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1、摆动辗压（材料成形理论课程大作业）成员：毛丰 陈俊磊 许正斌 李鑫2013年1月18日大连理工大学Dalian University of Technology本文对摆动辗压成形工艺进行了较详细的介绍。针对摆动辗压成形工艺，就工艺特点进行了简要介绍，并给出了相关应用实例。综 述了摆辗成形的应力、应变特点及变形规律分析，常见缺陷形式、产生原因及预防措施, 同时介绍该工艺研究现状及发展方向，并介绍了国内的主要研究机构、代表性人物及代 表性论文。关键词：摆动辗压；应力应变特点；缺陷；研究现状目 录摘 要II1摆动碾压工艺简介及其应用实例 -3 -1.1 摆动碾压的定义-3-1.2 摆动碾压的技术概况
2、及其优点 -3 -1.3 摆动碾压的应用-4-2 应力应变特点及变形规律分析 -5-2.1 圆柱件的分析-5-2.2 环形件的分析-8-3常见缺陷形式、产生原因及预防措施 -11 -3.1 摆动辗压圆柱件变形特征及其力学分析 -11 -3.1.1 圆柱件摆辗变形的主要特征 -11 -3.1.2 摆辗件主要变形特征的分析 -11 -3.2 摆辗件变形时产生的缺陷及防止方法 -13 -3.2.1 薄件中心开裂-13 -3.2.2 大头件侧表面开裂 -14 -3.2.3 高件失稳折迭 -15 -3.2.4 高件锻不透 -15 -3.2.5 锻模中心易龟裂、塌陷 -15 -3.3 小结-15 -4 研
3、究现状及发展方向 -17 -4.1 摆动碾压发展历史 -17 -4.2 摆动辗压的技术概况及其优点 -17 -4.2.1 在摆辗设备研究方面 -17 -4.2.2 摆辗成形理论研究方面 -18 -4.2.3 摆辗机的设计理论方面-18 -4.2.4 在摆动辗压工艺的工业应用方面 -18 -4.2.4.1 热摆辗压工艺的应用 -18 -4.2.4.2 温摆辗工艺的应用 -19 -4.2.4.3 冷摆成形工艺的应用 -19 -4.3 摆辗技术发展的期望 -20 -4.4 摆辗成型的新发展 -21 -参考文献-22 -1摆动碾压工艺简介及其应用实例1.1 摆动碾压的定义“摆动辗压”是一种先进的压力加
4、工技术和工艺，与传统压力加工工艺及技术相比， 摆辗工艺及设备具有不可比拟的优越性： 加工时，摆辗力只有传统锻造力的5%20%, 从而大大减少了设备，厂房，基础，安装的费用并可完成普通压力加工工艺难以完成的 薄盘类和复杂形状零件的成形。因此可以用较小吨位设备代替大型设备。一般说来，它 可较普通平锻机投资低5倍以上；较普通锻锤类设备效率提高 3倍以上。同时，摆辗摸 具结构简单，换模方便，模具寿命长也是一大优点。摆辗加工后，零件有较好的金属流 线，特别是冷摆辗后，由于冷作硬化使抗拉强度和硬度有较大提高，因此可用低碳合金 钢，成形后达到高碳合金钢的强度。1.2 摆动碾压的技术概况及其优点我国对摆动辗压
5、成形技术的研究起步较晚。1972年上海电机锻造厂开始研制摆辗 机，并从事摆动辗压成形工艺研究工作，1973年研制成功第一台2000 kN卧式摆辗机。 从此以后，摆动辗压技术受到国内众多高等院校、科研单位和生产企业的重视，对摆辗 成形技术的设备设计制造、成形工艺和摆辗理论等方面进行了详细研究工作。1）产品尺寸精度高、表面质量好：摆碾成形是无冲击的静载成形，成形力较小，设 备的相对刚度大。通常冷摆碾成形件的尺寸精度可以达到0.025mm,表面粗糙度Ra值可以达至U 0.4-1.6um。2）省力：摆辗是通过连续局部塑性变形累积实现整体塑性成形，其变形力通常为整 体锻造变形力的1/51/20。与整体锻
6、造工艺相比，成形同样大小的工件，摆辗所需的变 形力显著减小，因而所需摆辗设备吨位小。3）适合成形薄盘类零件：摆辗工艺能成形高径比H/D很小、普通锻造不能成形的工 件，特别适合成形薄盘、圆饼、法兰、半轴类和勾销等零件，显著地扩大了锻造产品的 范围。4）生产效率高：摆辗生产率可达到 1015件/min。5）工作条件好：摆辗属静压成形，无振动，噪声低，易实现机械化自动化，劳动环 境好。1.3 摆动碾压的应用摆动辗压工艺在机械、汽车、摩托车、电器、仪表、五金工具等许多部门得到了广 泛应用。摆动辗压工艺生产的产品有变速器齿轮、同步器齿环、差速器行星锥齿轮和半 轴锥齿轮、启动棘轮、油泵凸轮、离合器盘毂、半
7、轴、端面齿轮、主减速器从动齿轮、 空压机阀盖、碟形弹簧、扬声器导磁体、铳刀片等。2应力应变特点及变形规律分析2.1圆柱件的分析选取典型的摆辗工艺参数进行有限元分析计算：S=0.5mm 丫=30 , m=0.3, H/D（坯料的高径比）=0.5。对典型的圆柱形坯料摆动辗压接触区域的压力分布进行三维刚塑性 有限元分析计算，有限元模型如图 2.1所示。图2.1圆柱件摆辗工艺的有限元模型根据摆辗生产和实验中的实际情况，为便于进行有限元分析计算和保证具有较高的 精度，本文进行如下的基本假设：模具设为刚体；模拟坯料的材料视为刚塑性应变硬化 材料；忽略变形中的温度效应；摩擦边界条件按常剪切因子摩擦模型施加。
