大型封頭熱沖壓過程數(shù)值模擬

文/王守東,岳曉露·河南神州重型封頭有限公司

大型封頭熱沖壓過程數(shù)值模擬

文/王守東,岳曉露·河南神州重型封頭有限公司

王守東，總工程師，專業(yè)從事鍋爐、壓力容器用封頭制造工作,曾負(fù)責(zé)公司大型封頭專用沖壓機(jī)8000噸壓機(jī)的設(shè)計(jì)與監(jiān)造工作，并發(fā)表過多篇技術(shù)論文、獲得多項(xiàng)技術(shù)專利。

大型封頭作為壓力容器的關(guān)鍵部件，其尺寸的精度與形狀對(duì)壓力容器的性能有著重要的作用。本文采用試驗(yàn)與模擬相結(jié)合的方式分析了封頭沖壓后的應(yīng)力、應(yīng)變分布，以及工件各處的厚度變化情況。試驗(yàn)結(jié)果表明，有限元結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，封頭厚度減薄區(qū)域出現(xiàn)在距底部60°～70°的位置。

壓力容器是石油、化工、能源等行業(yè)中的重要設(shè)備，生產(chǎn)中對(duì)壓力容器的質(zhì)量、安全性和可靠性等有很高的要求。封頭是壓力容器的重要部件，尤其是大型的厚壁封頭是石化、食品、核能行業(yè)中所用壓力容器的承載關(guān)鍵部件。一般，大型封頭采用熱沖壓的工藝成形，尺寸精度需要嚴(yán)格控制，壁厚不能小于一定范圍。而沖壓拉深過程中，各處壁厚分布也不均勻，合理地分配厚度是保證封頭質(zhì)量的重要因素。為保證厚壁封頭成形后滿足壁厚要求，通常采用增加坯料厚度的辦法。但這樣做會(huì)導(dǎo)致封頭外形尺寸偏大，重量增加，機(jī)械加工余量增加，最終影響封頭尺寸精度，材料利用率降低，從而增加制造成本。

目前，國內(nèi)外學(xué)者已對(duì)封頭熱沖壓工藝進(jìn)行了廣泛的研究。有采用模擬手段分析板坯的變形特點(diǎn)，定量分析了摩擦系數(shù)、凹模下圓角半徑、凸凹模間隙、毛坯板形等參數(shù)對(duì)壁厚的影響，確定了合理的工藝參數(shù)，并對(duì)照計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果，最終誤差不超過5%，但其所用試件為比例試件。有采用理論、模擬結(jié)合的方法，分析了板坯的變形情況以及工藝參數(shù)規(guī)律。還有利用 ANSYS軟件進(jìn)行二次開發(fā)后，對(duì)帶直邊半球形厚壁封頭的沖壓成形過程進(jìn)行二維有限元模擬，分析了坯料與模具之間的摩擦系數(shù)、下模形狀、模具間隙及坯料形狀等因素對(duì)封頭成形的影響。也有采用實(shí)際試驗(yàn)的方式，對(duì)兩種封頭的沖壓工藝進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)和對(duì)比。

本文用數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)合的方法，測(cè)量板料高溫時(shí)的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，提取模具—板料的換熱系數(shù)，為數(shù)值模型提供較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，進(jìn)行仿真分析，得出沖壓厚壁封頭截面的應(yīng)力、應(yīng)變分布以及板料變形情況，并與實(shí)際工件對(duì)比，為提高零件綜合性能，優(yōu)化模具設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)，以及為實(shí)際生產(chǎn)過程提供指導(dǎo)。

大型封頭熱沖壓工藝及有限元模型建立

本實(shí)驗(yàn)選取的材料為15CrMoR，板坯為圓形，直徑為2860mm，料厚為75mm。板料內(nèi)鉆直徑10mm的兩個(gè)圓孔，內(nèi)焊K型熱電偶以檢測(cè)板料溫度變化。沖壓工藝為：板料置于950℃的大型熱處理爐中加熱8～10h，取出后10min左右轉(zhuǎn)移至模具對(duì)中，壓機(jī)快速?zèng)_壓，直至工件脫模。沖壓設(shè)備為8000t自制壓力機(jī)，熱沖壓模具及模具、板料示意圖如圖1所示。

