TRR的轧制成形与过程仿真

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 8.1MB 77 页 15积分

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中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论.....................................................................................................................1
§1.1引言....................................................................................................................1
§1.2变截面技术........................................................................................................1
§1.3变截面棒材的传统加工方法............................................................................3
§1.3.1变截面棒材的无模拉伸..........................................................................3
§1.3.2变截面棒材的楔横轧..............................................................................4
§1.3.3变截面棒材的机械加工..........................................................................4
§1.4变截面轧制技术简介........................................................................................5
§1.5变截面技术研究现状........................................................................................8
§1.6本文研究课题的提出......................................................................................10
§1.7本文研究的主要内容......................................................................................10
第二章 TRR成形理论基础...........................................................................................12
§2.1 TRR轧制成形的基本理论.............................................................................12
§2.1.1轧制过程的基本参数............................................................................12
§2.1.2咬入条件................................................................................................19
§2.1.3轧制稳定条件........................................................................................23
§2.2金属塑性成形理论..........................................................................................24
§2.2.1金属的变形............................................................................................24
§2.2.2屈服准则................................................................................................25
§2.2.3塑性流动法则........................................................................................30
§2.2.4硬化准则................................................................................................31
§2.2.5本构关系................................................................................................32
§2.2.6虚功方程................................................................................................32
§2.3本章小结..........................................................................................................34
第三章 TRR参数化设计...............................................................................................35
§3.1参数化设计的概念及特点..............................................................................35
§3.2开发原理与思路..............................................................................................36
§3.3参数化图形设计..............................................................................................37
§3.3.1参数定义................................................................................................37
§3.3.2参数取值................................................................................................38
§3.3.3实体生成与编辑....................................................................................39
§3.4实例演示..........................................................................................................41
§3.5本章小结..........................................................................................................42
第四章 棒料轧制过程的模拟及分析...........................................................................43
§4.1有限元模型的基本假设..................................................................................43
§4.2轧制有限元模型的建立..................................................................................43

§4.2.1模拟条件................................................................................................43
§4.2.2有限元分析建模....................................................................................45
§4.3 模拟结果分析.................................................................................................47
§4.3.1不同阶段轧件变形分析........................................................................47
§4.3.2应力、应变及轧制力分析....................................................................49
§4.3.3轧制速度场模拟结果............................................................................52
§4.4下压量对轧件横向宽展量和纵向延伸量的影响..........................................53
§4.4.1模拟实验研究........................................................................................53
§4.4.2 数据分析及处理...................................................................................55
§4.5本章小结..........................................................................................................59
第五章 TRR的成形仿真及研究...................................................................................60
§5.1等截面棒连轧过程模拟..................................................................................61
§5.1.1有限元模型的建立................................................................................61
§5.1.2轧件变形模拟分析................................................................................62
§5.1.3等效塑性应变模拟分析........................................................................63
§5.1.4轧制力模拟分析....................................................................................64
§5.2连续变截面棒轧制成形模拟..........................................................................65
§5.2.1数学模型的建立....................................................................................65
§5.2.2有限元模型构建....................................................................................67
§5.2.3轧制力分析............................................................................................68
§5.2.4等效应力分析........................................................................................69
§5.2.5等效应变分析........................................................................................72
§5.3本章小结..........................................................................................................74
第六章 结论与展望.......................................................................................................75
§6.1结论..................................................................................................................75
§6.2展望..................................................................................................................76
参考文献........................................................................................................................77

第一章绪论

§1.1引言

矿产资源是我国经济和社会发展的物质基础。我国90%的能源、95%以上的工

业和农业原材料都来自于矿产资源。然而，随着人口的快速增长，国家工业化程度

的飞越发展，资源供需矛盾日益突出，另外我国矿产对外依存度长期居高，因此矿

产资源能否可持续供应将是全社会关注的重大问题[1]。如何解决矿产资源的供应不

足，就需要在满足材料的使用要求下，降低材料消耗，减小资源的使用率。目前工

业领域及建筑行业均使用等截面用材，虽然在强度和刚度上满足了使用要求，却浪

费了大量的材料。据统计显示，我国开采的矿产资源中的80%均用于工业和建筑行

业[2]，如果在符合强度性能要求下，减少材料的使用率，就可节约大量资源。

能否找到一种合理的设计方法，使得材料使用量和结构性能得到完美融合。结

构优化发挥了重要作用，即根据材料的实际受载情况，通过改变截面形状，在强度

或刚度要求高的位置增加材料分配，而在受力较小或几乎不受力的位置减少材料分

配，这样就使得资源得到合理配置。

随着优化技术应用日趋完善，为了实现机械或结构的某些设计目标，如重量轻

应力集中小、平均应力小、体积小、刚度最大、稳定性最佳等，以求得最合理的结

构尺寸和最合理的几何形状，并考虑到柱(或梁)沿轴线弯矩是变化的，实际工程中

多采用变截面柱（或梁）[3]。通过计算可知，在满足强度、稳定性和挠度等条件下

连续变截面柱(或粱)比等截面拄(或粱)更能节省材料，且具有更优的承载能力。

§1.2变截面技术

变截面技术可以表述为：在满足材料的使用要求条件下，按照等强度理论，尽

可能地减少材料消耗，提高材料利用率。变截面可分为连续变截面和非连续变截面

两种类型。在减材效果上，连续变截面材料明显优于非连续变截面材料，且具有更

优良的承载性能。以一个末端受一定载荷的悬臂梁为例（如图1.1），在由等截面

棒、连续变截面棒及阶梯棒制成的梁当中，连续变截面制成的梁可用最少的材料达

到与其它两种梁一样的抗弯刚度，减材效果最佳。

TRR 的轧制成形与过程仿真

图1.1相同抗弯刚度下不同梁的减材效果比较

Fig.1.1 Comparison on material-saving between different beams with same stiffness

