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        金屬無(wú)芯模的熱旋壓數(shù)值模擬研究

        2021-05-20 14:58:54劉光軍蔡立柱
        中國(guó)金屬通報(bào) 2021年4期
        關(guān)鍵詞:旋輪芯模管坯

        劉光軍,蔡立柱

        (1.東北大學(xué),遼寧 沈陽(yáng) 110000;2.沈陽(yáng)歐施盾新材料科技有限公司, 遼寧 沈陽(yáng) 110000)

        旋壓加工技術(shù)在生產(chǎn)薄壁金屬零件上具有突出的優(yōu)點(diǎn),已在軍用金屬航空零件制造、造船、高壓氣瓶等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[1]。金屬旋壓工藝的加工精度受旋輪運(yùn)動(dòng)軌跡、進(jìn)給比、道次進(jìn)給比等多種因素的制約[2]。金屬旋壓加工具有材質(zhì)性能均勻、組織致密、生產(chǎn)率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。熱旋壓加工可提高金屬材料的性能,具有較好的應(yīng)用前景[3]。當(dāng)金屬材質(zhì)強(qiáng)度較高和壁厚較大時(shí),需要采用管坯加熱的熱旋工藝進(jìn)行收口成形。

        目前實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,改善金屬旋壓工藝通常要依靠經(jīng)驗(yàn),反復(fù)試驗(yàn),才能確定合理的旋壓道次、最佳的旋壓軌跡等旋壓參數(shù)[4]。因此,加強(qiáng)對(duì)金屬無(wú)芯模的熱旋壓生產(chǎn)工藝的研究和實(shí)踐,完善工藝流程,對(duì)成形過(guò)程和規(guī)律進(jìn)行分析,顯得尤為重要。本文基于ABAQUS軟件平臺(tái)對(duì)金屬無(wú)芯模的熱旋壓建立了三維有限元數(shù)學(xué)模型,模擬了金屬無(wú)芯模的熱旋壓的成形過(guò)程,分析和比較了管坯變形時(shí)各部分壁厚的變化情況,應(yīng)力應(yīng)變的狀態(tài),為更深入的研究和工程應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

        1 有限元模型的建立和簡(jiǎn)化

        1.1 數(shù)值模擬的工藝參數(shù)的選擇

        如表1所示為金屬管坯和旋輪的尺寸,旋壓過(guò)程中工件被工裝夾緊自轉(zhuǎn),旋輪按照數(shù)控機(jī)床設(shè)定的軌跡進(jìn)行加工,旋輪本身不自轉(zhuǎn),隨工件旋轉(zhuǎn),選擇單旋輪多道次反旋工藝對(duì)管坯進(jìn)行收口。旋壓過(guò)程由7個(gè)旋壓道次完成。前5道次的壓下行程為7mm,并沿著與金屬筒體相切90mm的圓弧進(jìn)行加工;第六道次壓下行程為4mm道次,并沿著與筒體相切60mm的圓弧進(jìn)行加工;第七道次壓下行程為2mm,按照最終瓶體的加工輪廓進(jìn)行加工。收口成形后管單邊壓下總行程為41mm。數(shù)值模擬時(shí)每道次的旋輪的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖1所示。數(shù)值模擬中采用的工藝參數(shù)如表2所示。

        表1 金屬管坯、旋輪主要尺寸

        圖1 旋輪每道次的運(yùn)動(dòng)軌跡

        表2 金屬無(wú)芯模的熱旋壓工藝參數(shù)

        1.2 接觸邊界條件及運(yùn)動(dòng)關(guān)系處理

        在有限元模型中沒(méi)有建立模具的模型,而是通過(guò)ABAQUS/CAE軟件提供的耦合約束功能,在端面中心建立一個(gè)參考點(diǎn),將參考點(diǎn)和管坯端面進(jìn)行耦合。然后對(duì)參考點(diǎn)施加轉(zhuǎn)動(dòng)載荷帶動(dòng)管坯進(jìn)行自轉(zhuǎn)。在剛體旋輪的幾何中心建立局部坐標(biāo)系和參考點(diǎn),通過(guò)對(duì)參考點(diǎn)施加橫向和縱向的位移載荷控制旋輪的運(yùn)動(dòng)。如圖2所示,旋輪的起旋點(diǎn)距離金屬坯料端面的徑向距離為7mm,軸向距離13mm。

        圖2 熱旋壓的有限元模型

        金屬管坯為變形體,網(wǎng)格采用C3D8RT單元,在厚度方向劃分兩層單元,在反旋入口處網(wǎng)格劃分軸向加密,減小網(wǎng)格畸變的可能。旋輪為解析剛體,不需要?jiǎng)澐志W(wǎng)格。

        1.3 旋壓模型簡(jiǎn)化

        假定旋輪是剛體,不考慮其磨損;由于溫度因素造成的化學(xué)變化情況,予以忽略;被加工的工件材料的各向同性的;不考慮金屬管坯的溫度變化,假定金屬管坯在加工過(guò)程中是恒溫的[5]。

        2 模擬結(jié)果及分析

        2.1 反旋收口的坯料厚度變化的分析

        采用以上有限元模型,旋壓溫度450℃,進(jìn)給比3.125mm/r,金屬管坯厚度3.5mm,最后一道次壓下量為2mm,進(jìn)行了多道次模擬計(jì)算,模擬結(jié)果達(dá)到氣瓶收口的尺寸要求。圖3為旋壓后工件的壁厚分布,瓶口直壁部分的厚度先增加后減小,最大的厚度為6.68mm,之后的圓角過(guò)渡區(qū)的厚度也是高于坯料的初始厚度。反旋的管坯厚度出現(xiàn)明顯增厚現(xiàn)象,這主要是因?yàn)樵诮饘贌o(wú)芯模的熱旋壓中,變形區(qū)金屬材料的流動(dòng)方向與旋輪運(yùn)動(dòng)方向相反,材料在旋輪的軸向壓力的作用下伸長(zhǎng)。

