板式制動(dòng)器松閘扳手扁管成形工藝的仿真分析

張?jiān)? 李健 苗明達(dá)

摘要：為了對(duì)圓管在不同模具進(jìn)給速度下的壓扁成形情況進(jìn)行總結(jié)和預(yù)測(cè)，基ABAQUS有限元軟件對(duì)板式制動(dòng)器松閘扳手扁管成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了有限元模型的正確性，以此為基礎(chǔ)，分析了不同模具進(jìn)給速度以及采用低熔點(diǎn)合金芯軸對(duì)扁管成形效果的影響.研究結(jié)果表明：模具進(jìn)給速度越大，管件中間直線部分向內(nèi)凹陷的程度越大；添加低熔點(diǎn)合金芯軸后，可以減小圓管壓扁成形后的截面畸變.通過分析得到了扁管成形的變形規(guī)律，為合理設(shè)計(jì)扁管成形工藝提供了有益的參考。

關(guān)鍵詞：松閘扳手；扁管；ABAQUS；數(shù)值模擬；芯軸

0引言

當(dāng)停電或電梯出現(xiàn)故障時(shí)，乘客會(huì)困在轎廂中，若轎廂沒停留在平層位置，則無法打開轎廂門救出被困乘客，因此需要對(duì)曳引機(jī)上的制動(dòng)器進(jìn)行手動(dòng)松閘，并利用盤車裝置轉(zhuǎn)動(dòng)曳引輪將電梯運(yùn)行至平層位置，放出乘客，制動(dòng)器手動(dòng)松閘扳手由六方扳手和套管組成，目前制動(dòng)器手動(dòng)松閘扳手通常采用先將套管壓扁，后與六方扳手焊接的工藝方法，因此，套管壓扁成形的合理性將直接影響到后續(xù)六方扳手與扁管焊接的質(zhì)量以及零部件的整體質(zhì)量.由于扁管成形工藝較復(fù)雜，單獨(dú)采用實(shí)驗(yàn)或理論方法無法準(zhǔn)確高效的解決實(shí)際問題，隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法已廣泛用于扁管成形的研究：Zhang等利用仿真及理論方法研究了圓鋼管連續(xù)校直過程截面的最大扁化量及壁厚變化規(guī)律，并對(duì)理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，田夢(mèng)蕓等對(duì)圓管壓扁成形過程進(jìn)行了仿真分析，分析、預(yù)測(cè)了起皺和破裂等缺陷，并運(yùn)用數(shù)值模擬方法研究了芯軸對(duì)管件截面畸變的影響.Nasr等將銅圓管壓扁為不同截面尺寸的扁管，并借助實(shí)驗(yàn)及理論方法研究了扁管的傳熱及壓降特性，研究結(jié)果表明：扁管截面高度越小，傳熱系數(shù)及壓降越大.Abbas等利用實(shí)驗(yàn)及理論方法研究了圓管在特定模具內(nèi)扁化成形過程，探討了圓管壁厚、直徑大小等參數(shù)對(duì)成形性能的影響，并通過理論計(jì)算進(jìn)行了驗(yàn)證。

影響管件壓扁成形效果的因素有：模具與管材間的摩擦系數(shù)、壓扁過程中管件的加熱溫度、管件材料是否進(jìn)行熱處理等，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)上述影響成形的因素已經(jīng)進(jìn)行了廣泛地研究.劉芷麗等采用仿真分析方法，研究了圓管壓扁過程中截面扁化的原因，探討了摩擦系數(shù)對(duì)扁管成形效果的影響，研究結(jié)果表明：模具與管材間摩擦系數(shù)對(duì)管件截面畸變的影響不顯著.Li等運(yùn)用數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)方法研究了內(nèi)部含溝槽的圓管壓扁過程，探討了不同加熱溫度對(duì)扁管成形效果的影響，研究結(jié)果表明：管件加熱溫度為130℃時(shí)，扁管截面未出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象.鄧大祥將硬態(tài)紫銅圓管進(jìn)行退火處理，退火后變成軟態(tài)，并利用實(shí)驗(yàn)方法研究了內(nèi)部含微溝槽的圓管壓扁過程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：硬態(tài)溝槽管壓扁過程中截面出現(xiàn)中間“一次塌陷”、“二次塌陷”等截面畸變，軟態(tài)溝槽管壓扁變形較為均勻，無中間折痕和“二次塌陷”出現(xiàn)

