厚壁筒節(jié)三輥單道次彎卷成形數(shù)值模擬

員海濤，仉志強(qiáng)，梁 濤，李永堂，王魯軍，皮之中

(1.太原科技大學(xué) 金屬材料成形理論與技術(shù)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024；2.泰安華魯鍛壓機(jī)床有限公司，山東 泰安 271000)

0 引言

研究板材多道次彎卷成形的前提是研究板材單道次彎卷成形，單道次彎卷成形對(duì)于彎卷成形工藝質(zhì)量研究與工序規(guī)劃控制也非常重要。預(yù)彎和卷圓是三輥水平下調(diào)式卷板機(jī)單道次彎卷成形的主要工序[1]。板材單道次彎卷成形受工作輥直徑、工作輥位移、工作輥轉(zhuǎn)速、板材厚度、板材材料特性、板材回彈等多種因素影響，達(dá)到精確彎卷成形的目標(biāo)非常困難[2-4]。

板材彎卷成形實(shí)驗(yàn)很難展開，使用有限元仿真對(duì)研究彎卷成形有著巨大的便利性，其在板材彈塑性成形領(lǐng)域是一個(gè)不可缺少的工具[5]。動(dòng)態(tài)顯式有限元法與靜態(tài)隱式有限元法對(duì)解決板材彎曲成形過程中產(chǎn)生的強(qiáng)非線性變形問題、板材變形回彈問題非常有效，本文采用有限元Explicit顯式算法模擬板材三輥連續(xù)彎卷成形動(dòng)態(tài)過程，分析影響厚壁筒節(jié)單道次彎卷成形質(zhì)量的工藝參數(shù)和關(guān)鍵因素。

1 單道次彎卷成形工藝

1.1 水平下調(diào)式三輥卷板機(jī)工作原理

三輥水平下調(diào)式卷板機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，上、下工作輥和支承輥組成了三輥卷板機(jī)的工作機(jī)構(gòu)，左、右下輥可以在水平方向上調(diào)節(jié)動(dòng)作且是剛性連接，上輥可以在豎直方向上進(jìn)行調(diào)節(jié)動(dòng)作，支承輥用來提高彎曲剛度，三輥都可進(jìn)行順時(shí)針、逆時(shí)針調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 三輥水平下調(diào)式卷板機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 單道次彎卷成形工藝過程分析

板材彎卷前、后的形狀及成形后縱向的曲率分布如圖2所示。分析圖2有：

(1) 如圖2(a)所示，將彎厚板材分為A～G六部分，如圖2(c)所示，板材成形后A～G部分縱向曲率分布曲線是對(duì)稱的，可以看出在A點(diǎn)附近的曲率出現(xiàn)明顯的連續(xù)曲線波動(dòng)，B點(diǎn)與F點(diǎn)為峰值，這是由于三輥卷板機(jī)在結(jié)構(gòu)上上工作輥比其他工作輥直徑大造成的。

圖2 板材彎卷前、后的形狀及成形后縱向的曲率分布

(2)AB、FG段曲率一致為0，B″-C-D-E-F″段曲率一致，為目標(biāo)曲率。

厚板筒節(jié)單道次彎卷成形工藝流程和工作輥位移規(guī)劃分為9個(gè)階段，如圖3所示，具體分析如下：

圖3(a)為預(yù)壓彎工步開始：上工作輥向左運(yùn)動(dòng)，上工作輥中心與對(duì)稱中心線距離為e，初始工作時(shí)，上輥下壓時(shí)可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)不受約束而下輥則不能，此時(shí)板材位置如圖所示。

圖3(b)為預(yù)壓滾工步開始：預(yù)壓彎初始上輥下壓，上輥直徑大，造成預(yù)壓彎結(jié)束為板材不對(duì)稱壓彎成形。此時(shí)預(yù)壓滾工步開始，上輥向上運(yùn)動(dòng)且順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，至圖3(c)預(yù)壓滾結(jié)束，此時(shí)板材位置如圖所示。

圖3(d)為對(duì)稱邊預(yù)壓彎工步開始：此時(shí)工作輥情況與位置與圖3(a)工序中工作輥對(duì)稱分布，此時(shí)板材位置如圖所示。

圖3(e)為對(duì)稱邊預(yù)壓滾工步開始：此時(shí)工作輥情況與位置與圖3(b)工序中工作輥對(duì)稱分布，圖3(f)為對(duì)稱邊預(yù)壓滾結(jié)束，此時(shí)板材位置如圖所示。

圖3(g)為板材卷圓滾彎工序開始：與預(yù)彎工序不同的是上工作輥反向逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)板材位置如圖所示。

圖3(h)為板材卷圓滾彎工序結(jié)束：與預(yù)彎工序不同的是上工作輥反向逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)且向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)板材位置如圖所示。

圖3(i)為板材彎卷成形工序結(jié)束：板材對(duì)接面貼合良好，板材位置如圖所示。

圖3 厚板彎卷成形工藝過程

2 三輥彎卷成形有限元建模

2.1 材料特性參數(shù)

為了了解板材在不同受力情況下的變形情況，選取長(zhǎng)×寬×高為15 000 mm×2 500 mm×220 mm的Q235鋼進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，得到真實(shí)材料應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖4所示。

圖4 拉伸試驗(yàn)得到的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.2 有限元建模

圖5為使用ABAQUS軟件建立的重型三輥水平下調(diào)式卷板機(jī)的仿真三維模型，上、下輥直徑分別為Φ1 400 mm、Φ850 mm，兩下工作輥中心距為850 mm。

