基于凸模結(jié)構(gòu)的內(nèi)筋殼體旋轉(zhuǎn)擠壓成形折疊缺陷研究

李天宇， 王 強， 張治民

(中北大學 材料科學與工程學院， 山西 太原 030051)

基于凸模結(jié)構(gòu)的內(nèi)筋殼體旋轉(zhuǎn)擠壓成形折疊缺陷研究

李天宇， 王 強， 張治民

(中北大學 材料科學與工程學院， 山西 太原 030051)

針對旋轉(zhuǎn)擠壓成形易產(chǎn)生折疊缺陷的問題， 利用剛塑性有限元法對鎂合金內(nèi)筋殼體旋轉(zhuǎn)擠壓成形過程進行了數(shù)值模擬， 對比分析了在不同形狀的凸模作用下變形區(qū)金屬流動規(guī)律、 節(jié)點應(yīng)變和折疊角， 探討了折疊產(chǎn)生的原因. 結(jié)果表明： 折疊缺陷是由于凸模間隙區(qū)金屬受凸模軸向-周向加載產(chǎn)生凸起， 凸起金屬受凸模周向加載作用與殼體內(nèi)側(cè)壁金屬匯流； 變形區(qū)凸起金屬軸向流動速度沿徑向方向呈遞減趨勢時無折疊缺陷產(chǎn)生， 反之則產(chǎn)生折疊缺陷； 增大過度圓角和梯形工作帶設(shè)計可以避免折疊缺陷產(chǎn)生.

旋轉(zhuǎn)擠壓； AZ31鎂合金； 數(shù)值模擬； 折疊缺陷

0 引 言

隨著科學技術(shù)的進步與發(fā)展， 輕量化已成為航空航天和武器裝備產(chǎn)品發(fā)展的重要方向. 輕量化不僅對產(chǎn)品自重提出要求， 而且對構(gòu)件結(jié)構(gòu)和性能要求也越來越高. 鎂合金作為輕量化最重要的材料之一， 具有密度小、 比強度和比剛度高、 減震性良好等多種優(yōu)點， 現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)以及武器裝備制作中[1]； 但鎂合金具有密排六方晶體結(jié)構(gòu)， 塑性差， 難變形. 內(nèi)腔帶筋殼體具有輕質(zhì)、 薄壁等特點， 屬于典型的輕體結(jié)構(gòu)件； 其傳統(tǒng)加工主要采用鑄造、 切削以及焊接等方式， 通常伴隨廢品率高、 性能無法滿足要求、 成本較大等缺點[2]. 目前旋壓技術(shù)成形已被提出并應(yīng)用于帶淺筋薄壁殼體的成形制造， 然而對于高筋薄壁殼體的成形， 需要多道次局部加載、 卸載， 易產(chǎn)生不均勻變形， 存在起皺、 開裂、 筋部充填不滿、 旋輪前方金屬堆積等問題[3]. 針對內(nèi)筋殼體構(gòu)件結(jié)構(gòu)特點以及鎂合金變形特性， 張治民等[4]提出旋轉(zhuǎn)擠壓成形方法， 以實現(xiàn)該類構(gòu)件的整體塑性成形. 旋轉(zhuǎn)擠壓成形方法不僅能夠解決傳統(tǒng)工藝存在的問題， 同時還具有減少載荷、 改善成形性、 變形均勻、 細化晶粒、 弱化各向異性和筋部流線完整等優(yōu)點[5].

折疊是塑性成形的主要缺陷之一. 折疊可以是由兩股(或多股)金屬對流匯合而形成； 也可以是由一股金屬的急速大量流動將鄰近部分的表層金屬帶著流動， 兩者匯合而形成； 也可以是由于變形金屬發(fā)生彎曲、 回流面而形成； 還可以是部分金屬局部變形， 被壓入另一部分金屬內(nèi)而形成[6]. 袁林等[7]對交叉筋件折疊機理進行了闡述并提出利用背壓法和控制預成形的方法消除缺陷； 周杰等[8]對同步器齒環(huán)成形過程中產(chǎn)生內(nèi)飛邊和折疊缺陷進行研究， 分析了折疊的成形過程并優(yōu)化了工藝和坯料尺寸， 最終獲得了無缺陷鍛件； 符輝等[9]分析了劈劑成形過程中凸模工作面夾角和劈擠深度對最大折疊角和折疊深度的影響， 研究提出了合理的參數(shù)選擇范圍； Lin S.Y.等[10]對法蘭徑向擠壓成形進行二維有限元分析， 利用二維空間下折疊指數(shù)和損傷指數(shù)研究模具內(nèi)腔形狀對成形過程中缺陷產(chǎn)生的影響， 試驗驗證了其可行性. 大量研究表明[11-13]： 折疊缺陷與模具設(shè)計、 坯料尺寸、 潤滑條件、 工序安排以及實際操作情況有關(guān). 旋轉(zhuǎn)擠壓時， 軸向、 徑向和周向多方向加載使金屬多方向流動， 漸開式組合凸模具分開時出現(xiàn)間隙， 易產(chǎn)生折疊缺陷， 因此， 避免折疊缺陷產(chǎn)生成為旋轉(zhuǎn)擠壓成形工藝的關(guān)鍵. 本文利用有限元數(shù)值模擬方法， 研究旋轉(zhuǎn)擠壓成形過程中折疊缺陷產(chǎn)生的原因， 分析不同形狀凸模工作帶對折疊缺陷的影響.