雖然國內(nèi)外學(xué)者利用數(shù)值模擬方法對(duì)管件壓扁成形工藝進(jìn)行了廣泛研究，但是，針對(duì)制動(dòng)器松閘扳手扁管成形工藝，探討不同模具進(jìn)給速度及采用低熔點(diǎn)合金芯軸對(duì)管件成形效果影響的研究成果相對(duì)較少，并且由于管件壓扁變形規(guī)律的經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累相對(duì)較少，給扁管成形的工藝設(shè)計(jì)帶來一定的困難。

本文根據(jù)某板式制動(dòng)器松閘扳手扁管成形的工藝要求，扁管成形后的關(guān)鍵尺寸包括理論長軸尺寸35mm以及理論短軸尺寸18mm，松閘扳手組件及套管壓扁最終尺寸如圖1所示，由于扁管成形工藝的質(zhì)量對(duì)后續(xù)六方扳手與扁管焊接的質(zhì)量有直接影響，因此對(duì)管件的壓扁成形工藝進(jìn)行研究顯得尤為重要.

套管的壓扁成形工藝采用下模固定，上模向下連續(xù)加載的方法，其模具結(jié)構(gòu)如圖2所示，壓扁時(shí)管件通過擋板定位，并置于下模中心位置，借助YA32-100系列四柱萬能液壓機(jī)進(jìn)行管件壓扁實(shí)驗(yàn)，將液壓機(jī)的滑塊以設(shè)定的工作速度豎直向下勻速運(yùn)動(dòng)，固定安裝于上橫梁的模具直接作用在管件上，使管件壓扁成形。

為了進(jìn)行不同模具進(jìn)給速度及采用芯軸的扁管成形過程的數(shù)值模擬，需要先驗(yàn)證簡單管件壓扁成形建模的正確性與數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性，為此，本文通過數(shù)值模擬方法對(duì)壓扁成形管件的壁厚分布、截面扁化情況以及截面尺寸進(jìn)行研究。

為了對(duì)圓管在不同模具進(jìn)給速度下的成形情況及變形規(guī)律進(jìn)行總結(jié)和預(yù)測(cè)，并分析添加芯軸管件的塑性變形特征，本文借助ABAQUS有限元軟件，首先建立板式制動(dòng)器松閘扳手扁管成形所需的有限元模型，隨后，對(duì)壓扁成形過程進(jìn)行仿真分析，通過對(duì)比仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了仿真分析模型的正確性，以此為基礎(chǔ)，基于有限元軟件，探討了不同模具進(jìn)給速度對(duì)管件截面畸變的影響，最后，對(duì)采用低熔點(diǎn)合金芯軸壓扁成形管件的成形效果及截面畸變情況進(jìn)行研究。

扁管成形工藝是松閘扳手組件制造的核心工藝，直接關(guān)系到后續(xù)六方扳手與扁管焊接的質(zhì)量，因此，通過數(shù)值模擬方法進(jìn)行管件壓扁成形機(jī)理的研究，不僅能降低管件壓扁成形工藝的開發(fā)成本及試驗(yàn)費(fèi)用，而且對(duì)提高管件的成形性能，合理設(shè)計(jì)管件壓扁成形工藝有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1扁管成形工藝的數(shù)值模擬

