TRR的轧制成形与过程仿真
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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
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。
1
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
2
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
3
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
4
第一章 绪论
的收口等。旋转锻造材料利用率高，但由于是打击成形，不同于轧制连续成形，但
它又不同于传统的锻造成形，它打击的次数非常多，加工速度慢，噪声大，不适合
批量生产。
图1.6 旋转锻造过程示意图
Fig.1.6 Process variations of rotary swaging
综上所述，现阶段变截面棒材的加工方法均存在着只可实现单周期的生产、无
法连续生产、效率低下的缺点。因此探索一种既能保证生产率，又能节约材料、简
化工艺、减少投资、保证质量的加工方法就成了研究重点。而柔性轧制技术正是这
种背景下孕育而生，以冀图挖掘现有轧制技术和实时控制技术的潜能，开发一种新
型轧制工艺，实现变截面棒材的连续生产。
§1.4变截面轧制技术简介
轧制成形是材料加工中的一个重要组成部分，指用轧制的方法将原料加工成预
先设定的形状。该技术是冶金轧制技术与机械加工技术的交叉、延伸与发展。由于
轧制成形技术具有高效、低耗、清洁等优点，受到国内外广泛重视[14]。轧制的目的
不仅是改变金属的形状（断面减小、形状改变、长度增加），而且也使金属获得一
定的组织和性能。轧制成形在各种压力加工方法中应用最为广泛，并且形成了从半
成品到各类成品（型钢、棒线材、板带钢、钢管等）的生产体系。
目前，轧制产品的种类和规格达数万种。但总体来说轧制的基本方式大致分为
三种：纵轧、斜轧和横轧。
（1）纵轧
如图1.7所示，轧件在相互平行且旋转方向相反的两轧辊之间发生塑性变形，
金属延伸主要沿轧件的纵轴线方向进行，而轧件前进方向与轧辊轴线在水平面上的
投影相互垂直。轧制后一般轧件的厚度减小，而长度和宽度增加，其中以长度增加
为主。不论金属处于冷态还是热态均可进行这种轧制，它是轧制生产中应用最广泛
的一种轧制方法，如各种型材、板带材和线棒材的生产。
5
TRR 的轧制成形与过程仿真
1—轧辊；2—轧件
图1.7纵轧示意图
Fig.1.7 Schematic diagram of longitudinal rolling
（2）斜轧
轧件在旋转方向相同、纵轴线相互交叉（或倾斜）的两个或三个轧辊之间沿自
身轴线边旋转、边变形、边前进的轧制。斜轧的变形过程如图1.8所示。斜轧应用
很广，按其成形特点可以分为3类：(a)无缝钢管生产中应用的斜轧，包括斜轧穿孔
斜轧延伸、均整和斜轧定径；(b)孔型斜轧，其特点是轧辊表面上带有变高度、变
螺距的轧槽，能轧制出长度上变断面的回转体产品，如钢球轧制，丝杠轧制等；
(c)仿形斜轧，它借助于液压或机械的仿形板控制三个旋转的锥形轧辊，作相对于
轧件中心的径向运动以完成变断面轴的轧制。仿形斜轧主要用来生产比较长的变断
面轴产品，如纺织锭杆、刀剪、手术器械等毛坯料。
1—轧辊；2—坯料；3—毛管；4—顶头；5—顶杆
图1.8斜轧简图
Fig.1.8 Skew rolling diagram
（3）横轧
轧件在两个旋转方向相同的轧辊之间产生塑性变形，如图1.9所示。这种轧制
轧件只做旋转运动且与轧辊的旋转方向相反，故轧件与轧辊的轴线相互平行。横轧
的基本类型包括：(a)齿轮横轧，带齿形的轧辊与圆形坯料在对滚中，实现局部连
续成形，轧制成齿轮。这种横轧的变形主要在径向进行，轴向变形很小。既有热轧
也有冷轧。此方法还可以轧制链轮、花键轴等。(b)螺旋横轧，螺旋横轧又称螺纹
滚压，两个带螺纹的轧辊(滚轮)，以相同的方向旋转，带动圆形坯料旋转，其中一
个轧辊径向进给，将坯料轧制成螺纹。这种横轧的变形主要在径向进行。(c)楔横
轧，两个带楔形模的轧辊，以相同的方向旋转，带动圆形坯料旋转，坯料在楔形型
6
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作者：陈辉
分类：高等教育资料
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时间：2024-11-19
