離心風(fēng)機(jī)葉輪蓋盤熱鍛有限元分析

韓曉蘭，范淑琴，趙升噸，徐 凡

（西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安710049）

離心風(fēng)機(jī)葉輪蓋盤熱鍛有限元分析

韓曉蘭，范淑琴，趙升噸，徐 凡

（西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安710049）

采用熱鍛工藝方法對(duì)離心風(fēng)機(jī)中葉輪蓋盤進(jìn)行成形研究。首先對(duì)蓋盤常用材料FV520B進(jìn)行了熱模擬性能測(cè)試，建立了該材料的本構(gòu)方程，利用該本構(gòu)方程在Deform-3D平臺(tái)下對(duì)蓋盤熱鍛成形過(guò)程進(jìn)行了有限元模擬研究，獲得了蓋盤熱鍛成形過(guò)程中成形力的變化，以及成形工件的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度和損傷分布，為蓋盤熱鍛成形新工藝的實(shí)驗(yàn)研究提供了理論依據(jù)。

機(jī)械制造；葉輪蓋盤；熱鍛成形；本構(gòu)方程；有限元分析

1 引言

葉輪蓋盤和輪盤是離心風(fēng)機(jī)的主要組成部分，其形狀和加工制造質(zhì)量直接影響到風(fēng)機(jī)的工作性能。一臺(tái)離心風(fēng)機(jī)有時(shí)也會(huì)用到多組的蓋盤和輪盤。目前的葉輪蓋盤和輪盤制造方法是機(jī)械加工方法，包括粗加工、精加工兩道工序。葉輪蓋盤和輪盤所用材料為不銹鋼FV520B材料，該材料是英國(guó)Firth-Vickers材料研究室研究開發(fā)的又一種沉淀硬化不銹鋼，是在原FV520鋼的基礎(chǔ)上研制出的新型低碳馬氏體沉淀硬化不銹鋼，具有優(yōu)良的耐蝕性能和與一鋼相近的焊接性，還具有良好的沖擊韌度和較大截面上理想的橫向性能。主要應(yīng)用于齒輪、螺栓、軸、輪盤、葉片、轉(zhuǎn)子、泵件等場(chǎng)合[1][2]。該材料為專用材料，價(jià)格較貴。采用純機(jī)械加工方法時(shí)材料利用率很低（小于10%），后續(xù)機(jī)加工量大，制造成本高，加工周期長(zhǎng)。

為了生產(chǎn)出低成本、高質(zhì)量的葉輪蓋盤和輪盤，采用了鍛造加工的新方法。由于有限元數(shù)值模擬研究方法可減少試驗(yàn)重復(fù)次數(shù)，節(jié)約試驗(yàn)成本，因此本文采用有限元方法對(duì)該新工藝的成形機(jī)理進(jìn)行研究。首先對(duì)蓋盤材料FV520B進(jìn)行了熱模擬性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，獲得了FV520B材料的本構(gòu)方程。在此基礎(chǔ)上采用Deform-3D有限元分析軟件對(duì)蓋盤熱鍛成形進(jìn)行了深入的有限元分析。獲得了蓋盤熱鍛成形時(shí)鐓粗、旋鍛、沖孔和壓彎過(guò)程成形力的變化，以及成形工件應(yīng)力、應(yīng)變、損傷及溫度分布，為后續(xù)的蓋盤熱鍛成形新工藝的實(shí)驗(yàn)研究奠定了理論基礎(chǔ)。

2 FV520B的本構(gòu)方程

在河南科技大學(xué)數(shù)控動(dòng)態(tài)熱力學(xué)物理模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行FV520B材料的熱模擬性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)采用5種溫度、4種應(yīng)變速率且變形量為60%的目標(biāo)條件，獲得了20個(gè)測(cè)驗(yàn)試件，壓縮實(shí)驗(yàn)為?10mm×15mm的圓柱體。本次實(shí)驗(yàn)獲得4組實(shí)驗(yàn)樣件。熱壓縮實(shí)驗(yàn)得到的最終樣件照片如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)后的樣件照片

本構(gòu)關(guān)系是材料流變應(yīng)力與熱加工參數(shù)之間最基本的函數(shù)關(guān)系，是進(jìn)行金屬塑性變形工藝設(shè)計(jì)和控制的基礎(chǔ)。選用已廣泛用于金屬材料熱變形中的雙曲正弦模型來(lái)描述流變應(yīng)力σ與變形溫度T和應(yīng)變速率ε˙的關(guān)系[3][4]。

