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(lái)源:仿真在線

張晉輝 詹梅 楊合 徐銀麗 馬飛 來(lái)源:萬(wàn)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(chē)等領(lǐng)域的發(fā)展要求塑性加工產(chǎn)品朝著輕量化、強(qiáng)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(diǎn),在航空、航天、兵器、汽車(chē)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(guò)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(shí)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(jì)算對(duì)于選擇旋壓機(jī)和設(shè)計(jì)工裝,以及確定工藝參數(shù)和深入理解強(qiáng)力旋壓過(guò)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(dòng)模式和旋壓力.中國(guó)臺(tái)灣的Chen對(duì)錐形件剪切旋壓進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,但僅是針對(duì)旋壓力及旋壓件內(nèi)外表面的粗糙度進(jìn)行的研究,對(duì)其他成形質(zhì)量,如壁厚變化等均未涉及.文獻(xiàn)7,8對(duì)小錐度零件多道次剪切旋壓進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.但由于錐形件剪切旋壓是一個(gè)多因素作用下的復(fù)雜的局部連續(xù)塑性成形過(guò)程,單純采用解析法難以準(zhǔn)確地解決生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題;而實(shí)驗(yàn)方法不具普適性,難以對(duì)問(wèn)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(jì)算機(jī)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(duì)成形的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行模擬,有助于通過(guò)模擬來(lái)研究各工藝參數(shù)對(duì)零件質(zhì)量的影響.因此,本文采用彈塑性有限元法,針對(duì)錐形件剪切旋壓成形過(guò)程,基于ABAQUS/Explicit平臺(tái)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(duì)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).

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(jiǎn)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(tái)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(jiǎn)單適用,在模型中采用Tie方式將毛坯與芯模固定在一起,實(shí)現(xiàn)芯模與毛坯完全同速轉(zhuǎn)動(dòng),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(wú)摩擦,旋輪與毛坯之間采用罰函數(shù)摩擦模型進(jìn)行處理.

1. 2可靠性驗(yàn)證
   
為了驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(wàn)=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(duì)材料為L(zhǎng)F2的坯料,在不同偏離率下進(jìn)行了模擬計(jì)算,以旋壓件壁厚差為指標(biāo),將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,見(jiàn)圖3.從圖3可以看出,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢(shì)基本一致,且兩者的最大誤差不超過(guò)17%,表明本文所建立三維有限元模型是可行和可靠的.

1. 3分析方案
   
模擬仿真采用ABAQUS/Explicit軟件作為分析平臺(tái),以常用材料硬鋁LY12M板坯作為研究對(duì)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(shí)旋輪沿芯模母線進(jìn)給.在改變某一參數(shù)時(shí),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(dòng)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(guò)程特有的參數(shù).它是指旋壓件的實(shí)際厚度與理論厚度的相對(duì)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(duì)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(píng)定標(biāo)準(zhǔn).

    2.1旋輪圓角半徑
   
旋輪圓角半徑對(duì)成形過(guò)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(guò)毛坯厚度的兩倍時(shí),旋壓力增幅增大.這是因?yàn)樾唸A角半徑較小時(shí),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(shí),壁厚差較小.這是因?yàn)樾唸A角半徑較小時(shí),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(shí),旋壓件容易產(chǎn)生同向鼓凸,導(dǎo)致壁厚差增大.

    2.2旋輪進(jìn)給且
   
    旋輪進(jìn)給量對(duì)成形過(guò)程中旋壓力和壁厚差的影響如圖6和圖7所示.

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(kāi)始時(shí)增大較快,至旋輪進(jìn)給量達(dá)到一定值后又減慢.這是因?yàn)樵谛嗊M(jìn)給過(guò)程中,旋輪與旋壓件接觸處的變形面積的軌跡是一個(gè)螺旋帶.當(dāng)旋輪進(jìn)給量較小時(shí),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(guò)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?yàn)樾嗊M(jìn)給量過(guò)小時(shí),引起材料周向流動(dòng)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(guò)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.

    2.3 偏離率
   
    偏離率對(duì)成形過(guò)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.

當(dāng)負(fù)偏離值過(guò)分增大時(shí),即過(guò)度減薄,旋壓力急劇增大,當(dāng)正偏離值過(guò)分增大,旋壓力呈下降趨勢(shì).這是因?yàn)檫^(guò)度減薄時(shí),多余的材料被迫從旋輪下方擠出來(lái),當(dāng)正偏離值過(guò)大時(shí),類(lèi)似于無(wú)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(shí),壁厚差較小.這主要是因?yàn)樾喤c芯模間隙過(guò)小即負(fù)偏離過(guò)大時(shí),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(dòng),故壁厚差較大;當(dāng)旋輪與芯模的間隙過(guò)大即正偏離過(guò)大時(shí),坯料在成形過(guò)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(shí)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.

    2.4芯模轉(zhuǎn)速
   
芯模轉(zhuǎn)速對(duì)成形過(guò)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(jiàn),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(shí),由于旋輪與旋壓件接觸點(diǎn)周?chē)冃蚊娣e的擴(kuò)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(shí),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(shí),單位時(shí)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(shí)間內(nèi)變形區(qū)的面積增大,變形區(qū)由點(diǎn)接觸變?yōu)榻骗h(huán)形,有效限制了變形時(shí)材料的周向流動(dòng),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(guò)大時(shí),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.

    2.5旋輪直徑
   
旋輪直徑對(duì)成形過(guò)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(dòng),影響效果不明顯.

3 結(jié)論
   
1)基于ABAQUS/Explicit平臺(tái)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(duì)比表明,所建立的有限元模型是符合實(shí)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(shì),旋輪直徑對(duì)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(duì)旋壓件壁厚差影響不明顯.

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