第
35
卷第
2
期
2013
年
2
月
北京科技大
且
...
号
L
学报
Vo
l.
35
No.2
Feb.
2013
Journal
of
University
of
Science
and
Technology
Beijing
成形角对模横轧
21-4N
合金钢气门心部质量的
日向
郑振华囚，刘晋平，王宝雨，胡正寰
北京科技大学机械工程学院
7
北京
100083
因通信作者，
E-mail:zhengzhenhua@ustb.edu.cn
摘要基于气门二次棋轧制原理，采用
DEFORM-3D
有限元软件研究了成形角改变时轧件心部应力和应变的变化规
律，分析了成形角对棋横轧
21-4N
合金钢气门心部质量的影响.结果表明:随着成形角的增大，轧件心部的应力状态和
应变状态更为合理，有利于防止心部疏松.相应的轧制实验结果验证了这个结果.
关键词模横轧;合金钢;气门;成形角;质量控制
分类号
TG335.19
Effect
of
forming
angle
on
the
central
quality
of
21-4N
valves
by
cross
wedge
rolling
ZHENG
Zhen-hu
α
囚
，
LIU
Jin-ping,
WANG
B
α
o-yu
，
HU
Zheng-hu
α
n
School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China
囚
Corresponding
author.E-mail:zhengzhenhua@ustb.edu.cn
ABSTRACT
Based
on
the
mechanism
of
twice
wedge rolling for
valv
巳日，
changes
in
stress
and
strain
of
a 21-4N valve
at
the
center
with
forming
angle
w
巳
re
investigated
using
the
finite
element
software
DEFORM-3D.
The
eff
，巳
ct
of
forming
angle
on
the
central
quality
of
the
rolled piece
was
analyzed.
It
is
found
that
a
larger
forming
angle
ca
且
lead
to
a
more
reasonable
distribution
of
both
stress
and
strain
in
the
center
of
the
rolled piece,
which
is
positive
to
prevent
central
cavities.
Laboratory
experiments
show
the
same
result.
KEY
WORDS
cross wedge rolling; alloy steel;
valv
臼;
forming
angle;
quality
control
随着中国汽车工业的快速发展，作为汽车发动
机关键部件之一的气门，年需求量也越来越大.据
统计，目前我国各类气门的年产量己超过
3
亿支.
当前，气门预成形坯的生产工艺主要有两种:电热
辙粗和热挤压
[1].
电热辙粗设备简单且投入少，但
其存在产品质量不稳定、生产效率低、废品率高等
问题
l2-4l;
热挤压的产品质量稳定，但是模具寿命
过低
[58].
由于条件限制，国内主要采取的是电热
辙粗工艺生产气门毛坯.因此，寻求新的先进工艺
成形发动机气门毛坯是当前亟待解决的重大问题.
模横轧是一种先进的轴类零件成形技术，其
利用上下模具同步旋转对轧件进行径向压下和轴向
展宽的塑性成形，具有生产效率高、材料利用率高、
收稿日期:
2011-12-06
模具寿命长、产品质量稳定、综合成本低等优点
I
叹
气门是一种典型的带盘细杆类零件，因此利用模横
轧为气门制坯是气门毛坯生产的一种先进新工艺
棋横轧轧制的变形机理较为复杂，特别是将棋横轧
应用于合金气门毛坯成形的研究目前国内外都未见
报道
[1014l.
为此，本文针对一种典型的排气门用钢
一
-21-4N
合金钢，从棋横轧成形气门毛坯的原理
入手，采用
DEFORM-3D
有限元软件，对棋横轧
21-
4N
合金气门制坯成形过程中，成形角
α
对轧件变
形区应力状态和应变状态的影响规律进行了系统的
研究
1
气门毛坯的模横轧成形工艺
发动机气门的工作环境具有高温、高压、高腐
基金项目:广东省教育部产学研结合项目
(2009A090100022)
;国家自然科学基金资助项目
(50975023)
第
35
卷第
2
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2013
年
2
月
北京科技大
且
...
