高強(qiáng)鋁合金7A52噴管錐段剪切旋壓數(shù)值模擬研究

李學(xué)雷，韓 冬，楊延濤，曹學(xué)文

（西安航天動(dòng)力機(jī)械廠，陜西 西安 710025）

高強(qiáng)鋁合金7A52噴管錐段剪切旋壓數(shù)值模擬研究

李學(xué)雷，韓 冬，楊延濤，曹學(xué)文

（西安航天動(dòng)力機(jī)械廠，陜西 西安 710025）

噴管錐段是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)能量轉(zhuǎn)化和推力向量控制機(jī)構(gòu)，一般采用剪切旋壓加工。采用ABAQUS有限元軟件，建立了高強(qiáng)鋁合金7A52錐形件剪切旋壓模型；采用單一變量法，分析了旋壓間隙、旋輪進(jìn)給比、旋輪圓角半徑對(duì)錐形件剪切旋壓壁厚差的影響，為錐形件的制造提供一定的指導(dǎo)。

錐形件；剪切旋壓；7A52鋁合金；數(shù)值模擬

噴管錐段的制造可采用鍛件機(jī)加、板料卷焊和旋壓成形等工藝。鍛件機(jī)加制造的錐形件具有尺寸精度高、形位公差好等優(yōu)點(diǎn)，但切削量大，材料利用率低，制造成本高。板料卷焊制造的錐形件生產(chǎn)周期短，錐角精度差，且?guī)в泻缚p，厚板料難以加工。旋壓是一種先進(jìn)的成形薄壁空心回轉(zhuǎn)體零件的塑性加工方法，利用旋輪的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，加壓于隨芯模作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的坯料，利用金屬的塑性變形能力，使其產(chǎn)生逐點(diǎn)連續(xù)的塑性變形，從而獲得各種空心回轉(zhuǎn)體制件[1-4]。旋壓具有金屬變形條件好、材料利用率高、工件精度高、增加工件屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)[5]，因此一般采用旋壓工藝加工噴管錐段。

噴管錐段是等壁厚錐形件，旋壓時(shí)采用改變毛坯厚度和形狀的剪切旋壓方式。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和彈塑性理論的發(fā)展，有限元數(shù)值模擬技術(shù)大量應(yīng)用于旋壓成形領(lǐng)域[6-9]。有限元數(shù)值模擬可替代工藝試驗(yàn)，縮短工藝制定周期，節(jié)約制造成本。模擬結(jié)果可直觀地分析旋壓工藝參數(shù)對(duì)旋壓成形的影響，以優(yōu)化工藝方案指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

1 有限元模型的建立

1.1 幾何模型的建立和裝配

圖1 剪切旋壓示意圖

圖2 剪切旋壓模型圖

采用ABAQUS有限元模擬軟件，按照實(shí)際尺寸建立芯模、坯料和旋輪的幾何模型，將建立的幾何模型按圖1進(jìn)行裝配，并用ABAQUS中tie功能將坯料與芯模尾頂接觸部分綁定以省去尾頂，裝配后的模型如圖2所示。在實(shí)際成形過(guò)程中，模具發(fā)生少量的彈性變形，相對(duì)于坯料的塑性變形量，模具產(chǎn)生的彈性變形很小，可以忽略。為了提高計(jì)算效率，建模時(shí)定義旋輪為解析剛體，芯模定義為離散剛體。坯料是主要的變形體，也是模型中主要的研究對(duì)象，定義為變形體。

1.2 模型及材料性能基本參數(shù)

建立的剪切旋壓模型中坯料、芯模和旋輪的幾何尺寸如表1所示。本文為了獲得7A52鋁合金真實(shí)的材料性能參數(shù)，采用CSS-88010型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)，將試驗(yàn)所得的名義應(yīng)力應(yīng)變曲線轉(zhuǎn)化為模擬需要的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線。真應(yīng)力應(yīng)變曲線中均勻塑性變形部分通過(guò)平均化擬合處理，得到7A52鋁合金的材料本構(gòu)方程為ε1=378.248σ10.1718，如圖3所示。其他7A52鋁合金材料參數(shù)：密度2750g/cm3、彈性模量77.6 GPa，泊松比0.3、旋輪與毛坯之間摩擦系數(shù)0.5。

表1 模型幾何尺寸

圖3 真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線

1.3 板料網(wǎng)格的劃分

錐形件頂端芯模和尾頂接觸部分，在旋壓成形過(guò)程中，塑性變形很小，金屬幾乎沒(méi)有流動(dòng)，可以粗略劃分網(wǎng)格。坯料與旋輪的接觸部分發(fā)生較大的塑性變形，采用較小的網(wǎng)格尺寸劃分單元。具體單元類型選擇S4R單元，坯料周向布置種子150個(gè)，小變形區(qū)徑向布置5個(gè)，大變形區(qū)域徑向布置100個(gè)，利用掃略網(wǎng)格劃分技術(shù)，總共劃分單元個(gè)數(shù)為15750個(gè)。

