45鋼帶槽軸溫塑性滾壓強(qiáng)化的數(shù)值模擬

劉香茹 ,周旭東 ,周 航

(河南科技大學(xué)a.物理與工程學(xué)院;b.材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南洛陽 471003)

0 前言

溫滾壓是在中溫范圍內(nèi)進(jìn)行滾壓的工藝,它屬于溫塑性加工的范疇。早在 20世紀(jì) 5060年代,日本的五弓勇雄就研究了鋼在中溫下加工引起的性能變化,發(fā)現(xiàn)溫加工有利于組織的強(qiáng)化。中溫變形還可獲得比冷變形更加密集的位錯,促進(jìn)碳化物彌散沉淀,提高材料的強(qiáng)度和韌性,延長工件的疲勞壽命[1],所以溫滾壓具有更好的強(qiáng)化效果。目前國內(nèi)對于溫滾壓的研究和應(yīng)用未見報道,國外在這方面的報道也很少[2-3]。

滾壓強(qiáng)化是通過在被加工表面形成一定的殘余應(yīng)力[4],來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化的目的,因此預(yù)測滾壓加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力,既有助于對滾壓強(qiáng)化的效果進(jìn)行科學(xué)的評價,也有助于滾壓工藝參數(shù)的合理確定[5-7]。本文利用DEFORM-3D有限元軟件[8]在不同溫度和不同壓下量的組合下,對 45鋼帶槽軸進(jìn)行滾壓模擬,分析試樣軸滾壓后的殘余應(yīng)力,優(yōu)選出最佳滾壓工藝參數(shù)。

1 溫滾壓加工數(shù)值模擬

滾壓加工屬于小變形彈塑性問題和非線性問題。所以在前處理中選擇試樣軸為彈塑性材料模型,求解算法為牛頓-拉夫申算法。

1.1 溫滾壓模擬思想

滾壓溫度分別采用20℃、100℃、200℃和300℃;在每一個溫度下的壓下量又分別取0.03mm、0.06mm、0.10mm和0.15 mm,這樣溫度-壓下量的組合共有16組。溫滾壓模擬按如下步驟進(jìn)行:

(1)分別模擬每組滾壓工藝,每組滾壓工藝又分為 4步,直壓、滾壓、退出和冷卻。直壓是指兩個滾輪同時壓向試樣軸,直到規(guī)定的壓下量,設(shè)計兩個滾輪中心和試樣軸中心位于一條直線,這一過程采用位移步;接著是兩個滾輪同時圍繞試樣軸中心做自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn),屬于滾壓過程,采用時間步;試樣軸滾壓一周后,滾輪退出,即卸載,這一過程采用位移步;最后是卸載后的試樣軸冷卻至室溫,采用時間步。

(2)對 16組滾壓模擬結(jié)果,分別查看試樣軸滾壓后的殘余應(yīng)力,對比殘余應(yīng)力的分布及大小,預(yù)測出獲得最佳殘余應(yīng)力的滾壓工藝。

1.2 有限元模型的建立

忽略實(shí)際試樣的次要因素,用SolidWorks建立滾壓幾何模型,如圖1所示。試樣軸長為14 mm,試樣最細(xì)處直徑為7.5mm,圓角半徑為1.5mm,滾輪直徑為26mm。將建好的裝配圖模型從SolidWorks軟件中以 STL文件格式導(dǎo)出,然后導(dǎo)入DEFORM-3D軟件的前處理模塊中。

圖1 滾輪和試樣軸幾何模型

圖2 劃分網(wǎng)格后的試樣軸

滾輪作為剛體不劃分網(wǎng)格,將試樣軸劃分網(wǎng)格。在整個求解過程中,模型的某些區(qū)域如果產(chǎn)生很大的應(yīng)變,引起網(wǎng)格單元畸變,導(dǎo)致結(jié)果不收斂,為保證求解的正確進(jìn)行,軟件在求解過程中自動判別網(wǎng)格畸變達(dá)到某一規(guī)定的閾值時,系統(tǒng)自動進(jìn)行網(wǎng)格重新劃分,即軟件具有網(wǎng)格自適應(yīng)性劃分功能。在滾壓模擬中,由于滾壓變形屬于局部變形,故運(yùn)行中網(wǎng)格重劃規(guī)則設(shè)為自動局部重劃,劃分網(wǎng)格后的試樣軸如圖2所示?？梢钥闯鰸L壓部位的網(wǎng)格更細(xì)密。

1.3 模擬仿真的條件

(1)將劃分了網(wǎng)格的試樣軸賦予材料特性。試樣軸材料選用 45鋼,其實(shí)際的應(yīng)力應(yīng)變參數(shù),由Gleeble1500D熱模擬試驗(yàn)機(jī)測量其應(yīng)力應(yīng)變曲線獲得。將所得數(shù)據(jù)填入DEFORM-3D軟件的流動應(yīng)力編輯框內(nèi),那么滾壓時材料的流動規(guī)律就與實(shí)際材料的相一致了。

