the mold parameters are selected according to the experience, The axial force generated by the left and right deformation zone during rolling is difficult to balance, resulting in the axial part of the rolling parts in the rolling process, such as the lack of meat and other defects, affecting the product size and mechanical properties.

　　Application of a wedge or a set of wedges to ensure that the axial balance of the workpiece, not only can guarantee the product size and product quality, but also can expand the range of process parameters to reduce the mold production costs. Therefore, the influence of various factors on the quality of asymmetric shaft forming under wedge cross wedge under the wedge structure is the main content of the study. The research has theoretical and engineering application value. The main results of this paper are as follows:

　　(1)Based on the relevant specifications of the wedge rolling die design, the asymmetrical cross wedge rolling die is designed to find out the mathematical relationship between the structural parameters of the cross wedge rolling die.

　　(2)Using the SolidWorks secondary development technology and VB programming software, the parametric modeling of the asymmetric cross wedge rolling die is realized, which greatly reduces the design cycle of the mold and improves the optimization efficiency. (3)Through the use of DEFORM-3D finite element analysis software to track the points on the center cross section of the workpiece, the influence of the parameters of the wedge structure on the axial channeling is obtained.

　　(4)Taking the contour shape of the asymmetric axis as the main index, the orthogonal design of the multi - structure parameters is taken as the average of the rolling force and the die length, and the optimal combination of the forming angle and the widening angle of each main wedge is obtained.

　　(5)The deformation process of the axial cross section workpiece, the equivalent strain and the temperature field during the rolling process were analyzed by using the DEFORM-3D finite element analysis software. The whole process of the finishing section was analyzed Velocity field and the central cross section velocity field of the rolling section of each rolling stage. The variation law of the rolling force in the three directions during the rolling process, the wear of the mold and the temperature variation of the mold at different positions are analyzed.

　　The research results of this paper have important scientific significance and engineering application value for the rolling process of innovative wedge rolling shaft parts, enriching and perfecting the asymmetric rolling theory of wedge rolling, reducing the production cost and improving the quality of rolling products.

　　Keywords: Cross wedge rolling; asymmetric Rolling; Finite element analogy; Parametric Design

　　隨著(zhù)交通運輸工業(yè)和建筑行業(yè)的迅猛發(fā)展,鐵路車(chē)輛用軸、汽車(chē)用軸和穿墻螺絲等軸類(lèi)零件的需求量與日俱增,市場(chǎng)對軸類(lèi)零件力學(xué)性能的要求也越來(lái)越高[1]。生產(chǎn)非對稱(chēng)軸類(lèi)件通常采用鍛造、切削和楔橫軋三種方法。而楔橫乳相比于其他兩種成形技術(shù),具有生產(chǎn)效率高、金屬纖維連續、節材顯著(zhù)、勞動(dòng)條件好和產(chǎn)品質(zhì)量?jì)?yōu)異等優(yōu)點(diǎn),是近凈成形軸類(lèi)零件的先進(jìn)工藝,能夠充分發(fā)揮金屬塑性成型的優(yōu)點(diǎn)。

　　模具的設計是楔橫軋加工的基礎,而在設計楔橫乳模具的過(guò)程中需要進(jìn)行大量的復雜計算和曲面造型,使得建模過(guò)程非常復雜,而且在設計初步完成后,還需要結合實(shí)際生產(chǎn)對模具參數進(jìn)行不斷的修改,使得工程設計人員耗費大量的時(shí)間和精力,無(wú)法把精力投入到模具的優(yōu)化設計上來(lái)。

　　隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展,模具設計人員可以通過(guò)利用軟件來(lái)計算和建模,大大縮短了模具的設計周期[2]。然后使用數值模擬技術(shù)來(lái)對非對稱(chēng)楔橫乳的軋制過(guò)程進(jìn)行數值模擬,得到三維狀態(tài)下的材料流動(dòng)狀況、應力應變分布和軋件的變形特征、軋制力等重要信息。通過(guò)對仿真結果進(jìn)行分析后,可以對模橫軋工藝參數進(jìn)行優(yōu)化。總之,對軋輥的每一次修正都不需要技術(shù)人員重新進(jìn)行設計、制定工藝,檢驗乳制效果等繁瑣的重復性工作,大大降低了設計人員的勞動(dòng)程度,提高了設計質(zhì)量,減少了設計周期并降低了生產(chǎn)成本。

　　本文的主要研宄內容有:

　　(1)以現階段楔橫軋模具設計的有關(guān)規范為依據對非對稱(chēng)件楔橫軋模具進(jìn)行設計,分析楔橫軋模具各結構參數之間的數學(xué)關(guān)系。

　　(2)運用S0LIDW0RKS二次開(kāi)發(fā)技術(shù)和VB編程技術(shù),對非對稱(chēng)軸類(lèi)件楔橫軋模具進(jìn)行參數化設計。

　　(3)運用DEF0RM-3D有限元分析軟件對乳件的中心橫截面上的點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)追蹤,分析平楔結構參數對軸向竄動(dòng)的影響規律。

　　(4)以成形的非對稱(chēng)軸的輪廓形狀為主要指標,兼顧乳制力能和模具長(cháng)度進(jìn)行多結構參數的正交數值模擬,分析模具的最優(yōu)化結構參數。

