楔横轧产品表面螺旋痕修复方案研究

理财百科阅读 60 2024-12-11 13:40:56

楔横轧是一种回转类特种成形工艺，具有生产效率高、作业环境好、材料利用率高的优点，广泛应用到汽车、拖拉机、内燃机、工程机械等轴类零件毛坯生产中，尤其是对于中间轴的生产，有着锻造所不能比拟的优势。然而由于其径向压缩、轴向延伸的成形特点，导致了其特有的表面缺陷，其中螺旋痕就是最常见的一种，不但影响轧件的外观，而且过深的螺旋痕会造成产品报废。北京科技大学等科研院所，对螺旋痕产生机理，成形角α、展宽角β、断面收缩率ψ对螺旋痕的影响规律做了研究，螺旋痕是由于压应力产生的，提出了通过对尖部倒圆角处理，减轻和消除螺旋痕的方法。

目前对这个问题的处理基本都是通过在尖角处打磨圆角，通过不断试轧消除螺旋痕，更多的依赖于经验，费事费力还造成了材料浪费，并且随着模具磨损，导致圆角过大还会造成心部疏松缺陷。本文在此基础上对楔横轧成形产品表面螺旋痕进行了分析探讨，引入有限元仿真模拟来分析螺旋痕的产生过程和修理，并提出了解决方案，提高了修模效率，节省了材料。

有限元模型的建立

楔横轧轧制过程是一个弹塑性变形过程，有限元建立假设条件：将模具和导板设为刚性体，坯料设为塑性体，使用三维软件SolidWorks建立模型，保存为STL格式，输入到模拟软件，模具有限元模型见图1。

图1 有限元模型

针对易产生螺旋痕的位置，选取局部长杆作为模拟对象，将模具按无圆角、偏向成形面圆角、对称圆角和偏向顶面圆角四种工况进行模拟，见图2及表1，主要参数为：坯料直径50mm，长度80mm，断面收缩率75%，成形角30°，展宽角9°，轧辊直径620mm；本次模拟采用软件自带的AISI-45材料，温度1150℃，取轧件的一半进行模拟计算，以减少运算时间。

图2 四种不同圆角工况示意图

表1 四种不同圆角工况

模拟结果分析

螺旋痕的位置

图3 应力图

对图3应力图分析，应力集中产生在模具成形面和顶面交汇的尖角处，而此处正对应轧件上的螺旋痕，此处应力主要表现为压应力，达到了-233～-122MPa，轧件上压应力从变形位置开始向外逐渐减小，直到螺旋痕中间减小到0MPa。该结果表明，螺旋痕的产生位置就是成形面和顶面交汇处的模具尖角部位。其结果和其他专家学者的研究结论相吻合。

螺旋痕的减轻和消除

螺旋痕产生的机理，是由于成形面和顶面交线尖角部对轧件的压应力造成的，可以通过将尖角打磨成圆角减小或消除应力集中，减轻或消除螺旋痕。

在成形面和顶面交线处，采用不同形式的圆角，其中一组不设置圆角的工况作为参照，对比结果见图4：不采用圆角工况的轧件表面螺旋痕非常明显；偏向成形面圆角工况的轧件螺旋痕变浅；采用对称圆角工况的轧件已经没有连续的螺旋痕，但是存在一点痕迹；采用偏向顶面圆角的工况轧件表面质量最好。

图4 模拟结果

对应不同工况模拟结果的应力分析见图5，不做圆角的模具成形面和顶面交线位置处应力为-221MPa；做偏向成形面圆角的模具对应模拟结果显示应力为-213MPa；对称圆角的模具该位置应力为-186MPa；做偏向顶面圆角的模具模拟结果显示应力为-78.6MPa。结果表明：应力大小和表面螺旋痕程度是一一对应的，即可以通过增加圆角来减小应力，从而减轻或消除螺旋痕，其中偏向于顶面的圆角方案效果最好。

图5 不同工况成形应力图

模拟结果和实际生产结果是一致的，同时也能降低轧件心部疏松发生的概率，因为对称圆角和偏向成形面一侧的圆角，相当于变相的减小的成形角。

模具加工及修理

模具加工可以采用车床或铣床，考虑加工效率采用车床的比较多。车床一般有两种，一种是数控车床，可直接编程自动加工各种形式的圆角；另一种是普通大导程车床，加工非对称圆角模具比较困难，可以采用先将尖角车削成小斜面、再手工打磨成圆角的方式进行加工。图6为普通大导程车床模具圆角加工过程此种方式可以极大的缩短修模调试的时间。

图6 模具尖角修理过程图

在打磨圆角时，应注意不要使用粗粒度砂轮片，从模具楔的一端开始，手持角磨机两侧摆动均匀的打磨尖角部位，使成形面、圆角斜面、顶面自然光滑过渡，避免前后及左右打磨面积相差太大，尽量少的在成形面上打磨，防止轧件心部疏松。

生产验证

用图7所示带有偏向顶面圆角的模具对模拟结果进行生产验证。结果表明，轧件表面光滑，无螺旋痕，见图8，对轧件进行探伤，无缺陷波，即无中心疏松现象，见图9。

图7 修理完后的模具

图8 试验产品

图9 探伤结果

结论

⑴轧件表面螺旋痕是由于模具成形面和顶面形成的尖角作用在轧件上的压应力造成的。

⑵减轻轧件压应力的方法是增大偏向顶面的非对称圆角。

⑶为解决普通车床加工非对称圆角的困难，同时减少模具修理量，可采用设计多个接近圆角的斜面代替圆角。

⑷有限元仿真模拟指导实际生产，可降低试错成本。