模具设计与仿真研究

1楔横轧模具

锥形细长轴孔型展开与工件成形过程简图，如图2所示。其成型方案如下。三辊楔横轧楔形的布置，如图3所示。将外楔楔入点位置提前（10~30）mm。由于本课题的轧件为细长轴类零件，因而，轧件的进出料方式采用了切槽侧进侧出的方式，如图4所示。

2有限元模拟结果分析

2.1展宽段应力应变分析组合锥形细长轴的等效应力云图，如图5（a）所示。由图5（a）中可以看出，在轧制区等效应力最大，向心部逐渐减小，非扎制区以及棒材处等效应力较小。由纵截面等效应力云图可知轧辊与轧件接触部位等效应力大于非轧制区，两楔之间等效应力值最小。组合锥形细长轴展宽段等效应变云图分布，如图5（b）所示。由图可知从棒材心部到组合轴表层变形强度逐渐增大，呈环状分布，表层金属变形强度最大，楔与轧件接触处等效应变大于两楔之间部分，棒材的等效应变值要比空心件小很多，组合轴的最大等效应变达到5mm/mm。2.2轧制过程中的位移场与速度场分析轧制过程中位移场分布云图，如图6（a）所示。由图6（a）可知，在内楔楔入段部位位移很小，基本为零，往两端位移逐渐增大，端头部位位移最大，可以明显看出金属由楔入段向两端流动，横截面上表层金属位移大于内层位移，芯棒金属位移要小于外层空心轧件金属流动位移，同样楔入段位移最小。轧制过程中速度场分布云图，如图6（b）所示。由图6（b）可以很明显的看到金属流动规律，外层金属流动速度最快，向内逐渐减小，呈环状分布，芯棒心部金属流动速度最慢，轧制区金属接触部位金属流动速度要比非轧制区小很多。2.3工艺参数对力能参数的影响规律2.3.1展宽角的影响规律在轧件毛坯直径d为29mm，成形角α为25°，展宽角β分别为6°、10°、12°、20°，断面收缩率为（6.8~31.5）%工况下，力能参数在不同展宽角下的变化曲线，如图7所示。由图7可知，在楔入段径向力、横向力和轴向力急速上升，在精整段突然下降。对于楔横轧多楔同步轧制，当展宽角增大时，径向力、横向力、轴向力都减小，其原因是展宽角越小，楔数越多，轧制力越大，楔数是影响轧制力大小的关键因素，其它工艺参数固定时，楔数增加，轧制力成倍的增大。由展宽角β为10°、12°的曲线可知，在楔数一定时，径向力和横向力的大小与展宽角成正比，这是因为展宽角越大，轧件与模具轴部接触面积也越大，所以径向力和横向力均增大，然而，轧件与轧辊沿着轴向方向肩部接触面积减小，在轴向上的金属流动量减少，轴向力减小，所以轴向力与展宽角成反比关系。2.3.2成形角的影响规律在轧件毛坯直径d为29mm，成形角α分别为20°、32°、40°，展宽角β为12°，断面收缩率为（6.8~31.5）%时，轧制过程中不同成形角下的力能参数变化，如图8所示。由图8可知，径向力、横向力与成形角成反比，但是变化幅度不大，轴向力与成形角成正比，成形角对轴向力的影响程度比对径向力和横向力的影响程度大。其原因是，随着成形角的变大，金属沿着轧件径向流动量减小，轴向的流动量增加，轴向流动阻力增加，并且多楔轧制轴向流动阻力要远远大于单楔轧制时的流动阻力，轧辊与轧件接触区径向轴部接触面积减少，所以轴向力增大，而径向力和横向力减小，且轴向力变化幅度大。2.3.3轧件直径的影响规律在毛坯直径d分别为28mm、30mm、32mm、34mm，成形角α为25°，展宽角β为12°的工况下，力能参数随毛坯直径的变化曲线，如图9所示。由图9可知，径向力、横向力以及轴向力均与毛坯直径成正比，毛坯直径对径向力、横向力以及轴向力的影响程度都比较大。这是因为随着毛坯直径的增大，金属流动量增加，流动阻力变大，轧制区轧辊与轧件金属接触面积也增加，然而接触面内接触面积增大的速度要远远大于轧件单位压力减小的速度，故轧制力将变大。综上所述，在工艺参数中楔数和坯料直径对多楔同步轧制力能参数的影响程度最大，在楔数一定的情况下，毛坯直径是主要因素，其次是展宽角，断面收缩率和成形角对力能参数的影响程度都比较小。

3结论

（1）研究了采用三辊楔横轧生产某新型可拆卸穿墙螺杆，给出相应模具并进行了轧制过程有限元仿真，发现在轧制区等效应力最大，向心部逐渐减小，非轧制区以及棒材处等效应力较小，棒材的等效应变值要比空心件小很多。芯棒金属位移要小于外层空心轧件金属流动位移，外层金属流动速度最快，向内逐渐减小，呈环状分布，芯棒心部金属流动速度最慢。（2）分析了工艺参数对轧制力能参数的影响规律：对于多楔同步轧制力能参数的影响因素中，楔数和坯料直径影响最大，在楔数一定的情况下，毛坯直径是主要因素，其次是展宽角，成形角对力能参数的影响最小，断面收缩率对力能参数影响也不大。

作者：李边境 贾占江 刘志亮 王英杰 单位：燕山大学 上海宝钢技术中心