高溫合金U形環(huán)滾壓成形有限元建模關(guān)鍵技術(shù)研究

郭正華，應 帥，趙剛要，崔俊華

（輕合金加工科學與技術(shù)國防重點學科實驗室 南昌航空大學，江西 南昌330063）

高溫合金GH4169 U形環(huán)具有良好的抗疲勞、抗輻射、抗氧化、耐腐蝕以及良好的加工、焊接性能，并且在-253~700℃溫度范圍具有良好的綜合性能，因此在航空、航天和兵器領(lǐng)域得到了廣泛的應用。滾壓成形是此類復雜截面圓環(huán)成形的重要方法之一，而該過程是一個復雜的三重非線性成形過程，這使得此類環(huán)件成形品質(zhì)的控制十分困難，特別是航空渦輪發(fā)動機和燃氣輪機對此類環(huán)件的要求更高，使得上述問題更加突出。

然而出于技術(shù)封鎖，國外對U形環(huán)的成型技術(shù)與工藝實行保密，網(wǎng)上也鮮有此類資料。而國內(nèi)對此類產(chǎn)品的研究也甚少披露，能見到的文獻報道主要是肖大興、王惠玲、曾國[1~3]等相關(guān)學者的研究。單純的依靠開發(fā)者的經(jīng)驗和試錯法，不僅開發(fā)周期長，成本高，而且容易出現(xiàn)產(chǎn)品品質(zhì)缺陷。本文基于U形環(huán)滾壓成形的特點，解決了模擬成形過程的關(guān)鍵技術(shù)，建立了可靠的有限元模型，為實際生產(chǎn)中相關(guān)零部件和機械裝置的設(shè)計與研究提供有效的平臺。

1 零件滾壓成形工藝分析

根據(jù)零件截面尺寸如圖1（a），為保證金屬在成形過程中有良好的塑性流動，本文將U形環(huán)成形過程設(shè)定為兩步：第一步如圖1（b），先成形一個大V形；第二步如圖1（c），最終成形U形。

圖1 U形件滾壓工藝分析

2 滾壓成形過程有限元建模

2.1 幾何模型

U形環(huán)的尺寸為寬B=14 mm，半徑R=110 mm，厚度T=0.4 mm，芯輥半徑R1=12 mm，驅(qū)動輥半徑R2=17 mm，其余為不同尺寸的導向輥。在滾壓過程中，由于滾輪的變形很小，可以忽略不計，為了節(jié)約計算成本，在保證計算精度的前提下，滾輪都設(shè)定為解析剛體。

2.2 材料定義

本文仿真選用的材料為高溫合金GH4169，其密度為8 200 Kg/m3，通過單拉試驗獲得了其基本的力學性能，如表1所示。其真實應力應變曲線如圖2所示，采用冪指數(shù)型彈塑性硬化模型對其加工硬化行為進行描述。

表1 GH4169材料力學性能參數(shù)

圖2 真實應力應變曲線

2.3 網(wǎng)格劃分

由于U形環(huán)滾壓采用的材料是薄環(huán)，所以采用四節(jié)點曲面薄殼減縮積分單元S4R作為網(wǎng)格單元在進行網(wǎng)格劃分時，考慮到滾壓過程中大變形情況主要集中在圓環(huán)中部，將圓環(huán)工件劃分為中間密，再逐漸向兩邊變疏的網(wǎng)格。

2.4 接觸條件處理

采用經(jīng)典庫倫摩擦模型分別來描述滾壓過程中，驅(qū)動輥、芯輥和導向輥與工件之間的摩擦關(guān)系。在模擬計算中設(shè)定驅(qū)動輥、芯輥和導向輥與工件的摩擦系數(shù)分別為0.4、0.25和0.08。

3 模型可靠性驗證

3.1 理論評估

為了解決上述關(guān)鍵技術(shù)，建立了該成形過程的有限元模型，如圖3所示。模擬條件為驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速30 rad/s，芯輥在下壓過程中下壓一定距離，保持一定時間讓工件轉(zhuǎn)動一圈及以上，反復這樣的動作直到下壓到所要求的距離，其余導向輥只能繞其中心軸轉(zhuǎn)動，整個滾壓過程為80 s，設(shè)定質(zhì)量放大因子50 000，采用ABAQUS/Explicit模塊中求解獲得的動能與內(nèi)能之比曲線和變形材料動能曲線來說明本模型的計算結(jié)果的可靠性和穩(wěn)定性。如圖4所示，成形約16 s后動能與內(nèi)能的比值處于0.1以下，其后都保持較小值不變。以上說明本模型的質(zhì)量放大因子的大小選取合適，計算結(jié)果在理論上是可靠和穩(wěn)定的。

圖3 有限元模型

圖4 動能與內(nèi)能之比

3.2 實驗驗證

圖5所示為圓環(huán)工件滾壓過程完成后所獲得的U形環(huán)與實驗所獲得的U形環(huán)截面對比圖，從圖中可知模擬結(jié)果和實驗結(jié)果十分吻合。

圖5 模擬最終獲得的U形截面與實驗結(jié)果對比

4 塑性變形場的分析

圖6（a）所示為芯輥下壓1.25 mm時工件的等效塑性應變場分布。從圖可知，隨著芯輥下壓量的增加，工件兩邊向上翹起更加明顯，截面形狀近似成“V”形分布。圖6（b）所示為芯輥下壓2 mm時工件的等效塑性應變場分布。從圖可知，伴隨著芯輥下壓量的增加，工件兩邊向上翹起更加嚴重。由于工件薄板受壓應力在失穩(wěn)前在薄板厚度方向的主應力為一壓一拉的平面應力狀態(tài)，隨著芯輥下壓量的增加，壓應力增大，薄板出現(xiàn)失穩(wěn)，最后導致邊緣開始起皺，如圖6（c）所示。

圖6 不同芯輥下壓量的等效塑性變形云圖

5 結(jié)束語

本文建立了U形環(huán)滾壓有限元模型，通過對該模型所具有的特點以及模擬所得塑性變形場的分析，得到如下的結(jié)論：

（1）試驗成功地實現(xiàn)了U形環(huán)滾壓全過程的仿真，解決了U形環(huán)滾壓成形有限元建模仿真的關(guān)鍵技術(shù)。

（2）仿真所獲得的U形環(huán)與實驗所得到的U形環(huán)截面十分吻合。

[1]肖大志，樊興華，楊成林.薄壁環(huán)形零件滾壓成形研究[J].材料科學與工藝，2006，14(8):1555-1562.

[2]王慧玲，于忠奇，李淑慧.輪輞輥壓成形過程的有限元模擬[J].機械設(shè)計與研究，2008，24(6)：72-73.

[3]曾 國，來新民，于忠奇，等.多道次輥彎成形數(shù)值仿真研究[J].上海交通大學學報，2007，41(10):1598-1602.