工藝參數(shù)的有限元分析

2013-06-18 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

張晉輝詹梅楊合徐銀麗馬飛來源:萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字:錐形件剪切旋壓三維有限元工藝參數(shù) 旋壓力壁厚差

現(xiàn)代航空、航天、兵器、汽車等領(lǐng)域的發(fā)展要求塑性加工產(chǎn)品朝著輕量化、強韌化、精密、高效、低耗的方向發(fā)展.而剪切旋壓是生產(chǎn)薄壁高精度錐形件或曲母線形零件的有效方法,具有變形抗力小、原材料利用率高、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)點,在航空、航天、兵器、汽車等金屬精密塑性加工技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用.

錐形件剪切旋壓過程毛壞外徑不變,僅毛壞厚度改變.從理論上而言其壁厚變化應(yīng)遵循正弦律(t=t0sina,a為芯模半錐角,t0為坯料厚度),如圖1所示.但生產(chǎn)實際中旋壓件壁厚是不均勻的,直接影響到旋壓件的形狀及尺寸精度,因此,分析旋壓件壁厚的變化規(guī)律及影響因素,有助于選擇合理的工藝參數(shù)并進(jìn)行優(yōu)化,為改善旋壓件成形質(zhì)量提供依據(jù).旋壓力的分析計算對于選擇旋壓機和設(shè)計工裝,以及確定工藝參數(shù)和深入理解強力旋壓過程都具有重要意義。文獻(xiàn)4采用解析法分析了錐形件剪切旋壓的流動模式和旋壓力.中國臺灣的Chen對錐形件剪切旋壓進(jìn)行了實驗研究,但僅是針對旋壓力及旋壓件內(nèi)外表面的粗糙度進(jìn)行的研究,對其他成形質(zhì)量,如壁厚變化等均未涉及.文獻(xiàn)7,8對小錐度零件多道次剪切旋壓進(jìn)行了實驗研究.但由于錐形件剪切旋壓是一個多因素作用下的復(fù)雜的局部連續(xù)塑性成形過程,單純采用解析法難以準(zhǔn)確地解決生產(chǎn)實際問題;而實驗方法不具普適性,難以對問題給予普遍性的解答和規(guī)律性的指導(dǎo).

有限元方法和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展為旋壓工藝提供了先進(jìn)的分析方法,可以對成形的整個過程進(jìn)行模擬,有助于通過模擬來研究各工藝參數(shù)對零件質(zhì)量的影響.因此,本文采用彈塑性有限元法,針對錐形件剪切旋壓成形過程,基于ABAQUS/Explicit平臺建立了合理的三維有限元仿真模型,進(jìn)而獲得了旋輪圓角半徑、旋輪進(jìn)給量、偏離率、芯模轉(zhuǎn)速、旋輪直徑對旋壓力和旋壓件壁厚差的影響規(guī)律.本文結(jié)果可為相關(guān)工藝參數(shù)的確定和優(yōu)化提供參考依據(jù).

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1 錐形件剪切旋壓的有限元模型

    為了便于分析并有較高的求解精度,在有限元分析模型中做如下假設(shè)和簡化:

    ①變形材料為均一、各向同性和不可壓縮;

    ②旋輪和芯模均假設(shè)為剛體,不發(fā)生變形;

    ③忽略變形中的溫度效應(yīng),將變形假設(shè)為等溫變形.

1.1 分析模型的建立

本文基于ABAQUS/Explicit平臺建立的錐形件剪切旋壓的三維有限元模型如圖2所示.為了使模型簡單適用,在模型中采用Tie方式將毛坯與芯模固定在一起,實現(xiàn)芯模與毛坯完全同速轉(zhuǎn)動,從而避免了尾頂?shù)慕９ぷ?在模型中采用片式圓弧旋輪,視為解析剛體進(jìn)行處理,芯模采用離散剛體進(jìn)行處理,毛坯采用四邊形減縮積分殼單元S4R進(jìn)行離散.芯模與毛坯之間無摩擦,旋輪與毛坯之間采用罰函數(shù)摩擦模型進(jìn)行處理.

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1. 2可靠性驗證

為了驗證本文所建立的有限元模型的可靠性,選用與文獻(xiàn)[8]中部分實驗條件相同的模擬條件,其中芯模轉(zhuǎn)速n=156 r/min,進(jìn)給比f=0.51 mm/r,芯模半錐角a=53°~30°,間隙(δ)分別為1.7,2.45,2.92 mm,對材料為LF2的坯料,在不同偏離率下進(jìn)行了模擬計算,以旋壓件壁厚差為指標(biāo),將模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行對比,見圖3.從圖3可以看出,模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的變化趨勢基本一致,且兩者的最大誤差不超過17%,表明本文所建立三維有限元模型是可行和可靠的.

