蓄能器殼體翻板旋壓收口工藝數(shù)值模擬

賈軍軍，尹管彬，楊 剛，范俊明

(1.四川大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都 610065；2.成都格瑞特高壓容器有限責(zé)任公司，成都 610400)

0 引言

蓄能器是由鋼材制成的封閉壓力容器，國內(nèi)外普遍采用熱旋壓技術(shù)加工蓄能器殼體，該方法能夠消除傳統(tǒng)蓄能器焊接生產(chǎn)中強(qiáng)度降低、拉應(yīng)力集中等缺陷[1]。目前，蓄能器殼體旋壓技術(shù)已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，但是國內(nèi)外研究較多的是旋輪熱旋壓成形，對翻板旋壓成形技術(shù)研究則比較少，所以對于蓄能器殼體翻板旋壓成形，依舊采用試制的方法對工藝參數(shù)不斷摸索。由于影響翻板旋壓成形的因素較多，導(dǎo)致加工試制具有很大的不確定性，使得研發(fā)進(jìn)程緩慢、調(diào)試周期長。在試制過程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢品，大幅度增加研制成本，同時(shí)對資源也造成極大的浪費(fèi)，因此采用更科學(xué)的方法對蓄能器殼體的研制開發(fā)迫在眉睫。對于該類復(fù)雜塑性變形問題的求解，有限元法是公認(rèn)有效、科學(xué)的方法，所以對于該問題亦可進(jìn)行數(shù)值模擬研究，以優(yōu)化工藝參數(shù)，從而減少人力和資源的浪費(fèi)。本研究利用三維建模軟件SolidWorks建立蓄能器翻板旋壓收口模型，運(yùn)用有限元分析軟件DEFORM-3D對收口過程進(jìn)行模擬，研究各工藝參數(shù)對管坯收口的影響，同時(shí)對成形過程中的溫度場分布、旋壓力分析進(jìn)行研究，以期對蓄能器翻板旋壓成形的研制提供參考。

1 有限元模型的建立和關(guān)鍵問題的處理

1.1 翻板成形工藝路線

如圖1的運(yùn)動(dòng)分析所示，在蓄能器殼體的旋壓成形過程中，先將管坯成形端加熱至1 100 ℃左右，再將加熱后的管坯放入旋壓機(jī)中旋壓成形。成形過程中，夾具帶動(dòng)管坯做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其角速度為ω1；翻板沿翻板旋轉(zhuǎn)軸以角速度ω2逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，翻板成形面與管坯成形端的擠壓，使得成形端產(chǎn)生較大的塑性變形，從而完成蓄能器殼體的收口成形。實(shí)際試制的殼體如圖2所示。

圖1 翻板旋壓運(yùn)動(dòng)分析Fig.1 Motion analysis diagram of turning plate spinning

圖2 蓄能器殼體產(chǎn)品Fig.2 Picture of accumulator housing product

1.2 關(guān)鍵問題的設(shè)置

DEFORM-3D前處理中無法直接建立三維幾何模型，但其擁有STL,UNV,PNA等接口格式[2]，可通過其他CAD軟件建模后導(dǎo)入到DEFORM-3D中。首先在SolidWorks中建模后導(dǎo)出STL格式文件，然后再導(dǎo)入到DEFORM-3D中。圖3(a)示出剛導(dǎo)入DEFORM-3D時(shí)前處理窗口中的幾何模型及相對位置，圖3(b)示出蓄能器殼體成形過程中某時(shí)刻的相對位置。取時(shí)間步長為0.1，采用四面體單元對管坯網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)為80 000，尺寸比為4，網(wǎng)格重劃分干涉深度采用相對值，其值設(shè)置為0.7。將夾具與管坯設(shè)置為不可分離，兩者之間采用剪切摩擦，摩擦系數(shù)取1，設(shè)置夾具沿其軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)管坯旋轉(zhuǎn)。翻板和管坯之間采用剪切摩擦，摩擦系數(shù)取0.3。對翻板施加轉(zhuǎn)動(dòng)載荷，使其繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)90°，從而實(shí)現(xiàn)翻板的進(jìn)給，即可完成蓄能器殼體收口工序。管坯長度894 mm，直徑467 mm，厚度21 mm。數(shù)值模擬時(shí)采用的工藝參數(shù)如表1所示。