　　(5)運用DEF0RM-3D有限元分析軟件模擬了非對稱(chēng)楔橫乳的成型過(guò)程,分析乳制過(guò)程中軸向橫截面工件損傷、等效應變和溫度場(chǎng)的變化規律;分析各乳制階段軋件整體速度場(chǎng)以及各軋制階段軋件較大斷面收縮率部位的中心橫截面速度場(chǎng);分析軋制過(guò)程中模具在軸向、徑向和切向上軋制力的變化規律、軋制完成后模具的磨損狀況以及模具不同位置的溫度變化規律。

 　　非對稱(chēng)軸類(lèi)件楔橫軋模具成品有限元分析：

胚料在模具中初始裝配位置

無(wú)平楔結構的楔橫軋模具乳制出的坯料的截面損傷云圖

有平楔結構的楔橫乳模具乳制出的坯料的截面損傷云圖

無(wú)平楔結構下非對稱(chēng)軋制縱截面等效應變場(chǎng)

有平楔結構下非對稱(chēng)乳制縱截面等效應變場(chǎng)

無(wú)平楔

有平楔

工件整體速率圖

軋件橫截面上乳制全過(guò)程速率圖

模具所受載荷

模具磨損分布情況

軋制完成時(shí)模具表面的溫度分布云圖

目錄

　　第1章 緒論
　　　　1.1 課題背景及研究的目的和意義
　　　　1.2 國內外研究現狀
　　　　　　1.2.1 楔橫乳工藝簡(jiǎn)介
　　　　　　1.2.2 楔橫軋技術(shù)的發(fā)展
　　　　　　1.2.3 楔橫軋非對稱(chēng)軸類(lèi)件研究現狀
　　　　　　1.2.4 楔橫軋模具CAD研究現狀
　　　　1.3 本文主要研究?jì)热?br /> 　　第2章 非對稱(chēng)軸類(lèi)件楔橫軋的模具設計
　　　　2.1 楔橫軋模具特點(diǎn)與成形原理
　　　　2.2 楔橫軋模具設計的基本原則
　　　　　　2.2.1 對稱(chēng)原則
　　　　　　2.2.2 旋轉條件
　　　　　　2.2.3 縮頸條件
　　　　　　2.2.4 疏松條件
　　　　2.3 楔橫軋的工藝參數
　　　　　　2.3.1 斷面收縮率
　　　　　　2.3.2 成形角
　　　　　　2.3.3 展寬角
　　　　2.4 非對稱(chēng)楔橫軋模具設計計算
　　　　　　2.4.1 毛坯與坯料的確定
　　　　　　2.4.2 模具型腔設計
　　　　　　2.4.3 模具主楔的設計
　　　　　　2.4.4 模具平楔的設計
　　　　2.5　本章小節
　　第3章 非對稱(chēng)楔橫軋模具參數化設計
　　　　3.1 SOLIDffORKS軟件及其二次開(kāi)發(fā)
　　　　　　3.1.1 S0LIDW0RKS軟件簡(jiǎn)介
　　　　　　3.1.2 S0LIDW0RKS二次開(kāi)發(fā)技術(shù)
　　　　　　3.1.3 S0LIDW0RKS土次開(kāi)發(fā)工具一VISUAL　BASIC　6.0
　　　　　　3.1.4 S0LIDW0RKS宏錄制工具
　　　　3.2 非對稱(chēng)楔橫乳模具參數化設計分析
　　　　　　3.2.1 軋件參數化分析
　　　　　　3.2.2 楔橫乳模具參數化分析
　　　　　　3.2.3 非對稱(chēng)軸類(lèi)件楔橫軋模具的參數化計算
　　　　　　3.2.4 非對稱(chēng)軸類(lèi)件楔橫軋模具的參數化建模
　　　　3.3 本章小節
　　第4章 非對稱(chēng)楔橫軋模具結構參數優(yōu)化
　　　　4.1 剛塑性有限元法
　　　　4.2 DEF0RM-3D　軟件
　　　　4.3 DEFORM-3D有限元模擬前處理
　　　　　　4.3.1 模型簡(jiǎn)化
　　　　　　4.3.2 非對稱(chēng)楔橫乳的前處理
　　　　4.4 楔橫軋模具平楔結構參數優(yōu)化
　　　　　　4.4.1 平楔高度對軸向竄動(dòng)抑制效果的影響
　　　　　　4.4.2 平楔寬度對軸向竄動(dòng)抑制效果的影響
　　　　　　4.4.3 平楔齒頂長(cháng)對軸向竄動(dòng)抑制效果的影響
　　　　　　4.4.4 平楔成形角對軸向竄動(dòng)抑制效果的影響
　　　　4.5 楔橫乳模具主楔結構參數優(yōu)化
　　　　　　4.5.1 正交試驗設計
　　　　　　4.5.2 正交試驗結果分析
　　第5章 非對稱(chēng)楔橫軋模具及成品有限元分析
　　　　5.1 坯料分析��
　　　　　　5.1.1 工件損傷分析
　　　　　　5.1.2 軋制完成后等效應變分析
　　　　　　5.1.3 軋件溫度場(chǎng)分析
　　　　　　5.1.4 乳件金屬流動(dòng)分析
　　　　5.2 模具分析
　　　　　　5.2.1 模具受力分析
　　　　　　5.2.2 模具磨損分析
　　　　　　5.2.3 模具整體溫度分析
　　　　5.3 本章小結��
　　第6章 結論與展望
　　　　6.1 結論
　　　　6.2 展望��
　　致謝
　　參考文獻��
　　附錄

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