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1. 3分析方案

模擬仿真采用ABAQUS/Explicit軟件作為分析平臺,以常用材料硬鋁LY12M板坯作為研究對象,其本構(gòu)關(guān)系為:1,楊氏模量E=71000 MPa ,屈服應(yīng)力σ1= 104 MPa,泊松比y=0.27.有限元模擬給定的原始工藝參數(shù)有:毛坯直徑400 mm,厚度3 mm;旋輪圓角半徑為6 mm,旋輪直徑為180 mm,旋輪進(jìn)給量為1.0 mm/r;芯模小端直徑為100 mm,半錐角400,圓角半徑18mm,大端直徑420 mm,芯模轉(zhuǎn)速為600 r/min;偏離率t為0.

模擬時旋輪沿芯模母線進(jìn)給.在改變某一參數(shù)時,其他參數(shù)保持不變.

1.3.1旋輪圓角半徑ap

旋輪圓角半徑分別為3,5,6,8 mm.

    1.3.2旋輪進(jìn)給量

    旋輪進(jìn)給量是芯模旋轉(zhuǎn)一周旋輪沿芯模母線移動的距離.通常f在0.5—1.5 mm/r的范圍內(nèi)選擇.本文中f取值為0.5, 0.7, 1.0, 1.2,1.5 mm/r.

    1.3.3偏離率

    偏離率是錐形件剪切旋壓過程特有的參數(shù).它是指旋壓件的實際厚度與理論厚度的相對偏差.本文中偏離率取0、士5%、10%、士25% .

    1.3.4芯模轉(zhuǎn)速

    芯模轉(zhuǎn)速取350、500、600、800、1000、1200 r/min.

    1.3.5旋輪直徑

    旋輪直徑取150,180,240,300,360 mm.

2 結(jié)果與討論

為便于研究旋輪圓角半徑、旋輪進(jìn)給量、偏離率、芯模轉(zhuǎn)速及旋輪直徑對旋壓力和旋壓件壁厚差的影響規(guī)律,本文將成形零件圓角附近以下至凸緣以上壁部的壁厚差和穩(wěn)定旋壓階段的旋壓力作為工藝參數(shù)的評定標(biāo)準(zhǔn).

2.1旋輪圓角半徑

旋輪圓角半徑對成形過程中旋壓力和壁厚差的影響如圖4,5所示.圖4表明,隨旋輪圓角半徑的增加,旋壓力不斷增大,且當(dāng)旋輪的圓角半徑超過毛坯厚度的兩倍時,旋壓力增幅增大.這是因為旋輪圓角半徑較小時,旋輪與毛坯的接觸面積小,故旋壓力較小;隨旋輪圓角半徑的增加,旋輪與毛坯接觸面積逐漸增大,所以旋壓力不斷增大.圖S表明旋壓件壁厚差隨旋輪圓角半徑的增加先輕微減小后增大,當(dāng)旋輪圓角半徑為毛坯厚度的兩倍左右時,壁厚差較小.這是因為旋輪圓角半徑較小時,易造成切削現(xiàn)象,壁厚局部減薄,導(dǎo)致壁厚差略偏大;但旋輪圓角半徑太大時,旋壓件容易產(chǎn)生同向鼓凸,導(dǎo)致壁厚差增大.

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    2.2旋輪進(jìn)給且

    旋輪進(jìn)給量對成形過程中旋壓力和壁厚差的影響如圖6和圖7所示.

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由圖6可以看到,旋壓力隨旋輪進(jìn)給量增加而增大,而且開始時增大較快,至旋輪進(jìn)給量達(dá)到一定值后又減慢.這是因為在旋輪進(jìn)給過程中,旋輪與旋壓件接觸處的變形面積的軌跡是一個螺旋帶.當(dāng)旋輪進(jìn)給量較小時,后一轉(zhuǎn)的螺旋帶與前一轉(zhuǎn)的螺旋帶有一部分重合(圖8(a)),而重合部分在前一圈中已經(jīng)繹過變形,故所需旋壓力較小。隨旋輪進(jìn)給量的增大,重合部分減小,因而旋壓力增大.至旋輪進(jìn)給量增大到螺旋帶不再重合后(圖8(b)),旋壓力的增加也就大為減慢.圖7表明增加旋輪進(jìn)給量,旋壓件壁厚差先減小后又緩慢增大.這是因為旋輪進(jìn)給量過小時,引起材料周向流動而不貼模,壁厚局部變薄嚴(yán)重,故壁厚差較大;較大的進(jìn)給量則有利于旋壓件貼模,成形順利,壁厚差減小,但過大的進(jìn)給量則容易使坯料隆起和堆積,導(dǎo)致壁厚差增大.