依據(jù)實(shí)際工況，建立有限元模型，如圖2所示。在有限元軟件MARC中建立幾何模型，并劃分網(wǎng)格，為提高求解的精度并降低運(yùn)算量，網(wǎng)格大小選取2mm為一單元自適應(yīng)劃分六面體單元，模具設(shè)為可以傳熱的剛體，不劃分單元，在軟件中以surface形式存在。單元數(shù)量為51200個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為92516個(gè)。根據(jù)所用材料，在材料庫中選用相近的材料模型——16CrMo4。同時(shí)，實(shí)測(cè)材料在溫度900℃，應(yīng)變速率0.1s-1變形時(shí)的應(yīng)力—應(yīng)變數(shù)據(jù)如圖3所示，從而在接近實(shí)際工況條件下進(jìn)行仿真分析。

模具與板料的接觸設(shè)為touching，摩擦模型選用庫侖摩擦，摩擦系數(shù)選擇常用的0.15。模具運(yùn)動(dòng)為力控制，采用實(shí)測(cè)液壓缸壓力為2574t，壓邊圈的力為318t，凹模固定。同時(shí)，依據(jù)實(shí)測(cè)板料熱沖壓過程中的溫度歷程曲線，自編有限差分法的反求程序，以此提取模具與板料熱沖壓過程中接觸換熱系數(shù)為5100W/m2·s，板料與空氣的等效換熱系數(shù)為130W/m2·s。

工況提交中，采用自適應(yīng)步長，單元類型為75，沖壓時(shí)間300s。為提高運(yùn)算效率，采用多核并行運(yùn)算，將板料自劃分為4個(gè)運(yùn)算區(qū)域。

圖1 熱沖壓模具及模具、板料示意圖

圖2 有限元模型

圖3 應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系

模擬結(jié)果分析

封頭應(yīng)力、應(yīng)變分布

板料熱沖壓成形后，應(yīng)力分布如圖4所示。由圖中可以看到，整體應(yīng)力分布均勻。圓形工件底部60°之下的位置應(yīng)力在80MPa以下，此位置受力較小，這是由于板料變形初期，中心部位近似于自由彎曲狀態(tài)，在較小的變形力下即可變形。而隨著板料持續(xù)流入凹模，板料邊緣處受到拉深的作用擠過凹模與凸模的間隙，應(yīng)力水平持續(xù)上升，最終在板料頂部受力達(dá)到最大值。而變形最大處意味著變形劇烈的位置，即板料減薄與工件收口的關(guān)鍵區(qū)域。

圖4 板料的應(yīng)力分布

圖5 板料的應(yīng)變分布

圖6 工件變形

圖7 實(shí)際工件及模擬與試驗(yàn)的厚度結(jié)果

板料的應(yīng)變分布如圖5所示。對(duì)比圖4可以看到，工件上應(yīng)變呈條帶狀分布，頂部最大，為底部的4倍。圓形工件底部60°之下位置應(yīng)變較小，尤其底部內(nèi)靠近凹模的板料，應(yīng)變很小。在板料持續(xù)流入凹模的過程中，變形加劇的位置應(yīng)變?cè)黾?，同樣是在工件收口處的變形最大?/p>

封頭厚度分布

由圖6結(jié)合應(yīng)力應(yīng)變分析可知，底部的變形較小，收口位置變形較大，在底部起60°的位置是變形過渡區(qū)，在此處板料與模具存在一定間隙。在工件頂部出現(xiàn)一段平直段。這表明，模具的設(shè)計(jì)使得板料的變形主要集中在后期，而工件尺寸的精度主要看頂部的收口直徑尺寸，以及工件壁厚的變化。

試件以及沿著底部到頂部方向的工件壁厚分布結(jié)果如圖7所示，通過圖中有限元結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比可知，工件底部的變形最小，因而，厚度變化小，基本在75mm左右。隨著角度增加，60°之前工件厚度有波動(dòng)，但也在75mm左右；在變形過渡區(qū)的60°～70°范圍內(nèi)，板料收縮，壁厚降低，可達(dá)74mm；而后板料堆積于工件頂部處，厚度最大，可達(dá)78mm。從圖中可知，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，變化趨勢(shì)與數(shù)值均比較接近。

結(jié)束語

⑴大型封頭熱沖壓過程中，變形開始較緩，后續(xù)較大，變形程度可差3倍。

⑵工件沖壓后，減薄的區(qū)域主要在距底部60°～70°的位置，可達(dá)74mm，這主要是由于板料在此處開始發(fā)生拉深變形。而后變形坯料堆積于平直的頂部，厚度達(dá)到最大，為78mm。

⑶有限元結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，可預(yù)測(cè)實(shí)際的封頭熱沖壓工藝。