1.1有限元模型建立

根據(jù)實(shí)驗(yàn)中所用管件，仿真分析時(shí)采用3.5mm壁厚，28 mm外徑的圓管，管件初始長度為515 mm，管件材料為Q235鋼，其力學(xué)參數(shù)為：屈服極限——235 MPa，強(qiáng)度極限——375 MPa，彈性模量——210 GPa，泊松比——0.3，材料密度——7.85 g/cm3.上模及下模設(shè)為剛體，利用接觸對(duì)算法進(jìn)行接觸模擬：選擇與管件接觸的模具端面為主面，管件外表面為從面，各個(gè)接觸面的相對(duì)滑動(dòng)為有限滑移，接觸屬性定義為接觸面之間的切向作用，選擇罰函數(shù)摩擦模型作為模型摩擦的定義，模具與管件間的摩擦系數(shù)設(shè)為0.25.整體裝配模型如圖3所示，各零件均采用六面體單元?jiǎng)澐?，模型的網(wǎng)格單元總數(shù)為22 890個(gè)，在ABAQUS軟件的材料設(shè)置中，需要定義塑性變形材料的真實(shí)應(yīng)力與真實(shí)應(yīng)變的關(guān)系.Q235鋼材料的塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系參照田芳測(cè)得的真實(shí)應(yīng)力與真實(shí)應(yīng)變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)。

1.2成形效果分析

采用將扁管成形效果及壁厚分布數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比的方法，來驗(yàn)證有限元模型的正確性.首先將扁管成形的成形效果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示，將管件變形區(qū)域沿圖1中A-A面剖切開，從圖中可以看出，仿真分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較吻合。

由于進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，管件壁厚較薄處在變形與未變形圓弧過渡區(qū)域，且未變形區(qū)域壁厚沒有變化，因此，對(duì)扁管進(jìn)行壁厚分析時(shí)，只需要對(duì)管件變形區(qū)域的橫截面進(jìn)行測(cè)量即可.在軸向方向：利用電火花線切割機(jī)將扁管沿圖1中A-A面切割，在徑向方向，在管件變形與未變形連接的位置沿徑向切割.測(cè)量管件壁厚數(shù)據(jù)時(shí)，在軸向方向，從左到右，在壓扁變形區(qū)域，每間隔44 mm采集一點(diǎn)，采集4點(diǎn)；在變形與未變形圓弧過渡區(qū)域，采集3點(diǎn)，壓扁成形管件的剖切圖如圖5所示。

為了更加直觀地將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，將扁管沿A-A對(duì)稱面軸向壁厚的仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示.從表中可以看出，仿真模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果十分吻合，誤差都控制在5%以內(nèi)，通過對(duì)比管件壓扁的成形質(zhì)量與變形尺寸，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的正確性。

2模具進(jìn)給速度對(duì)扁管成形質(zhì)量影響

為了研究不同模具進(jìn)給速度對(duì)扁管成形質(zhì)量的影響，為合理設(shè)計(jì)管件壓扁成形工藝提供有益參考，需要對(duì)不同進(jìn)給速度下管件壓扁過程進(jìn)行數(shù)值模擬.圖6為不同模具進(jìn)給速度下扁管的成形效果，從圖6可以明顯看出，模具進(jìn)給速度越大，管件中間直線部分向內(nèi)凹陷的程度越大，當(dāng)p>100mm/s時(shí)，管件中間直線部分向內(nèi)凹陷較嚴(yán)重，截面發(fā)生畸變，這是由于在壓扁成形中，管件中間直線部分由圓形變?yōu)橹本€形，外壁受周向壓應(yīng)力，內(nèi)壁受周向拉應(yīng)力，而圓弧部分曲率逐漸變小，其外壁受周向拉應(yīng)力，內(nèi)壁受周向壓應(yīng)力，管件內(nèi)外壁金屬受力不均勻，導(dǎo)致截面發(fā)生畸變，這與劉芷麗等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析一致，因此，過大的模具進(jìn)給速度對(duì)管件中間直線部分向內(nèi)凹陷程度有一定的影響.當(dāng)10為了進(jìn)一步研究模具進(jìn)給速度的變化對(duì)管件壓扁成形性能的影響，需要了解管件截面扁化畸變的情況，測(cè)量不同模具進(jìn)給速度下變形管件長軸以及短軸尺寸，并與理論長軸及短軸尺寸進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出差值，若測(cè)量的短軸和長軸尺寸比理論短軸及長軸尺寸小，則差值為負(fù)，若測(cè)量的短軸和長軸尺寸比理論短軸及長軸尺寸大，差值為正數(shù).其中，理論長軸尺寸為35mm，理論短軸尺寸為18mm，繪制的短軸差值曲線如圖7所示，從圖中可以看出，隨著模具進(jìn)給速度的增大，短軸差值也隨之增大，當(dāng)進(jìn)給速度172mm/s時(shí)，短軸差值最大，達(dá)到了1.08mm，即最小短軸尺寸為16.92mm，管件截面畸變較嚴(yán)重。

