內(nèi)管模鍛成形仿真建模的工藝參數(shù)選擇

蔣翠翠，張永棟，王慶堅(jiān)

（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與工程機(jī)械學(xué)院，廣東 廣州 510650）

前言

內(nèi)管件鍛造成形工藝，廣泛應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)。內(nèi)管件加工后的性能與其材料和加工工藝等主要工藝參數(shù)有關(guān)。內(nèi)管件的主要的加工方式為鑄造和鍛壓成形。鑄造成形工藝復(fù)雜，且鑄件中間容易產(chǎn)生氣孔等缺陷，其加工工件性能較差。鍛造成形是利用高壓將現(xiàn)有的管材坯料成形，鍛件不僅具有強(qiáng)度好、剛性強(qiáng)、可靠性強(qiáng)及疲勞壽命長(zhǎng)等特性。但是在生產(chǎn)中，也會(huì)遇到工藝參數(shù)選擇不合適，帶來鍛件的某些位置材料流動(dòng)性不好，出現(xiàn)不正常的折迭現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)有些位置應(yīng)力集中，對(duì)模具產(chǎn)生擠壓損傷，降低生產(chǎn)效率和大大提高了生產(chǎn)成本。

在傳統(tǒng)的生產(chǎn)過程中，遇到問題，通常都是靠技術(shù)人員或者操作者的經(jīng)驗(yàn)來解決。用經(jīng)驗(yàn)——制坯——生產(chǎn)試驗(yàn)——經(jīng)驗(yàn)這種方式來解決問題，有些問題的再現(xiàn)，比如對(duì)模具的損傷，需要依靠大量的試驗(yàn)來驗(yàn)證，這種生產(chǎn)制造方式，重復(fù)周期長(zhǎng)，生產(chǎn)成本高，已經(jīng)無法適應(yīng)現(xiàn)在高效率生產(chǎn)的需求。本文提出基于計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的有限元仿真建模方法，用于指導(dǎo)生產(chǎn)過程。采用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，可以考慮坯料形狀、材料及所有的工藝參數(shù)進(jìn)行建?！獏?shù)輸入——優(yōu)化參數(shù)——輸入模型驗(yàn)證——指導(dǎo)生產(chǎn)，改善了傳統(tǒng)生產(chǎn)制造中，完全靠試驗(yàn)驗(yàn)證周期長(zhǎng)和成本高的缺陷，快速求解并有效地指導(dǎo)生產(chǎn)。本文綜合分析了在鍛造成形仿真建模時(shí)，加工工藝參數(shù)對(duì)建模仿真結(jié)果的影響趨勢(shì)，根據(jù)實(shí)際的加工工藝經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，選擇合適的加工工藝參數(shù)，驗(yàn)證仿真模型，以將仿真模型分析結(jié)果，更好地用于指導(dǎo)生產(chǎn)。

1 仿真建模的工藝參數(shù)選擇

本文依據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的管件尺寸和鍛造設(shè)備的尺寸，內(nèi)管件生產(chǎn)尺寸圖如圖1所示，制作坯料的CAD模型和鍛造設(shè)備的CAD模型，制作坯料的尺寸見表1，選擇DEFORM作為輔助設(shè)計(jì)軟件，將模型導(dǎo)入，包括模具、坯料的模型如圖2所示。

圖1 內(nèi)管件尺寸圖

表1 坯料尺寸

圖2 仿真模型截面圖

在圖2仿真模型基礎(chǔ)上，坯料的材料特性參數(shù)、坯料網(wǎng)格數(shù)量、成形速度、成形摩擦系數(shù)、熱傳遞系數(shù)、坯料形狀、中心定位桿尺寸等參數(shù)要在分析中輸入模型。為了驗(yàn)證仿真過程中，成形工藝參數(shù)對(duì)成形模型結(jié)果的影響，本文選擇一組經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，然后在經(jīng)驗(yàn)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，設(shè)置參數(shù)變化量范圍，來分析比較各工藝參數(shù)對(duì)仿真結(jié)果的影響大小。其中材料參數(shù)特性見表2，各基準(zhǔn)參數(shù)見表3。

表2 材料參數(shù)特性

表3 基準(zhǔn)參數(shù)

1.1 模型網(wǎng)格數(shù)量的選擇

在仿真模型中分別設(shè)置網(wǎng)格數(shù)量分別為 3000個(gè)，6000個(gè)和9000個(gè)。成形過程中，網(wǎng)格數(shù)量越多，成形效果越好，材料流動(dòng)及應(yīng)變反映更真實(shí)，如圖3（a），（b），（c）所示 。成形過程中，網(wǎng)格數(shù)量越多，應(yīng)力分布較真實(shí)。在應(yīng)力的過渡區(qū)域，較大的應(yīng)力差說明材料出現(xiàn)折疊越嚴(yán)重，如圖3（a）,（b），（c）所示 。同時(shí)成形過程中，網(wǎng)格數(shù)量越多，底端應(yīng)力區(qū)域越大，反映材料成形狀態(tài)越真實(shí)，如圖5（a），（b），（c）所示。但是，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的要求較高，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，建議根據(jù)分析條件，選擇合適的網(wǎng)格數(shù)量。綜合考慮各方因素，本文建模時(shí)選擇網(wǎng)格數(shù)量為6000個(gè)。