(a)

表1 工藝參數(shù)Tab.1 Process parameters

1.3 材料模型

管坯采用34CrMo4氣瓶用無縫鋼管。34CrMo4鋼具有較好的抗腐蝕性能，回火脆性低，能在高強(qiáng)度下保持良好的塑韌性，是蓄能器殼體的重要選材[3]。由于DEFORM-3D自帶材料庫中沒有34CrMo4鋼，需要先建立數(shù)據(jù)庫。通過熱模擬試驗(yàn)機(jī)Gleeble-1500對34CrMo4鋼進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，得到溫度和不同應(yīng)變速率下的應(yīng)力應(yīng)變值(見圖4)。將該試驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入DEFORM-3D材料庫中，建立34CrMo4材料數(shù)據(jù)庫(見圖5)。

圖4 不同溫度下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.4 Stress-strain curve at different temperatures

圖5 34CrMo4鋼材料庫的建立Fig.5 Establishment of 34CrMo4 steel material library

2 工藝模擬研究

通過DEFORM-3D對直徑467 mm、壁厚21 mm的蓄能器殼體旋壓進(jìn)行多次模擬分析，可得到收口過程中的溫度、旋壓力等一系列數(shù)據(jù)，以及不同工藝數(shù)值對模擬結(jié)果的影響，為實(shí)際生產(chǎn)中工藝參數(shù)的選擇提供參考。

2.1 溫度場分布

最終成形時(shí)，蓄能器殼體的溫度分布如圖6所示。在殼體上選取4個(gè)點(diǎn)，觀察得到這些點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化，如圖7所示。位于殼體開始變形區(qū)、靠近夾持端的點(diǎn)4，溫度在殼體旋壓收口整個(gè)過程中不斷降低，原因是管坯夾持端未加熱，溫度很低，點(diǎn)4處熱量不斷沿管坯軸向傳向另一端，同時(shí)管坯與空氣有強(qiáng)烈的熱交換。由于與空氣的熱交換，位于殼體過渡處的點(diǎn)3溫度先降低，當(dāng)降低到一定程度時(shí)，管坯與翻板之間滑動(dòng)摩擦與滾動(dòng)摩擦產(chǎn)生的熱量大于管坯損失的熱量，使點(diǎn)3處溫度逐漸升高，當(dāng)溫度升高到一定值時(shí)，點(diǎn)3所在位置成形已完成，此后管坯與空氣發(fā)生強(qiáng)烈的熱交換，點(diǎn)3處溫度又逐漸降低。位于瓶嘴的點(diǎn)2溫度與點(diǎn)3處溫度變化規(guī)律基本一致。位于瓶嘴端部的點(diǎn)1溫度變化情況與點(diǎn)2，3基本一致，但從54 s開始直至旋壓結(jié)束，點(diǎn)1溫度均急劇降低，這是由于端部變?yōu)橐殉尚螀^(qū)，與翻板不再接觸，并不斷向空氣傳輸熱量造成的。

圖6 溫度分布云圖Fig.6 Temperature distribution nephogram

圖7 溫度變化曲線Fig.7 Temperature change curve

2.2 旋壓力分析

蓄能器殼體翻板旋壓收口時(shí)，翻板和管坯接觸區(qū)域會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的旋壓力，將翻板所受總旋壓力沿空間直角坐標(biāo)系分解為3個(gè)分力。其中，X，Y，Z方向旋壓力分別代表軸向、徑向和切向旋壓力[3-4]。在DEFORM-3D后處理中可直接導(dǎo)出各方向旋壓力隨步數(shù)變化的曲線圖(見圖8)。由圖8(a)可看出，軸向旋壓力由小變大，原因是在旋壓開始階段，翻板成形面和管坯貼合，總旋壓力方向主要指向管坯徑向，此時(shí)軸向旋壓力很小，隨著翻板的翻轉(zhuǎn)，旋壓力在軸向的分力將不斷增大。由圖8(b)可看出，徑向旋壓力由大變小、再變大，原因是剛開始成形時(shí)管坯和翻板成形面貼合，旋壓力主要以徑向旋壓力的形式存在，此時(shí)徑向旋壓力最大，隨著翻板的翻轉(zhuǎn)，旋壓力在徑向的分力逐漸減小，但當(dāng)翻板翻轉(zhuǎn)到一定程度時(shí)，由于管坯縮徑，致使收口處管坯增厚的金屬流動(dòng)，使得徑向旋壓力又有所增大。由圖8(c)可看出，切向旋壓力呈現(xiàn)先減小、后不變的趨勢，原因是成形初期管坯尚未縮徑，成形處距離管坯旋轉(zhuǎn)中心較遠(yuǎn)，由于切向阻力臂(此時(shí)為管坯半徑)較大，致使切向旋壓分力較大，隨著旋壓的進(jìn)行和管坯的半徑縮小，切向阻力臂也不斷減小，使得切向分力不斷減小，但后期由于切向金屬流動(dòng)的存在，使得切向阻力保持在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，總體大小保持不變。在旋壓力的各個(gè)分力中，切向分力>軸向分力>徑向分力。

