高強鋁合金7A52噴管錐段剪切旋壓數(shù)值模擬研究

李學雷，韓 冬，楊延濤，曹學文

（西安航天動力機械廠，陜西 西安 710025）

高強鋁合金7A52噴管錐段剪切旋壓數(shù)值模擬研究

李學雷，韓 冬，楊延濤，曹學文

（西安航天動力機械廠，陜西 西安 710025）

噴管錐段是火箭發(fā)動機能量轉化和推力向量控制機構，一般采用剪切旋壓加工。采用ABAQUS有限元軟件，建立了高強鋁合金7A52錐形件剪切旋壓模型；采用單一變量法，分析了旋壓間隙、旋輪進給比、旋輪圓角半徑對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。

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加、板料卷焊和旋壓成形等工藝。鍛件機加制造的錐形件具有尺寸精度高、形位公差好等優(yōu)點，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。旋壓是一種先進的成形薄壁空心回轉體零件的塑性加工方法，利用旋輪的進給運動，加壓于隨芯模作旋轉運動的坯料，利用金屬的塑性變形能力，使其產生逐點連續(xù)的塑性變形，從而獲得各種空心回轉體制件[1-4]。旋壓具有金屬變形條件好、材料利用率高、工件精度高、增加工件屈服強度和抗拉強度等優(yōu)點[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，旋壓時采用改變毛坯厚度和形狀的剪切旋壓方式。隨著計算機技術和彈塑性理論的發(fā)展，有限元數(shù)值模擬技術大量應用于旋壓成形領域[6-9]。有限元數(shù)值模擬可替代工藝試驗，縮短工藝制定周期，節(jié)約制造成本。模擬結果可直觀地分析旋壓工藝參數(shù)對旋壓成形的影響，以優(yōu)化工藝方案指導實際生產。

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。在實際成形過程中，模具發(fā)生少量的彈性變形，相對于坯料的塑性變形量，模具產生的彈性變形很小，可以忽略。為了提高計算效率，建模時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鋁合金真實的材料性能參數(shù)，采用CSS-88010型電子萬能試驗機進行單向拉伸試驗，將試驗所得的名義應力應變曲線轉化為模擬需要的真實應力應變曲線。真應力應變曲線中均勻塑性變形部分通過平均化擬合處理，得到7A52鋁合金的材料本構方程為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 真實應力應變曲線

1.3 板料網(wǎng)格的劃分

錐形件頂端芯模和尾頂接觸部分，在旋壓成形過程中，塑性變形很小，金屬幾乎沒有流動，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，小變形區(qū)徑向布置5個，大變形區(qū)域徑向布置100個，利用掃略網(wǎng)格劃分技術，總共劃分單元個數(shù)為15750個。

1.4 接觸、分析步、加載的設置

模型中定義芯模與坯料內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，接觸面之間保證沒有穿透出現(xiàn)。采用速度加載方式，按照實際生產使芯模帶動坯料勻速轉動，旋輪沿芯模母線方向勻速進給，同時在坯料與芯模之間的摩擦力下自轉。為了提高求解效率，采用質量放大技術提高計算機的運算速度，本文采用的質量放大因子是5000。

1.5 模型可靠性驗證

模型建立后，需要驗證所設定的質量放大系數(shù)取值是否符合實驗要求。ABAQUS軟件提供了兩種基于理論評估法的驗證模型可靠性的方法：（1）計算穩(wěn)定后，坯料的動能與內能的比值在5%～10%范圍內時，可認為所設置的質量放大因子是可以接受的。（2）為了獲得一個平滑的結果，需要考察動能本身或者是一些有代表性節(jié)點的速度是否足夠平滑[10]。

如圖4所示坯料的動能變化，可以看出動能經(jīng)過短時間的上升之后，除稍微上升趨勢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后坯料動能與內能的比值就小于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程中所采取的關鍵技術處理方法是可行的，所建立的模型是可靠的。

2 數(shù)值模擬結果分析

圖4 動能和內能曲線

圖5 動能和內能比值變化曲線

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品。本文按表2所示工藝參數(shù)分別進行數(shù)值模擬計算，主要分析旋壓間隙、進給比、旋輪圓角半徑三個工藝參數(shù)對錐形件剪切旋壓壁厚精度的影響。模擬時采用單一變量法，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量的重要指標，一般以壁厚偏差和壁厚差來衡量[11]。壁厚差是壁厚實際尺寸之間的相對差值，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，表明工件壁厚的分布隨著旋壓間隙的增大變得越來越不均勻。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。在實際生產中由于材料變形后的回彈一般選擇負偏離3%～5%間隙，可選擇旋壓間隙為6.66mm。

圖6 旋壓間隙對壁厚差的影響

圖7 旋輪板料隆起和堆積

2.2 旋輪進給比對壁厚差的影響

從圖8可以看出，壁厚差隨著旋輪進給比增大逐漸減小，表明一定的范圍內增大旋輪進給比時工件壁厚的分布越均勻。在較小的旋輪進給比下，旋壓進程慢單位時間流過旋輪的金屬少，造成金屬的軸向流動出現(xiàn)不貼膜現(xiàn)象，壁厚局部變薄嚴重，故壁厚差較大。較大的進給在1.8mm/r的旋輪進給比下，旋輪時能重疊旋過坯料，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 旋輪進給比對壁厚差的影響

2.3 旋輪圓角半徑

圖9 旋輪圓角半徑對壁厚差的影響

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時的壁厚分布最均勻。旋輪圓角半徑較小時，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，導致壁厚差略偏大。但旋輪圓角半徑太大時，旋壓件容易產生同向鼓凸，導致壁厚差增大。由此可見，適當?shù)脑龃笮唸A角半徑值有利于工件壁厚分布更均勻。

3 試驗驗證

試驗選擇剪切旋壓工藝，采用上文分析得到的工藝參數(shù)：旋壓間隙6.66mm，旋輪進給比1.8mm/r，旋輪圓角半徑15mm，在國外引進的PT30501CNC雙輪臥式強力旋壓機上進行，得到如圖10a所示的錐形件。錐形件表面光滑，無起皮和開裂現(xiàn)象，X射線探傷未發(fā)現(xiàn)內部缺陷，超聲波厚度測量儀測得壁厚差≤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所示與工藝試驗所得誤差僅為9.5%。數(shù)值模擬與試驗結果相差不大，所建立的模型可以用于指導錐形件的實際生產。

圖10 試驗結果和模擬結果

4 結論

通過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、旋輪進給比、旋輪圓角半徑對壁厚差的影響，并對比實際工藝試驗，在所分析的工藝參數(shù)范圍內得到以下結論：

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

（2）壁厚差隨著旋輪進給比增大逐漸減小，在一定范圍內增大旋輪進給比時，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時壁厚分布最均勻。

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

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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。