圖3 不同模型網(wǎng)格數(shù)量應(yīng)變結(jié)果

圖4 不同模型網(wǎng)格數(shù)量頂部應(yīng)力結(jié)果

圖5 不同模型網(wǎng)格數(shù)量底部應(yīng)力結(jié)果

1.2 熱傳導(dǎo)系數(shù)參數(shù)的選擇

將熱傳導(dǎo)系數(shù)設(shè)置為0和5。熱傳導(dǎo)系數(shù)為0，即坯料和模具之間無熱傳導(dǎo)。分別輸入模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示，成形過程中，熱傳導(dǎo)系數(shù)小，網(wǎng)格的重劃分質(zhì)量較好，成形速度相對(duì)快。由于對(duì)外沒有熱量傳遞，坯料的應(yīng)變較大，如圖6所示。熱傳導(dǎo)系數(shù)小，模擬成形效果好，坯料不與外界進(jìn)行熱交換，自身金屬流動(dòng)快，坯料表面的材料流動(dòng)更好，應(yīng)力分布均勻，應(yīng)力大；應(yīng)力的分界面，根據(jù)材料的流動(dòng)性在內(nèi)壁偏下的位置，如圖6所示，與實(shí)際中，應(yīng)力形成的折迭位置相吻合。同時(shí)在實(shí)際鍛造過程中，坯料放入模具中，成形時(shí)間較快，熱傳遞較小，因此，在仿真分析建模中，熱傳導(dǎo)系數(shù)，可以設(shè)置為0。

圖6 不同熱傳導(dǎo)系數(shù)應(yīng)變結(jié)果

圖7 不同熱傳導(dǎo)系數(shù)應(yīng)力結(jié)果

1.3 摩擦系數(shù)對(duì)成形的影響

圖8 不同摩擦系數(shù)應(yīng)變結(jié)果

將建模中摩擦系數(shù)分別設(shè)置為0.02,0.08和0.20。成形模擬過程中，摩擦系數(shù)變化對(duì)結(jié)果影響較大。仿真過程中，摩擦系數(shù)為0.02時(shí)，坯料上端成形力小，鍛件和模具之間有打滑趨勢(shì)，和實(shí)際的鍛造過程差異較大，而且仿真結(jié)果顯示，由于打滑造成底部充型不滿，如圖8（a）和圖9（a）所示；當(dāng)摩擦系數(shù)輸入為0.20時(shí)，坯料上端成形力大，材料應(yīng)變較大，成形過程中，摩擦系數(shù)0.20時(shí)，鍛件的上端材料破壞較大，如圖 8（c）所示。根據(jù)分析和經(jīng)驗(yàn)， 摩擦系數(shù)為 0.08時(shí)的應(yīng)變和應(yīng)力分布，較符合真是的內(nèi)管成形材料流動(dòng)特性。在仿真分析建模中，摩擦系數(shù)，設(shè)置為0.08。

圖9 不同摩擦系數(shù)應(yīng)力結(jié)果

1.4 成形速度的選擇

在上述仿真模型的基礎(chǔ)上，研究成形速度對(duì)成形結(jié)果的影響趨勢(shì)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)程度，設(shè)置成形速度為100mm/sec,200mm/sec,350mm/sec，分別輸入分析模型?？梢缘玫綉?yīng)變和應(yīng)力結(jié)果如圖10,11,12所示。

在成形過程中，選擇成形速度為 100mm/sec。成形過程中，應(yīng)變率主要集中在飛邊處，成形速度越大，應(yīng)變率越高，底端應(yīng)力越大，如圖 12（a）（b）（c）所示。成形過程中，成形速度為200mm/sec時(shí)，應(yīng)力和應(yīng)變分布比較均勻，如圖10（b）、11（b）和12（b）所示。而且該產(chǎn)品在實(shí)際生產(chǎn)中，有內(nèi)壁折迭的問題，如圖13所示，當(dāng)成形速度為200mm/sec時(shí)內(nèi)壁折迭為 0.99mm，如圖 11（b）所示；當(dāng)成形速度為350mm/sec時(shí)，內(nèi)壁折迭為1.06mm，如圖11（c）所示。當(dāng)速度在200mm/sec內(nèi)壁的折疊會(huì)減弱一些。根據(jù)生產(chǎn)需求和分析結(jié)果，內(nèi)管成形時(shí)建模選擇成形速度為 200mm/sec。