(2)滾壓運(yùn)動設(shè)置。滾壓時兩個滾輪須同時圍繞試樣軸中心做自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn),并且對于試樣軸只有純滾動摩擦,沒有滑動摩擦。滾壓運(yùn)動中三者的相互關(guān)系為:兩個滾輪中心和試樣軸中心位于一條直線;兩個滾輪都以同樣的公轉(zhuǎn)速度繞試樣軸中心轉(zhuǎn)動;且兩個滾輪都以同樣的自轉(zhuǎn)速度圍繞其各自的中心軸轉(zhuǎn)動,且轉(zhuǎn)動方向與公轉(zhuǎn)方向一致,如圖3所示。

在DEFORM-3D軟件中,需要填寫每個滾輪的自轉(zhuǎn)速度和公轉(zhuǎn)速度。設(shè)直壓后試樣軸半徑為 r1,滾輪半徑設(shè)為 r2,滾輪自轉(zhuǎn)速度為n2,公轉(zhuǎn)速度為n1,則有2πr1n1=2πr2n2,故n2=;已知滾輪半徑r2=13 mm,滾壓公轉(zhuǎn)速度n1=60 r/ min,試樣軸直壓前半徑為r01=3.75 mm,以壓下量0.03mm為例,那么滾輪自轉(zhuǎn)速度為n2=17.17 r/min;其余類推。

圖3 試樣軸和滾輪運(yùn)動關(guān)系圖

(3)設(shè)置邊界條件。在軟件中設(shè)置每組滾壓工藝下試樣軸的溫度,滾壓時只采用等溫變形(實(shí)際滾壓試驗(yàn)為恒溫控制),即只進(jìn)行彈塑性變形模擬,不做熱力耦合模擬,因此在相應(yīng)的接觸關(guān)系中設(shè)置滾輪與工件的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為 0,簡化為不傳熱或沒有熱量損失。把工件端面上點(diǎn)的速度固定為 0,滾動摩擦因數(shù)取 0.05。

1.4 試樣軸溫滾壓的求解運(yùn)算

前處理設(shè)置完,生成滾壓數(shù)據(jù)庫(文件類型為*.DB)。在DEFORM-3D軟件的主界面,選取前處理模塊生成的滾壓數(shù)據(jù)庫文件,點(diǎn)擊運(yùn)行,直壓運(yùn)行結(jié)束,生成運(yùn)行結(jié)果?；谏弦徊降臄?shù)據(jù),進(jìn)行下一步滾壓加工的前處理設(shè)置,再生成數(shù)據(jù)庫。以此類推,直到直壓、滾壓、滾輪退出、冷卻至室溫 4個工藝過程模擬結(jié)束。

2 模擬結(jié)果與分析

一般對零件加載,發(fā)生純彎曲變形時,零件的破壞屬于正應(yīng)力拉斷[9],而滾壓后軸向的殘余壓應(yīng)力,可以抵消或者部分抵消該拉應(yīng)力,而使零件的疲勞強(qiáng)度和壽命提高。故通過殘余應(yīng)力來預(yù)測零件的疲勞強(qiáng)度,只需分析零件的軸向殘余應(yīng)力即可。

試樣軸的軸向殘余應(yīng)力模擬結(jié)果如圖4所示。

不同溫度下試樣表面的殘余應(yīng)力如圖5所示。表面殘余壓應(yīng)力越大,工件在負(fù)載情況下越不易出現(xiàn)裂紋和擴(kuò)展,對應(yīng)的疲勞強(qiáng)度和壽命也越高,由圖5可以預(yù)測到。

圖4 殘余應(yīng)力距表面深度分布

(1)中溫滾壓試樣軸比冷滾壓(室溫滾壓)試樣軸的表面殘余壓應(yīng)力大許多,可使試樣軸獲得更高疲勞強(qiáng)度和壽命。

(2)在試驗(yàn)溫度20℃、100℃、200℃和 300℃時,對于每一溫度下的滾壓加工都有最佳的壓下量,在該壓下量下,零件的殘余壓應(yīng)力最大,對應(yīng)于零件的疲勞強(qiáng)度和壽命最高;其最佳的壓下量分別為0.06 mm、0.10 mm、0.15 mm和0.15mm。

圖5 滾壓表面的殘余應(yīng)力

(3)綜合考慮溫度和壓下量,在實(shí)驗(yàn)的溫度和壓下量的范圍內(nèi),要獲得滾壓后零件駐留的最大殘余壓應(yīng)力,最高的疲勞強(qiáng)度和壽命,最佳工藝參數(shù)為300℃壓下量0.15 mm。

3 模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較

表1 疲勞壽命試驗(yàn)值

試驗(yàn)方法如下:將長度為150 mm的試樣軸(其它尺寸與模擬試樣相同),在與數(shù)值模擬相同的實(shí)驗(yàn)條件下,在不同溫度、不同壓力量下進(jìn)行滾壓,然后空冷至室溫,采用純彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)來檢驗(yàn)零件的疲勞壽命,試驗(yàn)結(jié)果見表1,可見試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測結(jié)果一致。

4 結(jié)束語

本文用DEFORM-3D軟件對45鋼帶槽軸分別在不同溫度、不同壓下量進(jìn)行了滾壓數(shù)值模擬,得到了不同溫度下的最佳壓下量,并在試驗(yàn)范圍內(nèi)給出了最佳滾壓工藝組合,對滾壓強(qiáng)化的效果進(jìn)行了科學(xué)的評價,有助于實(shí)際滾壓工藝參數(shù)的合理確定。

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