1 旋轉(zhuǎn)擠壓成形工藝

圖 1 所示為旋轉(zhuǎn)擠壓成形示意圖. 在軸向加載同時施加徑向力和轉(zhuǎn)矩， 通過漸開式組合凸模的軸向、 徑向運動和凹模的旋轉(zhuǎn)運動， 協(xié)調(diào)控制金屬的有序流動， 以實現(xiàn)內(nèi)環(huán)筋薄壁構(gòu)件的整體成形. 左、 右凸模組成漸開式組合凸模， 根據(jù)需要控制其徑向分開與閉合， 分開時產(chǎn)生間隙， 漸開式組合凸模軸向加載完成反向擠壓， 徑向加載完成徑向擠壓， 凹模帶動坯料進行旋轉(zhuǎn)運動. 采用實心坯料或空心坯料， 旋轉(zhuǎn)擠壓不僅可用于直筒形件的成形， 也可實現(xiàn)錐筒形件的成形.

圖 1 旋轉(zhuǎn)擠壓成形示意圖Fig.1 The diagram of rotating extrusion

采用空心坯料旋轉(zhuǎn)擠壓成形內(nèi)腔帶筋直壁殼體， 其成形過程如圖 2 所示.

圖 2 旋轉(zhuǎn)擠壓成形過程示意圖Fig.2 The diagram of rotating extrusion procedures

坯料設(shè)置外縱筋以保證坯料隨凹模進行旋轉(zhuǎn)運動. 旋轉(zhuǎn)擠壓成形過程分3步完成， 第一步： 左、 右凸模分開后軸向加載于環(huán)形坯料， 反向擠壓使環(huán)形坯料壁部減薄， 坯料中空位置放置頂芯并隨凸模擠壓而向下運動以限制金屬徑向流動； 第二步： 凸模軸向擠壓到內(nèi)環(huán)筋位置后， 左、 右凸模閉合軸向移動到指定位置， 分別向左、 右運動進行徑向擠壓直至內(nèi)環(huán)筋完整成形； 第三步： 與第一步相同， 左、 右凸模分開狀態(tài)下軸向擠壓環(huán)形坯料， 完成筋部以下位置的成形. 上述過程中， 凹模帶動坯料始終進行旋轉(zhuǎn)運動.

2 旋轉(zhuǎn)擠壓成形內(nèi)筋殼體數(shù)值模擬

2.1 有限元模型建立

本文對采用空心坯料旋轉(zhuǎn)擠壓成形的內(nèi)腔帶筋直壁殼體進行了研究， 環(huán)形坯料內(nèi)徑376 mm， 外徑466 mm， 高150 mm， 并設(shè)置外縱筋； 成形筒體內(nèi)徑420 mm， 內(nèi)環(huán)筋高22 mm. 設(shè)計3種不同的凸模工作帶， 其形狀如圖 3 所示， 圖3(a)為小圓角過渡矩形工作帶， 圖3(b)為大圓角過渡矩形工作帶， 圖3(c)為梯形工作帶. 利用UG三維建模軟件， 對凸模、 凹模、 頂芯進行簡化并建立三維模型， 并將其導入到DEFORM有限元分析軟件中. 在旋轉(zhuǎn)擠壓成形內(nèi)筋殼體的過程中， 不考慮模具變形， 因此將凸模、 凹模以及頂芯設(shè)置為剛性體， 坯料為塑性體.