        圖3 氣瓶最終成形壁厚分布圖

        2.2 應(yīng)力應(yīng)變

        圖4 三向應(yīng)力應(yīng)變

        圖4 是進(jìn)給比3.125mm/r、第七道次壓下量為2mm,金屬旋壓溫度450℃的三向應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D,在反旋加工過(guò)程中,圓角過(guò)渡區(qū)域和口部直壁部分徑向應(yīng)變以拉應(yīng)變?yōu)橹?,所以這兩個(gè)區(qū)域的坯料厚度是增加的??诓恐北谇邢驊?yīng)變主要為壓應(yīng)變,最大壓應(yīng)變?yōu)?.098,而軸向應(yīng)主要為拉應(yīng)變。徑向應(yīng)力、切向應(yīng)力、軸向應(yīng)力沿徑向分布比較均勻,直壁部分的徑向應(yīng)力為壓應(yīng)力,切向應(yīng)力和軸向應(yīng)力主要為壓應(yīng)力。

        2.3 不同溫度的等效應(yīng)力和等效應(yīng)變分析

        圖5 不同變形溫度的等效應(yīng)力(a)400℃;(b)450℃;(c)500℃;等效應(yīng)變(d)400℃;(e)450℃;(f)500℃

        圖5 分別是進(jìn)給比3.125 mm/r、第七道次壓下量為2mm的400℃、450℃、500℃的等效應(yīng)力應(yīng)變分布云圖。如圖7所示,隨著變形溫度的提高,旋壓入口處的局部大變形越來(lái)越大,不均勻變形的部位越來(lái)越多,因此旋壓溫度不能過(guò)高,對(duì)工件的口部質(zhì)量和旋壓成形不利。

        在反旋壓過(guò)程中,由于材料流動(dòng)困難,大部分區(qū)域仍存在較高的應(yīng)力,最大應(yīng)力出現(xiàn)在圓角過(guò)渡區(qū)域和與圓角過(guò)渡區(qū)域銜接的直壁部分。這是因?yàn)樵诮饘贌o(wú)芯模的熱旋壓中,當(dāng)旋輪進(jìn)入穩(wěn)定旋壓階段時(shí),旋輪與工件的接觸面積不斷的增加,從而產(chǎn)生更大的材料流動(dòng)阻力。隨后,由于旋壓成形的弧線與前一道次的弧線銜接,應(yīng)力開(kāi)始減小。

        最大等效應(yīng)力應(yīng)變的部位預(yù)示著金屬無(wú)芯模的熱旋壓收口裂紋、翹曲等傾向較大的部位。如圖5所示,隨著旋壓溫度的升高,最大等效應(yīng)力在逐漸降低,最大等效應(yīng)變?cè)诰徛黾?。這是因?yàn)?,?dāng)熱旋壓溫度達(dá)到500℃時(shí),隨著旋壓過(guò)程的進(jìn)行,坯料發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,可以抵消相應(yīng)塑性變形過(guò)程的加工硬化,使材料的變形抗力大大降低。因此,有限元模擬結(jié)果中的最大等效應(yīng)力比400℃的最大等效應(yīng)力明顯降低是符合規(guī)律的。

        2.4 不同進(jìn)給比的等效應(yīng)力應(yīng)變分析

        如圖6所示,不同旋輪進(jìn)給比f(wàn)旋壓后的等效應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D。由于旋輪與毛坯之間的接觸軌跡為螺旋線,當(dāng)進(jìn)給比較小時(shí),各條螺旋線的重合部分比較大,而且重合部分多為已成形部分。這就意味著在每道次的旋壓過(guò)程中,進(jìn)給比越小,重合部分被碾壓的次數(shù)越多,材料變形越嚴(yán)重。最大等效應(yīng)變隨著進(jìn)給比的減小而增大。隨著進(jìn)給比增加,旋輪的軸向運(yùn)動(dòng)速度加快,螺旋線重合部分相對(duì)較小,最大等效應(yīng)力變化不大。

        圖6 不同進(jìn)給比的等效應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

        3 結(jié)論

        (1)金屬無(wú)芯模的熱旋壓過(guò)程中,金屬厚度出現(xiàn)明顯增厚現(xiàn)象,這主要是因?yàn)樵诮饘贌o(wú)芯模的熱旋壓成形過(guò)程中,變形區(qū)金屬材料的流動(dòng)方向與旋輪運(yùn)動(dòng)方向相反,管坯的材料在旋輪的軸向壓力的作用下伸長(zhǎng)。

        (2)在金屬無(wú)芯模的熱旋壓成形中,圓角過(guò)渡區(qū)域和口部直壁部分徑向應(yīng)變以拉應(yīng)變?yōu)橹鳎赃@兩個(gè)區(qū)域的坯料厚度是增加的。由于材料流動(dòng)困難,大部分區(qū)域仍存在較高的應(yīng)力,最大應(yīng)力出現(xiàn)在圓角過(guò)渡區(qū)域和與圓角過(guò)渡區(qū)域銜接的直壁部分。

        (3)最大等效應(yīng)變隨著進(jìn)給比的減小而增大,同時(shí)隨著進(jìn)給比增加,最大等效應(yīng)力波動(dòng)很小。

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