模擬旋壓的數(shù)值仿真方法

2013-06-14 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

旋壓加工技術(shù)是一種節(jié)能優(yōu)質(zhì)的先進加工工藝,具有節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點,但是由于加工工藝復(fù)雜,目前在工業(yè)制造中還沒有普遍運用。特別是GF6輸出支架殼體這類具有復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)的旋壓工藝技術(shù),目前沒有詳細的資料,被歐美等一些企業(yè)所壟斷,這對于我國自行研發(fā)該產(chǎn)品的系列具有一定的困難。因此有必要提出一種關(guān)于旋壓加工虛擬仿真方法以減少該產(chǎn)品研發(fā)周期和成本。盡管有限元模擬仿真技術(shù)已經(jīng)在冷加工成型方面得到了廣泛的應(yīng)用,但是與旋壓有關(guān)的有限元模擬仿真報道很少,特別是本文所討論的具有內(nèi)花鍵的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的模擬仿真還未見報道。本文在旋壓加工技術(shù)三維模擬仿真的基礎(chǔ)上,提出一種簡易的數(shù)值仿真方法。

1 旋壓加工的有限元模型

旋壓加工過程是一個強非線性、大變形的金屬塑性加工過程。筆者曾運用Mar。軟件進行該產(chǎn)品三維模型的強力旋壓加工模擬,但是對于一個運用三維實體單元模擬旋壓過程中的強非線性接觸問題,劃分單元數(shù)達到數(shù)萬個以上,計算時間很長,每次計算要持續(xù)幾十天時間。而且對計算機的配置要求非常高,可知數(shù)值模擬耗費的代價很高,因此有必要尋找一種較為簡便的模擬方法。根據(jù)文獻,采用平面應(yīng)變的方法近似模擬旋壓加工過程。再根據(jù)實際觀察旋壓加工過程和三維有限元模擬計算結(jié)果可知,旋轉(zhuǎn)加工的過程,如果忽略加工毛坯旋轉(zhuǎn)加工產(chǎn)生的偏斜率,那么觀察毛坯件在沿縱向變形的情況,將是由旋輪對毛坯件產(chǎn)生的向下壓力和沿縱向的推力。當用平面應(yīng)變問題來近似模擬時,滾輪單純對毛坯件沿縱向截面所產(chǎn)生的作用一面向下壓,一面沿縱向推進的加工過程。具體建立有限元模型方法如下。

采用 ABAQUS軟件Expcilit模塊,由于只關(guān)心毛坯件旋壓加工中變形情況,將下模和旋壓的滾輪設(shè)定為剛體,毛坯為變形體,按照實際加工進給路線設(shè)計出剛體滾輪的前進路線。由于旋壓零件關(guān)于上下對稱,因此只考慮其上半部分具體模型,見圖1所示。其中,節(jié)點總數(shù)1039,剛性線性單元280個,可變形平面單元918個。滾輪與毛坯、下模與毛坯的接觸面根據(jù)實際情況進行定義。

模擬旋壓的數(shù)值仿真方法cfd分析案例圖片1

加工的毛坯材料分別考慮兩種材料,即所提供的冷軋鋼材和經(jīng)過熱處理后的材料。由于模擬仿真需要用到材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,因此首先將不同的材料在廣州材料研究所做實驗,得到相應(yīng)的曲線[8]。然后對兩種不同材料狀態(tài)以及不同形狀的加工毛坯進行旋壓加工模擬,每次計算時間需要5239min。表1給出的是廣州材料研究所所做的材料試驗結(jié)果。

模擬旋壓的數(shù)值仿真方法cfd技術(shù)圖片2

2 計算結(jié)果

計算步驟模擬實際加工情況。首先考慮毛坯件的形狀為圓片,給出在不同材料和不同加工毛坯的幾何形狀下,加工件內(nèi)表面的等效應(yīng)力分布情況。

2.1 冷軋材料做模擬旋壓加工時計算

對于冷軋材料做模擬旋壓加工時的計算,其工件內(nèi)表面等效應(yīng)力分布情況見圖2所示。在零件的端部和花鍵成形的末端應(yīng)力較大,其vonMises等效應(yīng)力>5OOMPa。

模擬旋壓的數(shù)值仿真方法cfd技術(shù)圖片3

2.2 退火材料做模擬旋壓加工時計算

對于經(jīng)過熱處理材料做模擬旋壓加工時計算工件內(nèi)表面等效應(yīng)力分布情況見圖3所示。

模擬旋壓的數(shù)值仿真方法cfd技術(shù)圖片4

其應(yīng)力分布情況與第一種工況基本相同,其中VonMises等效應(yīng)力<50OMPa。

2.3 考慮碗狀毛坯件為退火材料的應(yīng)力分布情況根據(jù)文獻,將毛坯件做成變截面碗狀,其等效應(yīng)力在工件內(nèi)表面分布情況見圖4所示?？梢姂?yīng)力分布情況與前兩種工況完全不同,在內(nèi)花鍵成形部分的應(yīng)力較小,最大應(yīng)力發(fā)生在工件根部,最大的vonMises等效應(yīng)力值<400MPa。

模擬旋壓的數(shù)值仿真方法cfd技術(shù)圖片5

3 討論

根據(jù)材料拉伸試驗結(jié)果可知,經(jīng)過退火處理后的材料與原材料相比,屈服極限沒有變化,但是強度極限變小,伸長率增加,截面收縮率增加。

經(jīng)過退火處理后的材料與原材料毛坯模擬旋壓計算結(jié)果相比,前者在旋壓工件上下表面的應(yīng)力比未加工的材料要小。由此可以看出,經(jīng)過退火處理后,材料進行旋壓加工的質(zhì)量要高。

根據(jù)計算所得到的旋壓件應(yīng)力分布看,沿零件上下兩端應(yīng)力較大。實際加工過程證明了這一點,即該產(chǎn)品易出現(xiàn)掉底和內(nèi)花鍵根部開裂或齒形不飽滿現(xiàn)象。

對毛坯的形狀進行比較,可以看出用碗狀毛坯材料進行旋壓加工比對圓片狀材料加工時的應(yīng)力值要小。因此,用于這種形狀的毛坯件進行旋壓加工比用原盤形狀毛坯件易于旋壓加工,特別是在形成飽滿的內(nèi)花鍵方面成功率要高。

特別要指出的是,實際旋壓實驗結(jié)果和三維有限元模擬仿真結(jié)果都驗證了由本文提出的方法的有效性。采用本文提出的方法,可以有效地確定出所要加工的毛坯件的大小尺寸。對于全新設(shè)計的產(chǎn)品,可以運用上述方法,設(shè)計出各種不同形狀、尺寸的毛坯件,分別進行模擬仿真,看看是否能夠滿足成形要求,旋壓加工零件的應(yīng)力分布是否滿足設(shè)計要求。通過比較可以設(shè)計出合理的用于旋壓用的毛坯件。而不需要利用材料體積不變原理,計算出復(fù)雜旋壓件的體積,確定毛坯件形狀和尺寸。這樣做可以節(jié)省研發(fā)費用和縮短研發(fā)周期。

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