1.4 接觸、分析步、加載的設(shè)置

模型中定義芯模與坯料內(nèi)表面的接觸以及旋輪與坯料外表面的接觸，均采用ABAQUS罰函數(shù)接觸算法，接觸面之間保證沒(méi)有穿透出現(xiàn)。采用速度加載方式，按照實(shí)際生產(chǎn)使芯模帶動(dòng)坯料勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，旋輪沿芯模母線方向勻速進(jìn)給，同時(shí)在坯料與芯模之間的摩擦力下自轉(zhuǎn)。為了提高求解效率，采用質(zhì)量放大技術(shù)提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度，本文采用的質(zhì)量放大因子是5000。

1.5 模型可靠性驗(yàn)證

模型建立后，需要驗(yàn)證所設(shè)定的質(zhì)量放大系數(shù)取值是否符合實(shí)驗(yàn)要求。ABAQUS軟件提供了兩種基于理論評(píng)估法的驗(yàn)證模型可靠性的方法：（1）計(jì)算穩(wěn)定后，坯料的動(dòng)能與內(nèi)能的比值在5%～10%范圍內(nèi)時(shí)，可認(rèn)為所設(shè)置的質(zhì)量放大因子是可以接受的。（2）為了獲得一個(gè)平滑的結(jié)果，需要考察動(dòng)能本身或者是一些有代表性節(jié)點(diǎn)的速度是否足夠平滑[10]。

如圖4所示坯料的動(dòng)能變化，可以看出動(dòng)能經(jīng)過(guò)短時(shí)間的上升之后，除稍微上升趨勢(shì)外基本保持恒定變化，滿足上述（2）的條件。從圖5可知旋壓成形在1.5s后坯料動(dòng)能與內(nèi)能的比值就小于10%，滿足上述（1）的條件。綜上所述，本文在建立錐形件剪切旋壓有限元模型過(guò)程中所采取的關(guān)鍵技術(shù)處理方法是可行的，所建立的模型是可靠的。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖4 動(dòng)能和內(nèi)能曲線

圖5 動(dòng)能和內(nèi)能比值變化曲線

表2 不同旋壓參數(shù)

旋壓工藝的制定主要是工藝參數(shù)的確定，在合理的工藝參數(shù)下才能旋出壁厚精度較高的產(chǎn)品。本文按表2所示工藝參數(shù)分別進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，主要分析旋壓間隙、進(jìn)給比、旋輪圓角半徑三個(gè)工藝參數(shù)對(duì)錐形件剪切旋壓壁厚精度的影響。模擬時(shí)采用單一變量法，控制其他工藝參數(shù)不變，只改變所分析工藝參數(shù)。

壁厚精度是衡量錐形件成形質(zhì)量的重要指標(biāo)，一般以壁厚偏差和壁厚差來(lái)衡量[11]。壁厚差是壁厚實(shí)際尺寸之間的相對(duì)差值，反映了工件壁厚分布的均勻性，差值越小，表明工件壁厚分布越均勻。

2.1 旋壓間隙對(duì)壁厚差的影響

從圖6可以看出，隨著旋壓間隙的增大，壁厚差呈逐漸增大的趨勢(shì)，表明工件壁厚的分布隨著旋壓間隙的增大變得越來(lái)越不均勻。這是由于旋輪間隙的變大，旋輪與坯料的接觸區(qū)域變小使得板料變形不充分，壁厚減薄不均勻，成形后壁厚差變大。旋壓間隙為6.01mm時(shí)壁厚差很小，但工件壁厚減薄較大處剩余的金屬就被旋輪擠入凸緣中，從而使得凸緣處壁厚和徑向壓應(yīng)力都增大，旋輪的前方容易形成隆起和金屬堆積現(xiàn)象。在實(shí)際生產(chǎn)中由于材料變形后的回彈一般選擇負(fù)偏離3%～5%間隙，可選擇旋壓間隙為6.66mm。

圖6 旋壓間隙對(duì)壁厚差的影響

圖7 旋輪板料隆起和堆積

2.2 旋輪進(jìn)給比對(duì)壁厚差的影響

從圖8可以看出，壁厚差隨著旋輪進(jìn)給比增大逐漸減小，表明一定的范圍內(nèi)增大旋輪進(jìn)給比時(shí)工件壁厚的分布越均勻。在較小的旋輪進(jìn)給比下，旋壓進(jìn)程慢單位時(shí)間流過(guò)旋輪的金屬少，造成金屬的軸向流動(dòng)出現(xiàn)不貼膜現(xiàn)象，壁厚局部變薄嚴(yán)重，故壁厚差較大。較大的進(jìn)給在1.8mm/r的旋輪進(jìn)給比下，旋輪時(shí)能重疊旋過(guò)坯料，坯料變形充分，壁厚減薄均勻，成形后工件的壁厚差較小。