8、采用四面体等参元对圆柱形的坯料进行单元划分，并且对变形情况复杂的工件心部进行局部网格加密。在计算中随时根据网格畸变的情况进行网格重划，以保证计算的精 度和收敛性。图2.2摆头与工件上表面间的接触区域图2.2为摆头与工件上表面间的接触区域。其中阴影区域为工件与上模的接触区， 由于摆头在工件上表面沿顺时针方向辗过，所以阴影区域左端为接触区出口端，阴影区 右端为接触区的入口端。人口端6050403020100 U*14201060120 180 240周向角度产(a)入口端510152025半径/mm(c)(I“在05一斤/ZHW25102030周向角度广S)60 120 180 24n同向角度产
9、W36050u 。 O o D410(6(2 82 2 11 - - - - 武专共a.10目/。刃.02505101520半径/皿n(02530出口端图2.3压力分布（a）坯料上表面整个圆周方向的压力分布（b）坯料底面整个圆周方向的压力分布（c）接触区域表层出入口端径向压力分布（d）不同高径比时接触区域表层的切向压力分布（e）不同高径比时接触区域表层径向压力分布 不同高径比时接触区域底面径向压力分布图2.3a和2.3b分别给出了圆柱形坯料辗压时上表面和底面外圆处的切向压力分 布。从图2.3a可以看出，在接触区域出入口端处的压力值高于中间部分的压力，压力 峰值出现于出入口端处的原因是由于该两端
10、处金属的切向流动受到非接触区域强烈约 束的结果。从图2.3b可以看出，底面接触区域沿切向的压力分布表现出与接触表层相 一致的分布规律，但压力绝对值较接触表层处小。同时，在接触区域的对侧出现微弱的 负值，这说明由于偏心加载而在接触区域对侧坯料底部有脱离底面支撑的倾向。图2.3c为摆辗时接触区域表层出入口端沿径向的压力分布。从图 2.3c可以看出, 在工件中心到边缘之间存在一压力峰值，其位置位于0.60.8R之间，坯料中心区域压力最低，低于外圆处。由于坯料的高径比对辗压力影响很大，因此，本文对不同高径比 坯料的辗压接触压力进行了计算。从图2.3d和图2.3e看出，随着高径比减小，接触面上的压力增大
11、，但对峰值的位 置和分布规律影响不大。由图2.3e和图2.3f比较可以看出，随着高径比的减小，上下 接触面的压力趋于一致。一上端切向应变一上端径向应变腰部径向应变 一一腰部切向应变卜.下端径向应变下端切向应变0. 300. 25加 0, 20爵 0.150100.05000. 0 5.C 10- 0 15. 0 20. 0 25.0 30. 0中心距R （mm）图2.4应变沿半径方向的变化曲线图2.4给出变了形结束后，工件上端、腰部和下端切向应变和径向应变沿半径方向 的变化曲线。可见工件上端和下端切向应变值相近，从工件的心部到边缘均有e 9cr, 工件上端由内到外切向应变略有下降，径向应变则下
12、降幅度很大；工件下端切向应变和 径向应变的峰值均出现在0.2R0.4R（R为相应截面的半径）之间。与上、下端相比，腰 部的切向应变很小，而且 r 9 ,沿半径向外，切向应变变化不大，径向应变则增大 较多。可见该工件摆辗变形的特殊性在于主要塑性变形区为工件上、下端，并且切向伸 长较为剧烈，滑轮形工件的形成主要是工件上、下端与腰部沿切向变形的差别造成的。2.2 环形件的分析摆辗过程中，坯料与上模之间的相对运动状态实际上是个螺旋式的送进过程，坯料 的接触表面是个空间曲面，其理想的形状应为摆头上模锥形表面的一部分，非接触区域 的表面在实际成形过程中应为阿基米德螺旋面。采用八节点六面体等参元进行力学模型
13、 的离散化，如图2.5所示，毛坯被离散成1071个单元和1360个节点，图中ABCD；接 触区域，AB是出口线，CD是入口线。图2.5摆辗过程中环形件网格的离散选取典型的摆辗工艺参数进行有限元分析计算：摆角丫 =3。，每转进给量S=0.75mm摩擦因子m=0.2。环形坯料初始几彳尺寸为：外径 D=70mm内径d=30mm高度H=40mm410.0o o o o o OSL o- n-7 5 3 1 1 工 ; 一 )图2.7环形件辗压时接触区域沿径向的压力分布从图2.7给出的表面的径向压力分布可以看出，沿着径向无论是接触表面的压力还 是支撑底面的压力都存在着峰值，其位置都靠近内孔一侧，大约相当于壁厚的1/3,其峰值靠近内孔一侧主要是由于变形区的金属向内流动的阻力大于向外流动的阻力的结 果。1）环形件的摆辗变形是由锥形上模对坯料进行局部的倾斜加载导致表层局部区域 的屈服产生的，表层接触区域首先屈服，轴向被压缩，金属沿径向和切向流动。由于沿 高度方向受力区逐渐扩大，轴向应力的绝对值逐渐减小，变形区主要集中在坯料的上端 部。2）接触表层区域的金属轴向被压缩时，由于切向变形受到外端的强烈约束使得该区 域发生显著的径向伸长变形，内孔收缩，外径增大，由于向内流动的阻力大于向外流动 的阻力，因而流动分界线靠近内孔一侧。3常见缺陷形式、产生原因及预防措施3.1 摆动辗压
