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无料头楔横轧热剪切机构制坯机理与设计方法研究

无料头楔横轧热剪切机构制坯机理与设计方法研究

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作者：荣权升宁波大学

学位级别：硕士

楔横轧技术作为回转型轴类零件先进成形工艺方法,是近净成形加工领域不可或缺的组成部分,但在实际轧制成形时,棒料表层金属比心部金属流动快造成轧件两端会出现凹心现象,而凹心部分作为废料头必须切除,这样不仅降低了材料的利用率,而且... 详细信息

楔横轧技术作为回转型轴类零件先进成形工艺方法,是近净成形加工领域不可或缺的组成部分,但在实际轧制成形时,棒料表层金属比心部金属流动快造成轧件两端会出现凹心现象,而凹心部分作为废料头必须切除,这样不仅降低了材料的利用率,而且还要专门配置切削料头的工序,提高了生产成本,因此开展无料头楔横轧技术研究,对提高材料利用率、实现零件的精确成形、完善楔横轧近净成形工艺具有重要的理论意义和工程应用价值。改变棒料端部形状是当前最有效且通用性最强的消除端部凹心实现无料头轧制的工艺方法,但采用传统的车削、锻造等工艺来加工棒料端部形状,存在浪费材料、生产效率低的问题,基于此本文提出了无料头楔横轧热剪切制坯方法及其实现机构,并开展应用基础研究。无料头楔横轧热剪切机构制坯过程中,加热后的棒料用特制夹具夹持(棒料周向固定,轴向自由),上下刀具绕棒料旋转转动的同时沿径向逐步进给,棒料在剪切区域产生径向压缩、轴向延伸变形,最终成形所需的端部形状。通过设计和调整刀具形状,可实现不同端部形状。本文利用DEFROM-3D软件,建立热剪切制坯有限元模型,对热剪切制坯过程中棒料端部成形原理及端部堆料产生原因进行了研究,利用正交试验法对不同工艺参数对棒料端部堆料的影响情况进行了探究。在正交试验的基础之上,以端部堆料值最小为目标,在考虑加工效率、生产成本及设备能耗的情况下,优选出了一组最佳的工艺参数。为进一步控制棒料端部堆料缺陷,获得满足楔横轧实际加工所需的坯料,从模具创新的角度出发,在棒料两端添加了具有锥角的半圆柱型挡块,通过DEFROM-3D软件对其进行数值模拟计算,其结果表明该方法能有效抑制端部堆料。进而为优化热剪切制坯过程中刀具力能情况,对不同径向运动规律下刀具力能情况进行了研究,最终优选出既能满足棒料热剪切制坯成形质量要求,又使得刀具所受力能情况改善的径向修正等速运动规律(等速段速度值最小)。为实现如上所述的刀具绕棒料周向匀速转动的同时沿径向按设计的运动规律进给,利用差动轮系机构、变性椭圆齿轮机构和共轭凸轮机构的组合传动,设计了无料头楔横轧热剪切机构,在论述该机构工作原理的基础上,建立了其运动学数学模型。以该数学模型为基础,利用MATLAB软件编写了“无料头楔横轧热剪切机构辅助分析与优化软件”,并运用该软件得到了满足刀具运动规律要求同时满足共轭凸轮传动特性要求的结构参数。进而借助UG软件对热剪切机构进行了三维建模及零部件装配,将该三维模型导入ADAMS软件中进行了虚拟样机仿真。将理论计算结果与虚拟样机仿真结果进行比对分析,两者的结果基本一致,验证了运动学数学模型的正确性,为后续热剪切机构的样机加工提供了技术支持。

关键词：无料头楔横轧热剪切制坯端部堆料运动学

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