式中：ε˙——應(yīng)變速率；

σ——流變應(yīng)力；

n——應(yīng)變速率敏感系數(shù)的倒數(shù)；

T——變形溫度；

R——?dú)怏w常數(shù)，R=8.3145J·mol-1·K-1；

A，a——材料常數(shù)；

Q——變形激活能，其大小反映了材料塑性變性的難易程度。

根據(jù)壓縮試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，利用origin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可得方程中的各參數(shù)。不同的應(yīng)變條件下的β，n1，α，Q，n，A 值，對(duì) α、n、Q、lnA 的值，用五次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如下：

3 蓋盤熱鍛成形有限元分析

Deform-3D是在一套基于工藝模擬系統(tǒng)的有限元系統(tǒng)，專門設(shè)計(jì)用于分析各種金屬成形過(guò)程中的三維流動(dòng)，提供極有價(jià)值的工藝分析數(shù)據(jù)及有關(guān)成形過(guò)程中的材料和溫度流動(dòng)。典型的Deform-3D包括鍛造、擠壓、軋制、自由鍛、彎曲和其他成形加工手段。

Deform-3D是模擬3D材料流動(dòng)的理想工具。它不僅魯棒性好，而且易于使用。其強(qiáng)大的模擬引擎能夠分析金屬成形過(guò)程中多個(gè)關(guān)聯(lián)對(duì)象耦合作用的大變形和熱特性。系統(tǒng)中集成了在任何必要時(shí)能夠自行觸發(fā)自動(dòng)網(wǎng)格重劃分生成器，生成優(yōu)化的網(wǎng)格系統(tǒng)。在要求精度較高的區(qū)域，可劃分較細(xì)密的網(wǎng)格，從而降低題目的運(yùn)算規(guī)模，并顯著提高計(jì)算效率。

3.1 蓋盤成形工藝方案

如圖2所示為某規(guī)格的蓋盤零件的幾何外形尺寸示意圖。本文的蓋盤熱鍛成形工藝包括鐓粗、旋鍛、沖孔和壓彎。首先將棒料置于鐓粗及旋鍛的下模具中進(jìn)行鍛造，鍛造到指定高度后進(jìn)行沖孔，最后進(jìn)行壓彎得目標(biāo)鍛件。

圖2 蓋盤鍛件示意圖

3.2 蓋盤熱鍛成形過(guò)程有限元模擬

3.2.1 鐓粗

依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)自由鍛側(cè)余量取20mm，胎模鍛側(cè)余量取15mm，計(jì)算其體積為100787011.772mm3。根據(jù)塑性變形體積不變?cè)瓌t，初始坯料選擇?500mm×515mm的棒料有限元模型。

3.2.1.1 有限元模型

根據(jù)坯料和模具的幾何尺寸及成形工藝要求，建立了蓋盤成形工藝方案一的鐓粗成形有限元模型。坯料材料FV520B，其材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線是通過(guò)材料熱模擬實(shí)驗(yàn)得到的；上模、下模材料直接用Deform-3D自帶的材料庫(kù)中的AISI-H-13[1450-1850F（800-1000C）]。摩擦系數(shù) 0.3，熱傳導(dǎo)系數(shù) 11。最終得到的有限元模型如圖3所示。

圖3 蓋盤鐓粗成形有限元模型（第一火）

3.2.1.2 模擬計(jì)算結(jié)果工件第一火鐓粗時(shí)的始鍛溫度設(shè)為1150℃，鐓粗到318mm時(shí)第一火鐓粗結(jié)束。第一火鐓粗過(guò)程中成形力的變化曲線如圖4（a）所示，工件應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)、溫度場(chǎng)和損傷的分布情況如圖5所示。由于坯料與模具之間的熱傳遞，使得坯料上下端面的溫度明顯降低，應(yīng)力應(yīng)變也是在上下端面與模具接觸的部位較大。第二火鐓粗時(shí)，溫度設(shè)置為1135℃，最終鐓粗到195mm。鐓粗過(guò)程中的鐓粗力變化曲線如圖4（b）所示，最大值為1967t。第二火鐓粗成形最終工件的應(yīng)力應(yīng)變分布、溫度場(chǎng)分布和損傷分布見(jiàn)圖6。

3.2.2 旋鍛

在鐓粗的基礎(chǔ)上進(jìn)行旋鍛，旋鍛所用胎模與鐓粗的胎膜相同，旋鍛錘頭用液壓機(jī)配套錘頭1100mm×380mm×500mm，始鍛溫度1135℃，最終得到的工件形狀如圖7所示。