圖 3 凸模工作帶示意圖Fig.3 The diagram of die bearing

2.2 數(shù)值模擬參數(shù)的選擇

實驗材料選擇AZ31鎂合金， 其熔化溫度為603 ℃， 在200 ℃時變形抗力很大， 變形困難； 在230 ℃時合金開始析出第二相； 根據(jù)AZ31鎂合金塑性圖可以得知， 在300 ℃到400 ℃之間其塑性最好； 在高于400 ℃時會出現(xiàn)晶粒粗大現(xiàn)象[14]. 綜合以上考慮將成形溫度設(shè)置為380 ℃.

AZ31的材料模型需要導入AZ31鎂合金的本構(gòu)方程[15]. 采用剛塑性有限元法， 以四面體單元類型進行網(wǎng)格劃分， 初始單元總數(shù)為80 000. 凸模軸向加載速度為1 mm/s， 徑向加載速度為1 mm/s， 凹模旋轉(zhuǎn)速度為0.7 rad/s， 摩擦因數(shù)設(shè)置為0.3， 步長設(shè)置為0.1 s.

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 折疊缺陷分布

為準確表示折疊缺陷， 利用折疊角度判斷是否產(chǎn)生折疊缺陷， 當某處金屬折疊角度超過270°時， 認為此處產(chǎn)生折疊缺陷. 不同凸模成形后折疊角分布如圖 4 所示， 將標尺最大值設(shè)置為270°， 超過270°折疊角的區(qū)域均為黑點表征區(qū). 小圓角過渡矩形工作帶成形時最大折疊角度為351°， 折疊缺陷多分布于內(nèi)環(huán)筋以上部分壁部內(nèi)側(cè)面， 如圖4(a) 所示， 因此可以判斷周向、 軸向加載過程是產(chǎn)生折疊缺陷的主要階段. 圖4(b)為大圓角過渡工作帶成形殼體時折疊角分布， 最大折疊角度為270°. 圖4(c)為梯形工作帶凸模成形殼體的折疊角分布， 最大折疊角度為305°， 雖然超過危險值270°， 但其超過危險值的部分位于直筒殼體上緣處， 在后續(xù)加工中可以消除.

圖 5 為金屬折疊缺陷形成過程. 如圖5(a)所示， 金屬在凸模軸向擠壓力作用下， 凸模作用區(qū)金屬與間隙區(qū)金屬產(chǎn)生高度差即凸起. 坯料在凹模旋轉(zhuǎn)運動的帶動下， 凸起部分金屬受周向力作用. 如圖5(b)所示， 凸起金屬受凸模作用向徑向、 切向和軸向多方向流動， 最終凸起金屬與側(cè)壁金屬重疊匯合產(chǎn)生折疊缺陷， 如圖5(c)所示.

圖 4 不同凸模旋轉(zhuǎn)擠壓成形下折疊角度分布Fig.4 The diagram of folding angle distribution with different punch

3.2 金屬流動分析

折疊缺陷主要產(chǎn)生在成形軸向擠壓階段， 因此分析軸向擠壓階段成形過程的金屬流動尤為重要. 由于坯料在成形過程中保持旋轉(zhuǎn)運動， 旋轉(zhuǎn)速度的存在導致速度場分析困難， 因此采用節(jié)點追蹤的方法定量研究金屬流動和塑性變形行為. 圖 6 為不同凸模旋圍擠壓成形下的節(jié)點分布. 如圖6(a) 所示， 在環(huán)形坯料同一高度處選取5個點， 依次間隔2 mm并保持在同一水平面.

圖 6 不同凸模旋轉(zhuǎn)擠壓成形下節(jié)點分布Fig.6 The diagram of nodes distribution with different punch

小圓角過渡矩形工作帶作用成形后節(jié)點分布狀況如圖 6(b) 所示， 5個節(jié)點分布散亂，P2、P3點成形后位置高于P4點， 即P2、P3處金屬經(jīng)變形后移動到高于P4的位置. 節(jié)點軸向應(yīng)變狀況如圖 7 所示， 圖中A區(qū)域為變形過程前期凸模距離追蹤節(jié)點處金屬較遠時， 此時節(jié)點變化因其上層金屬受力而產(chǎn)生有規(guī)律的變化；B區(qū)域為凸模加載于節(jié)點處附近金屬， 使5個節(jié)點發(fā)生明顯的位移產(chǎn)生較大應(yīng)變；C區(qū)域為節(jié)點變形趨于穩(wěn)定后的部分， 這一區(qū)域節(jié)點小幅度變化. 在前18 s， 5個節(jié)點的應(yīng)變曲線具有相同變化趨勢， 之后P1點快速向軸向負方向運動、 其余點快速向軸向正方向運動， 并最終P2、P3點應(yīng)變量超過P4點. 從空間位置分布上分析，P2、P3點處低于P5高于P4位置， 即P2、P3點處金屬已覆蓋于P4與P5間同等高度金屬， 這種金屬流動情況使得內(nèi)側(cè)壁處產(chǎn)生谷形區(qū)域即線圈位置， 如圖8(a)所示， 隨著凸模的移動進而使內(nèi)側(cè)金屬與內(nèi)壁金屬交匯而形成折疊缺陷.