连续变截面技术可以分为两类：连续变截面板（Tailor Rolled Blanks简称

TRB）和连续变截面棒（Tailor Rolled Rods 简称TRR）。由于变截面结构具有优良

的减材和轻量化效果，目前被广泛地应用于汽车领域[4~6]，在一些汽车制造强国

（如德国），TRB已经开始投入汽车工业的实际应用之中[7]。图1.2所示为TRB在汽

车白车身上的应用，主要包括：横梁、前侧板、前座横梁、后座横梁、后侧纵梁、

连接横梁、侧梁等等。图1.3是白车身上的横梁和侧梁零件，中间区域板料厚度均

匀过渡。与等厚度板冲压制成的同一零件相比，采用连续变截面板制成的零件不仅

重量减轻，而且零件的刚度是根据负载优化的，即需要大刚度的区域厚度较大，反

之则小。在汽车结构设计过程中，根据整车负载仿真以及整车实验结果来设计

TRB零件。

图1.2 TRB在白车身上的应用

Fig.1.2 The applications of TRB in the BIW

第一章绪论

图1.3 某车型横梁和侧梁TRB零件图

Fig.1.3 TRB parts of cross member and side member in a car

相对于TRB而言，TRR目前还处于研究空白阶段，而棒材比板材拥有更广阔的

应用领域。因此，探索TRR的成形技术无疑是变截面技术的一次重大突破。

§1.3变截面棒材的传统加工方法

§1.3.1变截面棒材的无模拉伸

无模拉伸成形是一种不采用模具而进行金属成型的加工方法，工件的一端固定

采用感应加热（或其他方式）对工件进行局部加热到高温，使材料在被拉伸方向上

形成合适的温度梯度，同时以设定的速度拉工件的另一端，而热源和冷却系统则以

设定的速度向相反或相同的方向移动，从而获得变截面的产品。

其特点是：(a)不采用模具，材料的变形程度可以在拉伸的过程中随时间变化

(b)材料的变形是在局部区域发生的，并通过局部区域材料在变形过程中稳定扩展

使材料得到整体上的变形；(c)材料的变形过程在高温范围内进行，其原始组织状

态在变形过程中并无影响。

无模拉伸金属成形工艺的基本形式有两种，即非连续式无模拉伸和连续式无模

拉伸[8,9]，如图1.4示。

显而易见，无模拉伸有着无摩擦、拉伸力小、断面减缩力大、灵活性高等优点，

但是这种工艺过程比较繁琐，耗能比较大。

1-加工件；2-冷却器；3-加热器

图1.4 任意变截面棒材无模拉伸工艺

Fig.1.4 Dieless Drawing of Arbitrary Section Rod

TRR 的轧制成形与过程仿真

§1.3.2变截面棒材的楔横轧

1-带楔形模具的轧辊；2-轧件；3-导板

图1.5 楔横轧原理图

Fig.1.5 The schematic diagram of Cross Wedge Rolling

楔横轧[10~12]是两个或三个带楔形模的轧辊朝相同的方向带动圆形料旋转，坯料

在楔形孔型的作用下，轧制出各种变截面的产品。其特点是：(a)工作载荷小，设

备重量轻，体积小，投资少；(b)工作效率高，坯料利用率高。

楔横轧是两个轧辊轴心线平行并以相同的方向旋转，圆形工件在轧辊上的楔形

模具带动下旋转，径向压缩轴向延伸成台阶轴类零件，如图1.5所示。适合生产的

零件包括汽车、拖拉机、摩托车上的各种台阶轴类零件。但是楔横轧的缺点也显而

易见：(a)工艺调整困难，仅适用于品种少、批量大的产品；(b)轧件长度要小于

800mm；(c)对复合产品的生产有一定的难度；(d)轧辊复杂，通用性差，设计制造

复杂。

§1.3.3变截面棒材的机械加工

单纯的机床加工是通过车床等设备直接加工棒料，这种工艺比较浪费材料，并

且金属性能没有得到加强和提高。而将锻造与机械加工相结合，是一种生产变截面

实心工件的常用方法。一般是把锻造与铣削相结合。此方法优点是：(a)产品精度

高，表面粗糙度低；(b)设备简单，投资少；(c)生产效率高。但使用这种工艺，工

具消耗量大，易发生加工硬化，产生残余应力。

（1）数控铣削加工，即剥皮法它是靠控制刀具的旋转与进给及棒料轴向运动

用切削的方法得到变截面长棒料，此方法加工精度高，同时消除了表面缺陷，有利

于提高疲劳寿命。但数控铣削加工的材料利用率仅为75%～85%，且切断了材料的

纵向纤维，对材料的疲劳寿命产生不利影响，同时设备投资大，生产成本高，企业

难以接受。

（2）旋转锻造法[13] 旋转锻造又称径向锻造，是长轴类轧件成形工艺。其工

作原理如图1.6所示，工件径向对称布置两个以上的锤头，它以高频率的径向往复

运动打击工件，工件作旋转与轴向移动，在锤头的打击下工件实现径向压缩、长度

延伸变形。

旋转锻造广泛应用于汽车、拖拉机、机床、机车等各种机器的台阶轴生产，包

括直角台阶与带锥度的轴类件；带台阶的空心轴及内壁异形材；各种气瓶、炮弹壳

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