圖8為不同模具進(jìn)給速度下的長軸差值曲線，從圖中可以看出，長軸差值整體相差不大，當(dāng)進(jìn)給速度p<172mm/s時(shí)，長軸差值較小，當(dāng)進(jìn)給速度p=172mm/s時(shí)，長軸差值突然變大，這是因?yàn)楫?dāng)進(jìn)給速度p<172 mm/s時(shí)，由于長軸尺寸均比理論長軸尺寸要小，因此差值為負(fù)，當(dāng)進(jìn)給速度p=172 mm/s時(shí)，長軸尺寸比理論長軸尺寸大，因此差值為正，而且當(dāng)進(jìn)給速度p=172 mm/s時(shí)，管件中間直線部分向內(nèi)凹陷較嚴(yán)重，截面發(fā)生畸變，由于截面塌陷現(xiàn)象最嚴(yán)重，因此短軸尺寸最小，而長軸尺寸最大，因此會(huì)出現(xiàn)長軸差值在速度為172 mm/s時(shí)突然變大的現(xiàn)象，當(dāng)進(jìn)給速度p=172 mm/s時(shí)，長軸差值最大，為0.16mm，即最大長軸尺寸為35.16mm。

模具進(jìn)給速度越小，越有利于減小金屬變形的強(qiáng)度，管件的表面質(zhì)量也越好，但是速度過小不利于松閘扳手套管的批量生產(chǎn)，因此，只有綜合考慮這兩方面的因素，才能選擇合理的進(jìn)給參數(shù)，從管件成形效果及截面尺寸分析的結(jié)果看，當(dāng)進(jìn)給速度在10～73.3 mm/s的范圍時(shí)，管件已經(jīng)能達(dá)到較好的壓扁效果。

3采用芯軸后扁管成形的數(shù)值模擬

3.1有限元模型建立

為了防止扁管成形過程中，管件截面產(chǎn)生塌陷、畸變的現(xiàn)象，采用低熔點(diǎn)合金芯軸來支撐易于塌陷的管件.由于低熔點(diǎn)合金是連續(xù)變形體，具有熔點(diǎn)低，易于裝填和取出等優(yōu)點(diǎn)，所以是理想的芯軸材料。

在眾多低熔點(diǎn)合金中，巴氏合金是應(yīng)用最為廣泛的材料，由于其顯著的減摩特性，因而被大量應(yīng)用于鋼鐵、冶金、航空航天等領(lǐng)域主軸的軸瓦、軸承或軸套中。

為了研究采用低熔點(diǎn)合金芯軸對(duì)管件壓扁成形質(zhì)量的影響，需要對(duì)添加芯軸后管件壓扁過程進(jìn)行數(shù)值模擬.管件和模具的尺寸大小、材料數(shù)據(jù)等前處理設(shè)置與不添加芯軸時(shí)扁管成形的模擬相同，添加的芯軸直徑為19 mm，長度為500mm，整體裝配模型如圖9所示，管件與芯軸的接觸設(shè)置為：由于管件和芯軸劃分的網(wǎng)格密度接近，因此選擇材料剛度較大的管件的內(nèi)表面為主面，而芯軸外表面為從面.模型均采用六面體單元?jiǎng)澐?，模型的網(wǎng)格單元總數(shù)為34 422個(gè)，巴氏合金材料的塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系參照李淑君測(cè)得的真實(shí)應(yīng)力與真實(shí)應(yīng)變關(guān)系曲線。