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学报
Vo
l.
35
No.2
Feb.
2013
Journal
of
University
of
Science
and
Technology
Beijing
成形角对模横轧
21-4N
合金钢气门心部质量的
日向
郑振华囚，刘晋平，王宝雨，胡正寰
北京科技大学机械工程学院
7
北京
100083
因通信作者，
E-mail:zhengzhenhua@ustb.edu.cn
摘要基于气门二次棋轧制原理，采用
DEFORM-3D
有限元软件研究了成形角改变时轧件心部应力和应变的变化规
律，分析了成形角对棋横轧
21-4N
合金钢气门心部质量的影响.结果表明:随着成形角的增大，轧件心部的应力状态和
应变状态更为合理，有利于防止心部疏松.相应的轧制实验结果验证了这个结果.
关键词模横轧;合金钢;气门;成形角;质量控制
分类号
TG335.19
Effect
of
forming
angle
on
the
central
quality
of
21-4N
valves
by
cross
wedge
rolling
ZHENG
Zhen-hu
α
囚
，
LIU
Jin-ping,
WANG
B
α
o-yu
，
HU
Zheng-hu
α
n
School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China
囚
Corresponding
author.E-mail:zhengzhenhua@ustb.edu.cn
ABSTRACT
Based
on
the
mechanism
of
twice
wedge rolling for
valv
巳日，
changes
in
stress
and
strain
of
a 21-4N valve
at
the
center
with
forming
angle
w
巳
re
investigated
using
the
finite
element
software
DEFORM-3D.
The
eff
，巳
ct
of
forming
angle
on
the
central
quality
of
the
rolled piece
was
analyzed.
It
is
found
that
a
larger
forming
angle
ca
且
lead
to
a
more
reasonable
distribution
of
both
stress
and
strain
in
the
center
of
the
rolled piece,
which
is
positive
to
prevent
central
cavities.
Laboratory
experiments
show
the
same
result.
KEY
WORDS
cross wedge rolling; alloy steel;
valv
臼;
forming
angle;
quality
control
随着中国汽车工业的快速发展，作为汽车发动
机关键部件之一的气门，年需求量也越来越大.据
统计，目前我国各类气门的年产量己超过
3
亿支.
当前，气门预成形坯的生产工艺主要有两种:电热
辙粗和热挤压
[1].
电热辙粗设备简单且投入少，但
其存在产品质量不稳定、生产效率低、废品率高等
问题
l2-4l;
热挤压的产品质量稳定，但是模具寿命
过低
[58].
由于条件限制，国内主要采取的是电热
辙粗工艺生产气门毛坯.因此，寻求新的先进工艺
成形发动机气门毛坯是当前亟待解决的重大问题.
模横轧是一种先进的轴类零件成形技术，其
利用上下模具同步旋转对轧件进行径向压下和轴向
展宽的塑性成形，具有生产效率高、材料利用率高、
收稿日期:
2011-12-06
模具寿命长、产品质量稳定、综合成本低等优点
I
叹
气门是一种典型的带盘细杆类零件，因此利用模横
轧为气门制坯是气门毛坯生产的一种先进新工艺
棋横轧轧制的变形机理较为复杂，特别是将棋横轧
应用于合金气门毛坯成形的研究目前国内外都未见
报道
[1014l.
为此，本文针对一种典型的排气门用钢
一
-21-4N
合金钢，从棋横轧成形气门毛坯的原理
入手，采用
DEFORM-3D
有限元软件，对棋横轧
21-
4N
合金气门制坯成形过程中，成形角
α
对轧件变
形区应力状态和应变状态的影响规律进行了系统的
研究
1
气门毛坯的模横轧成形工艺
发动机气门的工作环境具有高温、高压、高腐
基金项目:广东省教育部产学研结合项目
(2009A090100022)
;国家自然科学基金资助项目
(50975023)
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