(a)軸向旋壓力

2.3 翻板角速度模擬分析

蓄能器殼體翻板旋壓成形中，翻板進(jìn)給角速度對旋壓成形結(jié)果影響很大。進(jìn)給量設(shè)置過大影響旋壓成形過程的穩(wěn)定性，在蓄能器殼體內(nèi)表面容易引起褶皺、堆疊、裂紋等缺陷[5]，使材料在翻板前方堆積，外表面易出現(xiàn)隆起等現(xiàn)象；反之，易出現(xiàn)表面剝離現(xiàn)象,不能使變形區(qū)深入內(nèi)層[6]，故需要多次模擬，以選取合適的進(jìn)給量。

在殼體旋壓成形模擬分析中，取成形溫度為1 150 ℃，分別在0.024 2，0.015 7，0.011 6 rad/s翻板轉(zhuǎn)速下對殼體翻板旋壓成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬。當(dāng)翻板轉(zhuǎn)速為0.024 2 rad/s時(shí)，由于翻板進(jìn)給量過大，材料來不及流動(dòng)，在翻板前方堆積，隨著旋壓的進(jìn)行，翻板前方的材料堆積越來越嚴(yán)重,材料的流動(dòng)阻力越來越大，當(dāng)翻板前方的材料積累到一定量時(shí)，會(huì)在成形區(qū)發(fā)生撕裂、內(nèi)褶等現(xiàn)象[7]，導(dǎo)致收口失敗(見圖9(a))；當(dāng)翻板轉(zhuǎn)速為0.011 6 rad/s時(shí)，由于翻板進(jìn)給量過小，旋壓收口時(shí)間過長，成形溫度降低，材料變形抗力增大，材料流動(dòng)性變差，雖然模擬時(shí)能夠成功收口，但在實(shí)際生產(chǎn)中會(huì)導(dǎo)致收口外表面粗糙度增大，收口內(nèi)表面出現(xiàn)菊花狀缺陷，甚至出現(xiàn)表面剝離現(xiàn)象，導(dǎo)致殼體質(zhì)量不合格(見圖9(b))；因此，選擇0.015 7 rad/s作為蓄能器殼體翻板旋壓收口試驗(yàn)的翻板轉(zhuǎn)速(見圖9(c))。

圖9 不同翻板轉(zhuǎn)速時(shí)成形效果圖Fig.9 Forming effect diagram for different turning speeds

2.4 成形溫度模擬分析

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)可知，34CrMo4鋼的塑性隨著成形溫度的升高而顯著提高。主要原因：成形溫度越高，金屬滑移系增加，使得晶界滑動(dòng)易于進(jìn)行，原子間的結(jié)合力、晶界切變抗力變小，金屬抵抗變形的能力越差，故提高成形溫度有利于提高金屬的塑性[8-10]。

在蓄能器殼體翻板旋壓成形時(shí)，需要綜合考慮旋壓力、變形量和成形溫度之間的關(guān)系。成形溫度較高，會(huì)適當(dāng)減小旋壓力，但過高的溫度會(huì)影響管坯金屬的力學(xué)性能[11-12]，同時(shí)對燃料造成浪費(fèi)；反之，會(huì)使金屬延展性降低，變形抗力增大，導(dǎo)致旋壓力的增加，甚至造成旋壓機(jī)過載。

