模擬旋壓的數(shù)值仿真方法

2013-06-14 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線

旋壓加工技術(shù)是一種節(jié)能優(yōu)質(zhì)的先進(jìn)加工工藝,具有節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),但是由于加工工藝復(fù)雜,目前在工業(yè)制造中還沒(méi)有普遍運(yùn)用。特別是GF6輸出支架殼體這類具有復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)的旋壓工藝技術(shù),目前沒(méi)有詳細(xì)的資料,被歐美等一些企業(yè)所壟斷,這對(duì)于我國(guó)自行研發(fā)該產(chǎn)品的系列具有一定的困難。因此有必要提出一種關(guān)于旋壓加工虛擬仿真方法以減少該產(chǎn)品研發(fā)周期和成本。盡管有限元模擬仿真技術(shù)已經(jīng)在冷加工成型方面得到了廣泛的應(yīng)用,但是與旋壓有關(guān)的有限元模擬仿真報(bào)道很少,特別是本文所討論的具有內(nèi)花鍵的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的模擬仿真還未見報(bào)道。本文在旋壓加工技術(shù)三維模擬仿真的基礎(chǔ)上,提出一種簡(jiǎn)易的數(shù)值仿真方法。

1 旋壓加工的有限元模型

旋壓加工過(guò)程是一個(gè)強(qiáng)非線性、大變形的金屬塑性加工過(guò)程。筆者曾運(yùn)用Mar。軟件進(jìn)行該產(chǎn)品三維模型的強(qiáng)力旋壓加工模擬,但是對(duì)于一個(gè)運(yùn)用三維實(shí)體單元模擬旋壓過(guò)程中的強(qiáng)非線性接觸問(wèn)題,劃分單元數(shù)達(dá)到數(shù)萬(wàn)個(gè)以上,計(jì)算時(shí)間很長(zhǎng),每次計(jì)算要持續(xù)幾十天時(shí)間。而且對(duì)計(jì)算機(jī)的配置要求非常高,可知數(shù)值模擬耗費(fèi)的代價(jià)很高,因此有必要尋找一種較為簡(jiǎn)便的模擬方法。根據(jù)文獻(xiàn),采用平面應(yīng)變的方法近似模擬旋壓加工過(guò)程。再根據(jù)實(shí)際觀察旋壓加工過(guò)程和三維有限元模擬計(jì)算結(jié)果可知,旋轉(zhuǎn)加工的過(guò)程,如果忽略加工毛坯旋轉(zhuǎn)加工產(chǎn)生的偏斜率,那么觀察毛坯件在沿縱向變形的情況,將是由旋輪對(duì)毛坯件產(chǎn)生的向下壓力和沿縱向的推力。當(dāng)用平面應(yīng)變問(wèn)題來(lái)近似模擬時(shí),滾輪單純對(duì)毛坯件沿縱向截面所產(chǎn)生的作用一面向下壓,一面沿縱向推進(jìn)的加工過(guò)程。具體建立有限元模型方法如下。

采用 ABAQUS軟件Expcilit模塊,由于只關(guān)心毛坯件旋壓加工中變形情況,將下模和旋壓的滾輪設(shè)定為剛體,毛坯為變形體,按照實(shí)際加工進(jìn)給路線設(shè)計(jì)出剛體滾輪的前進(jìn)路線。由于旋壓零件關(guān)于上下對(duì)稱,因此只考慮其上半部分具體模型,見圖1所示。其中,節(jié)點(diǎn)總數(shù)1039,剛性線性單元280個(gè),可變形平面單元918個(gè)。滾輪與毛坯、下模與毛坯的接觸面根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行定義。

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加工的毛坯材料分別考慮兩種材料,即所提供的冷軋鋼材和經(jīng)過(guò)熱處理后的材料。由于模擬仿真需要用到材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,因此首先將不同的材料在廣州材料研究所做實(shí)驗(yàn),得到相應(yīng)的曲線[8]。然后對(duì)兩種不同材料狀態(tài)以及不同形狀的加工毛坯進(jìn)行旋壓加工模擬,每次計(jì)算時(shí)間需要5239min。表1給出的是廣州材料研究所所做的材料試驗(yàn)結(jié)果。