3.2成形效果分析

為了了解添加低熔點(diǎn)合金芯軸后，成形管件截面的畸變情況，將管件壓扁后的成形截面與理想截面進(jìn)行對(duì)比，如圖10所示，從圖中可以看出，管件中間直線部分沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的凹陷，管件壓扁后截面形狀與理想截面形狀較吻合。

為了進(jìn)一步研究添加低熔點(diǎn)合金芯軸后扁管成形的性能，并了解管件截面畸變的情況，測(cè)量變形管件長軸及短軸尺寸，并與理論長軸及短軸尺寸進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出差值，繪制的短軸差值曲線如圖11所示，從圖中可以看出，短軸差值較小，變形管件的短軸尺寸接近于理論短軸尺寸，管件截面未發(fā)生嚴(yán)重畸變.

圖12為添加芯軸管件長軸差值曲線，從圖中可以看出，長軸差值都較小，變形管件的長軸尺寸接近于理論長軸尺寸，管件截面未出現(xiàn)嚴(yán)重的扁化。

3.3添加鋁合金芯軸對(duì)扁管成形效果影響

為了研究采用不同種類芯軸對(duì)扁管成形效果的影響，對(duì)添加1060鋁合金芯軸后管件壓扁過程進(jìn)行數(shù)值模擬.管件、芯軸和模具的尺寸大小、接觸定義等前處理設(shè)置與添加低熔點(diǎn)合金芯軸時(shí)扁管成形的模擬相同，1060鋁的各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)參考王快社等測(cè)得的材料屬性，其彈性模量為69.37 GPa，密度為2.77 g/cm，泊松比為0.33.1060鋁材料的塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系參照Fang等測(cè)得的真實(shí)應(yīng)力與真實(shí)應(yīng)變關(guān)系曲線。

圖13為不同種類芯軸下扁管的成形效果，從圖中可以看出，管件的壓扁成形效果差別不大，管件中間直線部分沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的凹陷，管件壓扁后截面形狀與理想截面形狀較吻合。

為了更加直觀地將添加鋁合金芯軸扁管成形結(jié)果與添加低熔點(diǎn)合金芯軸扁管成形結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，測(cè)量扁管的截面尺寸，結(jié)果如表2所示，從表中可以看出，截面尺寸數(shù)據(jù)十分接近，成形效果差別不大。

上述結(jié)果表明：采用相同尺寸不同材料的剛性芯軸，扁管成形效果差別不大.在管件壓扁過程中，采用剛性芯軸來支撐管件，可以防止管件截面產(chǎn)生塌陷、畸變的現(xiàn)象，這與田夢(mèng)蕓等的結(jié)論一致.由于低熔點(diǎn)合金是連續(xù)變形體，具有熔點(diǎn)低、易于裝填和取出等優(yōu)點(diǎn)，所以是理想的芯軸材料。

4結(jié)論

1）基于ABAQUS有限元軟件，建立板式制動(dòng)器松閘扳手扁管成形的有限元模型，通過對(duì)比仿真分析數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了有限元模型的正確性。

2）利用有限元方法探討了不同模具進(jìn)給速度對(duì)扁管成形效果的影響，達(dá)到了對(duì)金屬的塑性變形情況進(jìn)行預(yù)測(cè)的目的，對(duì)提高管件的成形性能，合理設(shè)計(jì)扁管成形工藝提供了有益的參考。

3）模具進(jìn)給速度越大，管件中間直線部分向內(nèi)凹陷的程度越大，當(dāng)p>100 mm/s時(shí)，管件中間直線部分向內(nèi)凹陷較嚴(yán)重，截面發(fā)生畸變，當(dāng)10