楔橫軋多楔成形鋁合金連桿的數值模擬

文/趙小蓮，何奧平，曾建民·廣西大學

何克準，劉俊生，肖剛·廣西南南鋁加工有限公司

楔橫軋多楔軋制是目前楔橫軋工藝較為先進的一種精密加工工藝，是針對長軸類零件開發出來的，其工作原理與楔橫軋單楔軋制相近，在楔橫軋多楔模具的作用下，軋件產生徑向壓縮變形和軸向延伸變形。在目前所有的成形工藝中具有顯著的優勢特點。

楔橫軋多楔軋制變形過程屬于非線性大塑性三維成形問題，變形過程中軋件所受到的三維應力應變狀態復雜，成形機理更為復雜。隨著數值模擬方法的不斷發展，數值模擬的精度不斷提高，復雜的塑性變形模擬結果越來越可靠，是目前研究楔橫軋多楔軋制工藝過程的主流方法。借助數值模擬仿真分析方法，調整楔橫軋模具各楔的工藝參數以及排布位置的變化，獲得應力應變場的變化規律，探索其變形、缺陷產生機理，為今后進一步研究楔橫軋多楔零件的精確成形及金屬流動提供了理論參考依據。

建立有限元數值分析模型

整體軋制的楔橫軋多楔有限元模型，如圖1 所示。該模型包括多楔軋輥、擋板及軋件等。假定軋輥是剛性體，軋件是塑性體，軋輥下壓軋件的方向為Y 向（徑向），垂直徑向的方向為X 向（橫向），平行軋件中心軸的方向為Z 向（軸向）。由于軋件結構對稱，取軋件的一半作為研究對象進行有限元模擬。

楔橫軋多楔模具設計有4 個楔：隔斷楔、側主楔、內側楔、外側楔，各楔均由楔入段、平整段、展寬段和精整段組成，其在軋輥上的排列順序，如圖2 所示。

模擬中選取的軋輥和軋件的各工藝參數為：工件直徑18mm，軋輥直徑500mm，成形角30°，展寬角13°，斷面收縮率47%。

模擬結果與分析

軋件的模擬成形過程

鋁合金連桿坯料呈啞鈴狀，形狀不對稱，各段桿的直徑不同，軋制時變形過程很復雜，是一個典型的多楔多道次軋制過程。多楔楔橫軋軋制鋁合金連桿的數值模擬成形過程，如圖3 所示。

金屬流變行為分析

金屬流動狀況影響軋件的形狀、尺寸，所以必須要充分掌握金屬的流動規律。為更加直觀地了解軋件各部位金屬的流動狀況，將軋件縱向截面劃分成均勻分布的小格，從右到左等間距（10mm）取11個橫截面，如圖4（a）所示。軋制結束后，截面上的金屬流動通過網格變形體現出來，如圖4（b）所示。

軋件成形完成后，軋件細桿部位劇烈的扭轉，網格變形嚴重，夾持桿末端的網格被拉長，出現嚴重的凹心。軋制過程中軋件受到的軸向力不對稱，成形過程旋轉速度不一致，軋件表面金屬流動速度快，心部金屬流動速度慢，軋件容易晃動打滑，產生縮頸缺陷。

應力場分布結果分析

軋件縱剖面的應力場分布狀態圖，如圖5 所示。從圖中可以看出，坯料與模具接觸部位受壓應力作用，其余部位都受到拉應力作用，軋件中心及細桿部位受到的拉應力最大，軋件受到的應力變化復雜，金屬流動不均衡，塑性變形的程度不一致，容易發生疏松、縮頸或心部缺陷。

韌性損傷分析

軋件的損傷程度預測分析，如圖6 所示。從圖中可以看出，軋件桿部中心區域以及夾持桿末端損傷程度較大，軋件桿部中心區域易產生心部疏松或心部裂紋，夾持桿末端容易產生凹心缺陷。

結論

⑴利用DEFORM-3D 有限元軟件對多楔楔橫軋鋁合金連桿成形過程進行數值仿真分析，獲得應力應變場的變化規律，探索其變形、缺陷產生機理，為今后進一步研究楔橫軋多楔零件的精確成形及金屬流動提供了理論參考依據。

⑵在軋制過程中，軋件中間細桿部和夾持桿部變形劇烈，變形量大，金屬流動復雜，容易產生疏松、裂紋、頸縮等缺陷，建議進一步研究采取適當的軋制工藝，來降低缺陷發生的概率。