在殼體旋壓成形模擬分析中，取主軸角速度ω1=52.36 rad/s，翻板角速度0.015 7 rad/s，分別設(shè)置旋壓成形溫度為1 050,1 100,1 150,1 200 ℃，做4次模擬進(jìn)行對比。由模擬結(jié)果可知，當(dāng)旋壓溫度為1 200 ℃時(shí)，旋壓收口成形時(shí)局部溫度升高到1 352 ℃,會(huì)使該區(qū)域金屬晶粒粗大，極有可能降低材料的力學(xué)性能。將1 050,1 100,1 150 ℃時(shí)的模擬結(jié)果整理成如圖10所示的曲線圖，可以看出，三向分旋壓力和總旋壓力隨著成形溫度的升高而降低，軸向和徑向旋壓力變化緩慢，切向旋壓力和總旋壓力變化明顯。因此，選擇1 150 ℃作為蓄能器殼體翻板旋壓收口的成形溫度。

圖10 成形溫度對旋壓力的影響關(guān)系曲線Fig.10 Effect of forming temperature on spinning pressure

2.5 主軸轉(zhuǎn)速分析

主軸轉(zhuǎn)速隨加工件的外徑變化而變化。一般情況下，直徑越小，主軸轉(zhuǎn)速越高，旋壓成形的線速度保持在一定的可控范圍內(nèi)。主軸轉(zhuǎn)速對旋壓過程的影響不顯著，但是適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速可以改善零件表面的粗糙度，并提高生產(chǎn)效率。選擇合適的主軸轉(zhuǎn)速，相當(dāng)于單位時(shí)間內(nèi)有足量的翻板參加翻板旋壓成形，工件變形條件得以改善，保證了工件有較高的尺寸精度和表面質(zhì)量。根據(jù)610旋壓機(jī)旋壓條件和34CrMo4合金鋼的特性，選擇主軸轉(zhuǎn)速n=500 r/min,即主軸角速度ω1=52.36 rad/s。

3 蓄能器殼體的試制

根據(jù)上述分析，?467 mm×21 mm蓄能器殼體最優(yōu)工藝參數(shù)：主軸角速度為52.36 rad/s、旋壓溫度為1 150 ℃、翻板角速度為0.015 7 rad/s。利用上述工藝模擬優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行實(shí)際產(chǎn)品的試制，管坯采用34CrMo4氣瓶用無縫鋼管，直徑467 mm,厚度21 mm。蓄能器殼體成形過程中均未出現(xiàn)褶皺、堆疊、裂紋等缺陷,試制成品與模擬結(jié)果吻合，成形效果比較理想。圖11所示為同一型號(hào)蓄能器殼體，其中，圖11(a)為旋壓結(jié)束后的產(chǎn)品圖，圖11(b)為經(jīng)過擴(kuò)孔工藝后的剖視圖。

圖11 蓄能器殼體試制產(chǎn)品圖Fig.11 Picture of trial produced product of accumulator housing

4 結(jié)論

(1)在蓄能器殼體翻板旋壓成形中，切向、軸向、徑向以及總旋壓力均隨溫度的升高而降低，其中切向旋壓力和總旋壓力對溫度變化較為敏感，但當(dāng)管坯加熱溫度為1 200 ℃時(shí)，在后期旋壓過程中，會(huì)使成形區(qū)金屬晶粒粗大，降低材料力學(xué)性能，故加熱溫度不宜高于1 200 ℃，旋壓溫度選擇1 150 ℃左右為宜。

(2)在旋壓過程中，切向旋壓力呈現(xiàn)先減小、后不變的趨勢；軸向旋壓力呈現(xiàn)由小變大的趨勢；徑向分力呈現(xiàn)先減后增的趨勢。旋壓力由大到小的次序：切向旋壓力>軸向旋壓力>徑向旋壓力。

(3)模擬分析表明，旋壓成形過程中,翻板角速度太大時(shí)，容易引起褶皺、堆疊、裂紋等缺陷；翻板角速度太小時(shí)，會(huì)出現(xiàn)表面剝離現(xiàn)象，不能使變形區(qū)深入內(nèi)層，收口內(nèi)表面出現(xiàn)菊花狀缺陷。本研究條件下，翻板進(jìn)給角速度取0.015 7 rad/s為宜。

(4)采用文中工藝參數(shù)，試制產(chǎn)品內(nèi)外表面均未出現(xiàn)明顯缺陷，試制成品與模擬結(jié)果吻合,成形效果比較理想。