圖10 不同成形速度應(yīng)變結(jié)果

圖11 不同成形速度頂部應(yīng)力結(jié)果

圖12 不同成形速度底部應(yīng)力結(jié)果

圖13 實(shí)際生產(chǎn)的內(nèi)管產(chǎn)生內(nèi)壁折迭問題

1.5 模具的溫度的設(shè)置

模具鍛造的初始溫度，對(duì)內(nèi)管成形和模具的損傷程度的結(jié)果影響較大。設(shè)置上模溫度30℃和下模溫度250℃分析工況和上下模溫度同時(shí)為 380℃分析工況。當(dāng)上下模溫度都為380℃時(shí)，高溫等溫模擬結(jié)果顯示，應(yīng)變較大，但是材料流動(dòng)性和充型能力較好，如圖14（b）和15（b）所示。而且等溫建模分析時(shí)，材料的應(yīng)變特性和應(yīng)力分布和實(shí)際鍛造中材料的流動(dòng)特性更為一致。根據(jù)生產(chǎn)需求和分析結(jié)果，內(nèi)管成形時(shí)建模選擇上下模具溫度為380℃。

圖14 不同模具溫度應(yīng)變結(jié)果

圖15 不同模具溫度應(yīng)力結(jié)果

1.6 中心定位桿尺寸的選擇

根據(jù)內(nèi)管內(nèi)徑終鍛成形尺寸為?17.5mm，如圖1所示。本次仿真模擬設(shè)置中心定位桿分別為?17.5mm和?16.5mm進(jìn)行仿真。比較模型分析的應(yīng)力結(jié)果，說明?16.5比?17.5mm時(shí)，在內(nèi)管內(nèi)壁處的應(yīng)力小，對(duì)內(nèi)管的損傷比較少，如圖16（a）所示； 而且中心定位桿直徑大，材料流動(dòng)性差，中心定位桿?16.5mm，坯料和模具之間有一定的空間有助于金屬流動(dòng)連續(xù)性，內(nèi)壁處的應(yīng)力分界面偏上，應(yīng)力分界面的應(yīng)力值較小，減少內(nèi)壁折迭問題的產(chǎn)生，如圖16所示。

圖16 不同中心定位桿尺寸應(yīng)力結(jié)果

2 仿真建模方案

綜合分析所有對(duì)建模分析影響因素，最終選擇的建模工藝參數(shù)見表4，基于DEFORM-3D的仿真模型，如圖17所示。仿真模型提交計(jì)算，得到內(nèi)管鍛造成形結(jié)果，如圖18所示。

表4 建模參數(shù)

圖17 內(nèi)管的仿真模型

圖18 內(nèi)管的仿真成形結(jié)果

3 結(jié)論

通過對(duì)于內(nèi)管成形模擬參數(shù)對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果和實(shí)際鍛造結(jié)果比較，可以得出在仿真建模時(shí)，成形參數(shù)的選擇非常關(guān)鍵：

（1）熱傳導(dǎo)系數(shù)和模具溫度的選擇會(huì)對(duì)坯料成形的邊界和材料成形的應(yīng)變、流動(dòng)有一定影響，所以模擬時(shí)要明確生產(chǎn)溫度和工況，并用于指導(dǎo)生產(chǎn)。

（2）成形摩擦數(shù)稍大，成形結(jié)果較好，但是要考慮到摩擦過大，成形困難，對(duì)模具的損傷要大，所以要根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的工況選擇合理的摩擦系數(shù)。

（3）網(wǎng)格的數(shù)量和細(xì)化程度會(huì)直接影響計(jì)算機(jī)模擬的效果，在計(jì)算量允許的范圍內(nèi)，網(wǎng)格越多模擬相對(duì)越真實(shí)。

（4）成形速度要根據(jù)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)來選擇，成形速度過大或過小，都會(huì)導(dǎo)致成形效果不佳；如本例中，最初根據(jù)生產(chǎn)的成形速度為200mm/sec，但是模擬速度設(shè)為350mm/sec時(shí)，關(guān)注部位內(nèi)壁的折疊相對(duì)比較小，所以建議實(shí)際生產(chǎn)中增大成形速度。

（5）中心定位桿尺寸適當(dāng)減小，材料流動(dòng)性能變好，鍛件靠近中心定位桿的應(yīng)力減小，有助于減小對(duì)中心定位桿的損傷，降低生產(chǎn)成本。本例最初中心定位桿尺寸為?17.5mm，建議建模和實(shí)際生產(chǎn)中，適度調(diào)小中心定位桿尺寸。

[1] 黎運(yùn)宇.基于DEFROM-3D的凸輪等溫鍛造工藝數(shù)值模擬[J].熱加工工藝,2017,46（19）:136-138.

[2] Satisha G D,Singhb N K, Ohdarb R K. Perform optimization of pad section of front axle beam using DEFORM [J].Journal of Materials Processing Technology,2008,203:102-106.

[3] 張少杰,王明福,王志偉.基于 DEFROM-3D 的花鍵成形分析[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2011,165（2）:57-59,61.

[4] 劉陶,龍思遠(yuǎn).基于DEFROM-3D的鋁合金筒形件旋壓成形過程數(shù)值模擬[J].特種鑄造機(jī)有色合金,2010,30（6）:508-511.