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    2.3 偏離率

    偏離率對成形過程中旋壓力和壁厚差的影響如圖9,10所示.

    圖9表明,旋壓力隨偏離率的增大迅速減小.

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當(dāng)負(fù)偏離值過分增大時,即過度減薄,旋壓力急劇增大,當(dāng)正偏離值過分增大,旋壓力呈下降趨勢.這是因為過度減薄時,多余的材料被迫從旋輪下方擠出來,當(dāng)正偏離值過大時,類似于無芯模旋壓,旋壓力下降.從圖10可以看出,偏離正弦律的程度越大,旋壓件壁厚差越大,當(dāng)壁厚變化遵循正弦律或偏離正弦律的程度不大時,壁厚差較小.這主要是因為旋輪與芯模間隙過小即負(fù)偏離過大時,旋輪進(jìn)給方向上金屬堆積,增大變形阻力,不利于金屬流動,故壁厚差較大;當(dāng)旋輪與芯模的間隙過大即正偏離過大時,坯料在成形過程中,其內(nèi)表面受拉嚴(yán)重,旋壓件壁部變形極不均勻,壁厚差很大.這與實際生產(chǎn)中通常采用零偏離率或是不大于士(3-5)%的正、負(fù)偏離率較好地吻合.

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2.4芯模轉(zhuǎn)速

芯模轉(zhuǎn)速對成形過程中旋壓力和壁厚差的影響如圖11和圖12所示.由圖I1可見,旋壓力隨著芯模轉(zhuǎn)速增加而增大,這是由于變形抗力隨變形速度增加而增大當(dāng)芯模轉(zhuǎn)速較小時,由于旋輪與旋壓件接觸點周圍變形面積的擴大速度隨材料變形抗力的增加而減小得很快,故旋壓力的增幅很小,當(dāng)芯模轉(zhuǎn)速很大時,變形速度急劇增大,導(dǎo)致變形抗力也急劇增大,故旋壓力增幅又增大.從圖12中可以看出,壁厚差隨芯模轉(zhuǎn)速的增加呈非線性變化,當(dāng)芯模轉(zhuǎn)速較小時,單位時間內(nèi)變形區(qū)的面積減小,金屬變形不連續(xù),壁厚差比較大;增大芯模轉(zhuǎn)速,則單位時間內(nèi)變形區(qū)的面積增大,變形區(qū)由點接觸變?yōu)榻骗h(huán)形,有效限制了變形時材料的周向流動,旋壓件變形條件得以改善,壁厚比較均勻,但當(dāng)芯模轉(zhuǎn)速過大時,毛坯的圓周速度很大,導(dǎo)致旋壓件的貼模性不好,旋壓件壁厚差增大.

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2.5旋輪直徑

旋輪直徑對成形過程中旋壓力和壁厚差的影響如圖13 ,14所示,可以看出,旋壓力和旋壓件壁厚差隨旋輪直徑的變化在很小范圍內(nèi)波動,影響效果不明顯.

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3 結(jié)論

1)基于ABAQUS/Explicit平臺建立了錐形件剪切旋壓的三維有限元模型,與相關(guān)文獻(xiàn)的結(jié)果對比表明,所建立的有限元模型是符合實際的.

2)在LY12M錐形件剪切旋壓成形中,旋壓力隨偏離率增加而減小,隨旋輪圓角半徑、旋輪進(jìn)給量、芯模轉(zhuǎn)速的增加均呈上升變化趨勢,旋輪直徑對旋壓力的影響很小.

3)在LY12M錐形件剪切旋壓成形中,偏離率是影響旋壓件壁厚差最重要的因素,偏離正弦律的程度越大,旋壓件壁厚差越大.旋輪圓角半徑、旋輪進(jìn)給量和芯模轉(zhuǎn)速影響次之,旋輪圓角半徑為坯料厚度的1-2倍,旋壓件壁厚差較小;較大的旋輪進(jìn)給量和芯模轉(zhuǎn)速,可顯著減小旋壓件壁厚差.旋輪直徑對旋壓件壁厚差影響不明顯.

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