圖5 三輥卷板機(jī)三維網(wǎng)格模型

由于工作輥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、相對(duì)滑動(dòng)量大， 為避免計(jì)算復(fù)雜及接觸力影響，設(shè)置工作輥屬性為Analytical rigid，接觸為finte sliding，對(duì)三維模型進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格質(zhì)量良好。分析彎卷板材受力后，設(shè)置上工作輥摩擦因數(shù)比下工作輥摩擦因數(shù)大，使用ABAQUS顯式積分法對(duì)其進(jìn)行仿真。

2.3 動(dòng)作步規(guī)劃與輥速度算法

對(duì)厚板彎卷成形預(yù)彎、卷圓兩道工序分為12個(gè)工作步進(jìn)行仿真模擬，其中動(dòng)作步1～8為預(yù)彎工序，動(dòng)作步9～12為卷圓工序，對(duì)各動(dòng)作步分析如下：

(1) 預(yù)壓彎工步開始：上輥以ω1上旋轉(zhuǎn)并以速度v1上緩緩壓下，下輥不轉(zhuǎn)動(dòng)(ω1下=0)，工作輥動(dòng)作如圖3(a)→圖3(b)所示。

(2) 預(yù)壓滾工步開始(預(yù)壓彎工步結(jié)束)：下輥?zhàn)杂赊D(zhuǎn)動(dòng)(ω2下)，上輥以ω2上順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)并以v2上向上移動(dòng)，工作輥動(dòng)作如圖3(b)→圖3(c)所示。

(3) 預(yù)壓滾工步結(jié)束：下輥無轉(zhuǎn)動(dòng)(ω3下=0)，上輥無轉(zhuǎn)動(dòng)(ω3上=0)，但以速度v3上上升。

(4) 上輥無移動(dòng)(v4上=0)，但上輥?zhàn)杂赊D(zhuǎn)動(dòng)(ω4上)，下輥以速度v4下右右移。

(5) 上、下輥無移動(dòng)，上輥?zhàn)杂赊D(zhuǎn)動(dòng)(ω5上)，下輥以速度ω5下旋轉(zhuǎn)。

(6) 上輥無移動(dòng)(v6上=0)，上輥?zhàn)杂赊D(zhuǎn)動(dòng)(ω6上)，下輥以速度v6下右右移，工作輥動(dòng)作如圖3(d)所示。

(7) 對(duì)稱邊預(yù)壓彎開始：下輥無移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)(ω7下=0)，上輥?zhàn)杂尚D(zhuǎn)(ω7上)并以速度v7上壓下，工作輥動(dòng)作如圖3(d)→圖3(e)所示。

(8) 對(duì)稱邊預(yù)壓滾開始(對(duì)稱邊預(yù)壓彎結(jié)束)：下輥無移動(dòng)并自由轉(zhuǎn)動(dòng)(ω8下)，上輥以ω8上逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)且以速度v8上上移。工作輥動(dòng)作如圖3(e)→圖3(f)所示。

(9) 對(duì)稱邊預(yù)壓滾結(jié)束:下輥無轉(zhuǎn)動(dòng)、上輥無移動(dòng)(ω9下=0，v9上=0)，上輥?zhàn)杂赊D(zhuǎn)動(dòng)(ω9上)，下輥以速度v9下右右移。

(10) 滾彎工序開始:下輥無移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)(ω10下=0)，上輥以ω10上旋轉(zhuǎn)并以速度v10上壓下,工作輥動(dòng)作如圖3(g)所示。

(11) 滾彎工序結(jié)束(滾壓彎復(fù)合工序開始)：上、下輥均無移動(dòng)(v11上=0，v11下=0)，下輥?zhàn)杂赊D(zhuǎn)動(dòng)(ω11下)，上輥以ω11上旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)板材，工作輥動(dòng)作如圖3(h)→圖3(i)所示。

(12) 滾壓彎復(fù)合工序結(jié)束：下輥無移動(dòng)并自由轉(zhuǎn)動(dòng)(ω12下)，上輥以ω12上旋轉(zhuǎn)并以速度ω12上恒速下降，工作輥動(dòng)作如圖3(i)所示。

3 單道次彎卷成形仿真結(jié)果分析

使用ABAQUS軟件對(duì)厚板彎卷成形預(yù)彎、卷圓兩道工序12個(gè)工作步進(jìn)行仿真模擬,仿真結(jié)果如圖6(a)～圖6(m)所示。

圖6 三輥彎卷成形模擬仿真工藝過程

圖7為彎卷成形的三維卷筒形狀仿真結(jié)果，板材對(duì)接面的對(duì)接精度較高，徑向?qū)恿己?，軸向?qū)由杂衅?。從工序角度來說：因?yàn)樵趯?duì)稱邊預(yù)壓、滾彎等工序銜接時(shí)，板材容易發(fā)生軸向、徑向移動(dòng)，從而使得板材定位和成形質(zhì)量受到影響，所以在彎卷成形工序前后要精確控制板材的定位，防止錯(cuò)位。從另外一個(gè)角度來講：出現(xiàn)對(duì)正偏差和軸向、徑向錯(cuò)位情況很難避免，因?yàn)榘宀牟牧咸匦?、板材回彈影響及工作輥?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的不統(tǒng)一性，導(dǎo)致厚壁筒節(jié)對(duì)接精度低。

圖7 經(jīng)彎卷成形的三維卷筒形狀仿真結(jié)果

4 結(jié)論

采用ABAQUS對(duì)厚板三輥單道次彎卷成形工藝進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真，結(jié)果顯示，選擇合適的工藝參數(shù)能夠較好實(shí)現(xiàn)厚壁筒節(jié)單道次彎卷成形，另外，在上、下輥水平相對(duì)位置調(diào)整動(dòng)作完成后，需要對(duì)板材嚴(yán)格定位，以保障筒節(jié)彎卷成形質(zhì)量。