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2 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算步驟模擬實(shí)際加工情況。首先考慮毛坯件的形狀為圓片,給出在不同材料和不同加工毛坯的幾何形狀下,加工件內(nèi)表面的等效應(yīng)力分布情況。

2.1 冷軋材料做模擬旋壓加工時(shí)計(jì)算

對(duì)于冷軋材料做模擬旋壓加工時(shí)的計(jì)算,其工件內(nèi)表面等效應(yīng)力分布情況見圖2所示。在零件的端部和花鍵成形的末端應(yīng)力較大,其vonMises等效應(yīng)力>5OOMPa。

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2.2 退火材料做模擬旋壓加工時(shí)計(jì)算

對(duì)于經(jīng)過(guò)熱處理材料做模擬旋壓加工時(shí)計(jì)算工件內(nèi)表面等效應(yīng)力分布情況見圖3所示。

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其應(yīng)力分布情況與第一種工況基本相同,其中VonMises等效應(yīng)力<50OMPa。

2.3 考慮碗狀毛坯件為退火材料的應(yīng)力分布情況根據(jù)文獻(xiàn),將毛坯件做成變截面碗狀,其等效應(yīng)力在工件內(nèi)表面分布情況見圖4所示?？梢姂?yīng)力分布情況與前兩種工況完全不同,在內(nèi)花鍵成形部分的應(yīng)力較小,最大應(yīng)力發(fā)生在工件根部,最大的vonMises等效應(yīng)力值<400MPa。

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3 討論

根據(jù)材料拉伸試驗(yàn)結(jié)果可知,經(jīng)過(guò)退火處理后的材料與原材料相比,屈服極限沒(méi)有變化,但是強(qiáng)度極限變小,伸長(zhǎng)率增加,截面收縮率增加。

經(jīng)過(guò)退火處理后的材料與原材料毛坯模擬旋壓計(jì)算結(jié)果相比,前者在旋壓工件上下表面的應(yīng)力比未加工的材料要小。由此可以看出,經(jīng)過(guò)退火處理后,材料進(jìn)行旋壓加工的質(zhì)量要高。

根據(jù)計(jì)算所得到的旋壓件應(yīng)力分布看,沿零件上下兩端應(yīng)力較大。實(shí)際加工過(guò)程證明了這一點(diǎn),即該產(chǎn)品易出現(xiàn)掉底和內(nèi)花鍵根部開裂或齒形不飽滿現(xiàn)象。

對(duì)毛坯的形狀進(jìn)行比較,可以看出用碗狀毛坯材料進(jìn)行旋壓加工比對(duì)圓片狀材料加工時(shí)的應(yīng)力值要小。因此,用于這種形狀的毛坯件進(jìn)行旋壓加工比用原盤形狀毛坯件易于旋壓加工,特別是在形成飽滿的內(nèi)花鍵方面成功率要高。

特別要指出的是,實(shí)際旋壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果和三維有限元模擬仿真結(jié)果都驗(yàn)證了由本文提出的方法的有效性。采用本文提出的方法,可以有效地確定出所要加工的毛坯件的大小尺寸。對(duì)于全新設(shè)計(jì)的產(chǎn)品,可以運(yùn)用上述方法,設(shè)計(jì)出各種不同形狀、尺寸的毛坯件,分別進(jìn)行模擬仿真,看看是否能夠滿足成形要求,旋壓加工零件的應(yīng)力分布是否滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)比較可以設(shè)計(jì)出合理的用于旋壓用的毛坯件。而不需要利用材料體積不變?cè)?計(jì)算出復(fù)雜旋壓件的體積,確定毛坯件形狀和尺寸。這樣做可以節(jié)省研發(fā)費(fèi)用和縮短研發(fā)周期。

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