楔横轧近净成形非对称轴类零件的理论研究

机械零件中非对称轴类件占大多数。楔横轧非对称轴类件技术难度大；目前，国内外未对楔横轧非对称轧制成形理论进行系统研究。为实现楔横轧非对称轴类件的稳定轧制，采用现代数值技术和轧制实验等方法进行楔横轧近净成形非对称轴类零件的理论研究。分析轧制非对称轴类零件的力能参数与成形工艺参数的影响规律；揭示轴向平衡与成形工艺参数的理论关系以及轴向力不平衡时轴向窜动量与工艺参数的理论关系；阐明楔横轧近净成形非对称轴类零件的成形机理；研究非对称轧制作用区域轧件内部组织晶粒大小和分布规律、晶粒大小和分布与工艺参数的定量关系；给出轧制非对称轴类件保证轧件内部变形均匀性、组织均匀性和稳定轧制的最优工艺参数的确定理论。从而建立系统、完善的楔横轧近净成形非对称轴类零件的理论，为设计非对称轴类零件楔横轧模具参数选取提供理论指导，实现楔横轧非对称轴类零件的经济化、节能化生产。

随着交通运输业的快速发展，各种轴类零件的需求量与日俱增，尤其是沿长度方向上非对称的大型轴类零件，在铁路车辆用车轴和汽车用轴等行业有广泛的应用需求。楔横轧是当今成形轴类零件的先进技术，但对于长度较长的非对称轴类件，由于受到安装模具芯轴长度的限制，无法在现有的设备上实现对称轧制。楔横轧非对称轴类件技术难度大，极易出现由轴向不平衡引起轧件在轧制过程中轴向窜动，造成轧件轴向尺寸不准、台阶缺肉和重皮等缺陷问题。因而，开展楔横轧非对称轴类零件的理论研究，对于实现非对称轴类件的楔横轧轧制具有重要的理论意义和工程价值。本项目取得以下创新性成果：1）建立了楔横轧非对称件数值模拟模型，获得了大量楔横轧非对称件轴向窜动量数值模拟数据，将数据处理成回归公式，确定了轴向窜动量的影响因素，实验验证了回归出的轴向窜动量公式具有良好预报能力，为精确设计模具预留窜量提供了依据；2）推导出楔横轧轴向力解析式，获得了各成形区平均单位压力和接触面积随工艺参数的变化规律，解释了轴向力随工艺参数变化的原因，提出了为使轴向力平衡主要工艺参数配对原则；3）得到了数值模拟的楔横轧对称轧制轴向力回归公式，与实验数据对比验证了有限元模拟轴向力具有良好的可靠性和通用性，揭示了工艺参数和它们之间的交互项对轴向力的影响规律，提出成形角是调整不平衡轴向力最有效的工艺参数的观点；4）研究了楔横轧非对称轧制环状台阶轴类件关键技术，获得了各工艺参数对楔横轧非对称环状台阶轴类件轴向窜动量的影响规律，提出了抵抗轴向窜动的措施；5）揭示了楔横轧非对称轧制轴向力调整达到平衡的过程，阐明了楔横轧非对称轧制轴向窜动机理，非对称轧制与对称轧制的显著区别在于瞬时展宽量发生了变化，得到了非对称轧制弱侧瞬时展宽量增大、强侧瞬时展宽量减小的结论，该结论在实验中得到了验证；6）研究了非对称轴类件楔横轧成形时轧件内部应力场、应变场及速度场分布情况，阐明了非对称轧制的金属流动规律，分析了非对称轧制时工件心部质量状态，揭示了微观组织演变机理及工艺参数的影响。项目的完成为实现楔横轧非对称轴类件的高效、精确生产奠定了基础，部分研究成果已得到实际应用。项目成果“万吨级楔横轧高质量汽车轴类件生产技术及应用”获2011年度河北省科技进步2等奖，发表学术论文15篇，其中EI检索14篇，获授权国家发明专利3 项；培养博士生6名、硕士生11名。