圖6(c), (d)分別表示大圓角過渡矩形工作帶、 梯形工作帶成形后節(jié)點分布. 變形后5個節(jié)點分布均勻呈P1到P5點依次從殼體內(nèi)側(cè)向外側(cè)排列、 高度由P1至P5依次升高. 其中梯形工作帶作用下P1與其余4點距離較大， 而大圓角過渡矩形工作帶作用下P1至P5分布間距更均勻. 各節(jié)點軸向應(yīng)變量如圖7(b), (c)所示， 在6 s附近5點向軸向負方向移動， 并且P1至P5速度依次下降， 變形過程中5個點的軸向應(yīng)變量曲線變化趨勢近似， 大圓角過渡矩形工作帶作用下曲線全程無交叉， 梯形工作帶作用下P1、P2在15～20 s期間軸向高度相近， 最終5條曲線均由P1至P5從低到高分布. 金屬形貌如圖8(b), (c)所示， 殼體內(nèi)側(cè)壁平整、 變形區(qū)金屬呈弧形過渡. 對比3種不同工作帶成形過程中變形區(qū)金屬變形行為可知， 增大工作帶圓角以及工作帶梯形設(shè)計可以使變形區(qū)金屬有序流動， 避免折疊缺陷產(chǎn)生.

圖 7 不同凸模旋轉(zhuǎn)擠壓成形下各節(jié)點軸向應(yīng)變-時間曲線Fig.7 The Strain(Z)-time curve with different punch

圖 8 不同凸模旋轉(zhuǎn)擠壓成形下變形區(qū)金屬形貌Fig.8 The diagram of metal morphology in deformation area with different punch

4 結(jié) 論

1) 通過對內(nèi)環(huán)筋直筒殼體旋轉(zhuǎn)擠壓成形進行有限元模擬研究， 得出在軸向-周向加載過程中在殼體內(nèi)側(cè)面產(chǎn)生折疊缺陷. 在凸模工作帶作用區(qū)， 凸起部分金屬軸向流動速度沿徑向朝殼體內(nèi)側(cè)方向呈遞減趨勢時無折疊缺陷產(chǎn)生， 反之則產(chǎn)生折疊缺陷.

2) 通過對比分析不同形狀凸模工作帶作用下內(nèi)環(huán)筋直筒殼體成形過程中的金屬變形行為， 發(fā)現(xiàn)增大凸模工作帶過渡圓角和梯形工作帶設(shè)計可以有效改善金屬流動并消除折疊缺陷， 為旋轉(zhuǎn)擠壓凸模設(shè)計提供了指導依據(jù).

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Research on Folding Defects of Inner Ribbed Shell Based on Punch Structure

LI Tian-yu, WANG Qiang, ZHANG Zhi-min

(School of Materials Science and Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Based on the problem of folding defects produced in rotating extrusion process, the rotating extrusion processing of Mg alloy shell with inner rib was numerically simulated by rigid-plastic finite element method. The strain of nodes, folding angle and metal flow behaviors were analyzed under different die bearing and the reasons for the folding were discussed. The results show that the folding defect is caused by the embossment produced during axial and circumferential loading of the metal in the gap region of the punch, and the embossment metal circumferential loaded by the punch flow concentration with the metal in the inner side of the shell. The folding defects would not produce with the decrease of the axial flow velocity along the radial direction of the deformation area metal, otherwise there is fold defect. Increasing the fillet radius and the design of trapezoidal die bearing can avoid the generation of the fold defects.

rotating extrusion; AZ31 magnesium alloy; numerical simulation; fold defect

2016-08-26

國家重點研究計劃資助項目(2016YFB0301103)； 山西省基礎(chǔ)研究計劃資助項目(201601D102018)

李天宇(1992-)， 男， 碩士生， 主要從事精密塑性成形的研究.

1673-3193(2017)02-0237-06

TG376.2

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2017.02.025