圖8 旋輪進(jìn)給比對(duì)壁厚差的影響

2.3 旋輪圓角半徑

圖9 旋輪圓角半徑對(duì)壁厚差的影響

從圖9可以看出，隨著旋輪圓角半徑的增大，壁厚差先減小后增大，在圓角半徑為15mm時(shí)的壁厚分布最均勻。旋輪圓角半徑較小時(shí)，旋輪與毛坯的接觸區(qū)域較小出現(xiàn)切削毛坯的現(xiàn)象，壁厚局部減薄，導(dǎo)致壁厚差略偏大。但旋輪圓角半徑太大時(shí)，旋壓件容易產(chǎn)生同向鼓凸，導(dǎo)致壁厚差增大。由此可見(jiàn)，適當(dāng)?shù)脑龃笮唸A角半徑值有利于工件壁厚分布更均勻。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)選擇剪切旋壓工藝，采用上文分析得到的工藝參數(shù)：旋壓間隙6.66mm，旋輪進(jìn)給比1.8mm/r，旋輪圓角半徑15mm，在國(guó)外引進(jìn)的PT30501CNC雙輪臥式強(qiáng)力旋壓機(jī)上進(jìn)行，得到如圖10a所示的錐形件。錐形件表面光滑，無(wú)起皮和開(kāi)裂現(xiàn)象，X射線探傷未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺陷，超聲波厚度測(cè)量?jī)x測(cè)得壁厚差≤0.42mm。相同的工藝參數(shù)下有限元數(shù)值模擬得到的壁厚差為0.38mm，如圖10b所示與工藝試驗(yàn)所得誤差僅為9.5%。數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果相差不大，所建立的模型可以用于指導(dǎo)錐形件的實(shí)際生產(chǎn)。

圖10 試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果

4 結(jié)論

通過(guò)ABAQUS有限元模擬軟件，建立了錐形件剪切旋壓模型，分析了旋壓間隙、旋輪進(jìn)給比、旋輪圓角半徑對(duì)壁厚差的影響，并對(duì)比實(shí)際工藝試驗(yàn)，在所分析的工藝參數(shù)范圍內(nèi)得到以下結(jié)論：

（1）錐形件剪切旋壓時(shí)，在一定范圍內(nèi)較小的旋壓間隙下，壁厚分布均勻，可能出現(xiàn)隆起和堆積現(xiàn)象。

（2）壁厚差隨著旋輪進(jìn)給比增大逐漸減小，在一定范圍內(nèi)增大旋輪進(jìn)給比時(shí)，壁厚分布越均勻。

（3）隨著旋輪圓角半徑的增大，壁厚差先減小后增大，圓角半徑為15mm時(shí)壁厚分布最均勻。

（4）數(shù)值模擬結(jié)果與工藝試驗(yàn)結(jié)果一致，所建立的錐形件剪切旋壓模型可用于指導(dǎo)錐形件壁厚差實(shí)際生產(chǎn)。

[1]陳敬之，譯.旋壓成形技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988.

[2]陳適先.強(qiáng)力旋壓工藝與設(shè)備[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1986.

[3]陳適先，編.強(qiáng)力旋壓及其應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1966.

[4]李彥利.旋壓技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[5]張 濤.旋壓成形工藝[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[6]周 強(qiáng)，詹 梅，楊 合.帶橫向內(nèi)筋錐形件旋壓應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的有限元分析[J]. 塑性工程學(xué)報(bào)，2007，14（3）：49-53.

[7]徐銀麗，詹 梅，楊 合，等.錐形件變薄旋壓回彈的三維有限元分析[J].材料科學(xué)與工藝，2008，16（2）：67-71.

[8]韓 冬，楊 合，詹 梅，等.鋁合金錐體噴管剪切旋壓參數(shù)模擬與工藝試驗(yàn)[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2011，18（1）：2-5.

[9]詹 梅，李 甜，王巧玲，等.熱剪切旋壓過(guò)程中芯模對(duì)零件形貌和壁厚分布的影響[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，（3）：491-7.

[10]徐銀麗.異型薄壁殼體強(qiáng)力旋壓成形機(jī)理及規(guī)律的三維有限元分析[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2006.

[11]陳 崗，詹 梅，楊 合，等.基于正交優(yōu)化的異型薄壁殼體強(qiáng)力旋壓成形有限元分析[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2008，15（4）：67-71.

Numerical simulation study on shear spinning process for high strength aluminum alloy 7A52 nozzle cone

LI Xuelei,HAN Dong,YANG Yantao,CAO Xuewen
（Xi'an Aerospace Power Machine Factory,Xi'an 710025,Shaanxi China）

The nozzle cone is the energy conversion and thrust vector control mechanism for the rocket engine,which is normally processed by use of shear spinning process.The shearing spinning model for high strength 7A52 aluminum alloy conical part has been established on basis of ABAQUS finite element software.The single variable method has been adopted to analyze the influence of the spinning gap,the roller feeding rate and the roller roundness radius on the shear spinning wall thickness difference for conical part.It provides certain reference for the manufacture of conical part.

Conical part;Shear spinning;7A52 aluminum alloy;Numerical simulation

TG335.19

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.04.021

1672-0121（2017）04-0071-04

2017-03-24；

2017-05-08

李學(xué)雷（1989-），男，碩士在讀，主攻固體火箭金屬殼體、噴管、封頭旋壓成形工藝研究。