3.2.2.1 有限元模型

在蓋盤鐓粗成形有限元模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行了蓋盤的旋鍛成形有限元模擬，如圖8所示為蓋盤旋鍛有限元模型。坯料、上模和下模材料均與前述鐓粗成形模擬中的設(shè)置相同,摩擦系數(shù)0.3,熱傳導(dǎo)系數(shù)11。

3.2.2.2 模擬計(jì)算結(jié)果

通過(guò)模擬計(jì)算。得到旋鍛過(guò)程中旋鍛錘頭對(duì)工件施加作用力的變化曲線，如圖9所示。旋鍛過(guò)程中最大旋鍛力為1976t。旋鍛后工件的應(yīng)力應(yīng)變分布、溫度場(chǎng)分布和損傷分布如圖10所示。

3.2.3 沖孔

在旋鍛的基礎(chǔ)上完成沖孔工藝。始鍛溫度1135℃，最終得到的工件形狀如圖11所示。

圖11 沖孔成形后工件最終外形尺寸

3.2.3.1 有限元模型

在蓋盤旋鍛成形有限元模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行蓋盤的沖孔成形有限元模擬，如圖12所示。坯料、上模和下模材料均與前述設(shè)置相同，摩擦系數(shù)0.3，熱傳導(dǎo)系數(shù)11。

圖12 沖孔成形有限元模型

3.2.3.2 模擬結(jié)果

沖孔前加熱工件到1135℃，完成沖孔工藝，其沖孔過(guò)程中沖頭施加力的變化情況如圖13所示，最大力約為111t。

圖13 蓋盤沖孔成形過(guò)程中沖孔力的變化曲線

沖孔成形后的工件應(yīng)力應(yīng)變、溫度常、損傷的分布情況如圖14所示，在孔的四周應(yīng)力應(yīng)變較大，并且溫度較低。

3.2.4 壓彎

對(duì)沖孔后的工件進(jìn)行壓彎成形。始鍛溫度1135℃，最終得到的工件形狀如圖15所示。

3.2.4.1 壓彎有限元模型

在蓋盤沖孔成形有限元模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行了蓋盤的壓彎成形有限元模擬，如圖16所示。坯料、上模和下模材料均與前述設(shè)置相同，摩擦系數(shù)0.3，熱傳導(dǎo)系數(shù)11。

3.2.4.2 模擬結(jié)果

壓彎前加熱工件到1135℃，完成壓彎工藝，其壓彎過(guò)程中上模具施加力的變化情況如圖17所示，最大力約為780t。

壓彎成形后的工件應(yīng)力應(yīng)變、溫度場(chǎng)、損傷的分布情況如圖18所示。

4 結(jié)論

本文采用熱鍛工藝對(duì)離心風(fēng)機(jī)葉輪蓋盤進(jìn)行成形研究。首先對(duì)蓋盤常用材料FV520B進(jìn)行了熱模擬性能測(cè)試，建立了該材料的本構(gòu)方程，利用該本構(gòu)方程在Deform-3D平臺(tái)下對(duì)蓋盤熱鍛成形過(guò)程進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬研究，獲得了蓋盤熱鍛成形過(guò)程中成形力的變化，以及成形工件的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度和損傷分布。蓋盤熱鍛成形過(guò)程中工件上下端面的溫度降低明顯，這是坯料與模具之間的熱傳遞造成的，而應(yīng)力應(yīng)變?cè)谀＞呓佑|部位較大，熱鍛成形各工藝的成形力均小于2000t，設(shè)備要求易于實(shí)現(xiàn)。

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Finite element analysis of the hot forging process for impeller cover disc of centrifugal fan

HAN Xiaolan,FAN Shuqin,ZHAO Shengdun,XU Fan
（School of Mechanical Engineering,Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049,Shanxi China）

Hot forging process has been used to study the forming of impeller cover disc for centrifugal fan.According to the thermal simulation performance test of FV520B,constitutive equation of FV520B has been established.The finite element simulation of hot forging process for impeller cover disc has been carried on by use of Deform-3D.The systematical information of finite element simulation including effective stress,temperature distribution,and strain distribution has been obtained.It provides theoretical reference for experimental study of the new hot forging process for impeller cover disc of centrifugal fan.

Impeller cover disc;Hot forging;Constitutive equation;Finite element analysis

TG316

A

1672－0121（2012）02－0060－05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50975222）

2011-12-26

韓曉蘭（1987-），女，碩士在讀，主攻葉輪蓋盤、輪盤鍛造成形