金属无芯模的热旋压数值模拟研究

2021-05-20刘光军蔡立柱

中国金属通报 2021年4期

刘光军，蔡立柱

（1.东北大学，辽宁沈阳 110000；2.沈阳欧施盾新材料科技有限公司, 辽宁沈阳 110000）

旋压加工技术在生产薄壁金属零件上具有突出的优点，已在军用金属航空零件制造、造船、高压气瓶等领域中得到广泛应用[1]。金属旋压工艺的加工精度受旋轮运动轨迹、进给比、道次进给比等多种因素的制约[2]。金属旋压加工具有材质性能均匀、组织致密、生产率高、成本低等优点。热旋压加工可提高金属材料的性能，具有较好的应用前景[3]。当金属材质强度较高和壁厚较大时，需要采用管坯加热的热旋工艺进行收口成形。

目前实际生产过程中，改善金属旋压工艺通常要依靠经验，反复试验，才能确定合理的旋压道次、最佳的旋压轨迹等旋压参数[4]。因此,加强对金属无芯模的热旋压生产工艺的研究和实践,完善工艺流程,对成形过程和规律进行分析,显得尤为重要。本文基于ABAQUS软件平台对金属无芯模的热旋压建立了三维有限元数学模型,模拟了金属无芯模的热旋压的成形过程,分析和比较了管坯变形时各部分壁厚的变化情况，应力应变的状态，为更深入的研究和工程应用打下了基础。

1 有限元模型的建立和简化

1.1 数值模拟的工艺参数的选择

如表1所示为金属管坯和旋轮的尺寸，旋压过程中工件被工装夹紧自转，旋轮按照数控机床设定的轨迹进行加工，旋轮本身不自转，随工件旋转，选择单旋轮多道次反旋工艺对管坯进行收口。旋压过程由7个旋压道次完成。前5道次的压下行程为7mm，并沿着与金属筒体相切90mm的圆弧进行加工；第六道次压下行程为4mm道次，并沿着与筒体相切60mm的圆弧进行加工；第七道次压下行程为2mm，按照最终瓶体的加工轮廓进行加工。收口成形后管单边压下总行程为41mm。数值模拟时每道次的旋轮的运动轨迹如图1所示。数值模拟中采用的工艺参数如表2所示。

表1 金属管坯、旋轮主要尺寸

图1 旋轮每道次的运动轨迹

表2 金属无芯模的热旋压工艺参数

1.2 接触边界条件及运动关系处理

在有限元模型中没有建立模具的模型，而是通过ABAQUS/CAE软件提供的耦合约束功能，在端面中心建立一个参考点，将参考点和管坯端面进行耦合。然后对参考点施加转动载荷带动管坯进行自转。在刚体旋轮的几何中心建立局部坐标系和参考点，通过对参考点施加横向和纵向的位移载荷控制旋轮的运动。如图2所示，旋轮的起旋点距离金属坯料端面的径向距离为7mm，轴向距离13mm。

图2 热旋压的有限元模型

金属管坯为变形体，网格采用C3D8RT单元，在厚度方向划分两层单元，在反旋入口处网格划分轴向加密，减小网格畸变的可能。旋轮为解析刚体，不需要划分网格。

1.3 旋压模型简化

假定旋轮是刚体，不考虑其磨损；由于温度因素造成的化学变化情况，予以忽略；被加工的工件材料的各向同性的；不考虑金属管坯的温度变化，假定金属管坯在加工过程中是恒温的[5]。

2 模拟结果及分析

2.1 反旋收口的坯料厚度变化的分析

采用以上有限元模型，旋压温度450℃，进给比3.125mm/r，金属管坯厚度3.5mm，最后一道次压下量为2mm，进行了多道次模拟计算，模拟结果达到气瓶收口的尺寸要求。图3为旋压后工件的壁厚分布，瓶口直壁部分的厚度先增加后减小，最大的厚度为6.68mm，之后的圆角过渡区的厚度也是高于坯料的初始厚度。反旋的管坯厚度出现明显增厚现象，这主要是因为在金属无芯模的热旋压中，变形区金属材料的流动方向与旋轮运动方向相反，材料在旋轮的轴向压力的作用下伸长。

图3 气瓶最终成形壁厚分布图

2.2 应力应变

图4 三向应力应变

图4 是进给比3.125mm/r、第七道次压下量为2mm，金属旋压温度450℃的三向应力应变云图，在反旋加工过程中，圆角过渡区域和口部直壁部分径向应变以拉应变为主，所以这两个区域的坯料厚度是增加的。口部直壁切向应变主要为压应变，最大压应变为1.098，而轴向应主要为拉应变。径向应力、切向应力、轴向应力沿径向分布比较均匀，直壁部分的径向应力为压应力，切向应力和轴向应力主要为压应力。

2.3 不同温度的等效应力和等效应变分析

图5 不同变形温度的等效应力（a）400℃；（b）450℃；（c）500℃；等效应变（d）400℃；（e）450℃；（f）500℃

图5 分别是进给比3.125 mm/r、第七道次压下量为2mm的400℃、450℃、500℃的等效应力应变分布云图。如图7所示，随着变形温度的提高，旋压入口处的局部大变形越来越大，不均匀变形的部位越来越多，因此旋压温度不能过高，对工件的口部质量和旋压成形不利。

在反旋压过程中，由于材料流动困难，大部分区域仍存在较高的应力，最大应力出现在圆角过渡区域和与圆角过渡区域衔接的直壁部分。这是因为在金属无芯模的热旋压中，当旋轮进入稳定旋压阶段时，旋轮与工件的接触面积不断的增加，从而产生更大的材料流动阻力。随后，由于旋压成形的弧线与前一道次的弧线衔接，应力开始减小。

最大等效应力应变的部位预示着金属无芯模的热旋压收口裂纹、翘曲等倾向较大的部位。如图5所示，随着旋压温度的升高，最大等效应力在逐渐降低，最大等效应变在缓慢增加。这是因为，当热旋压温度达到500℃时，随着旋压过程的进行，坯料发生了动态再结晶，可以抵消相应塑性变形过程的加工硬化，使材料的变形抗力大大降低。因此，有限元模拟结果中的最大等效应力比400℃的最大等效应力明显降低是符合规律的。

2.4 不同进给比的等效应力应变分析

如图6所示，不同旋轮进给比f旋压后的等效应力应变云图。由于旋轮与毛坯之间的接触轨迹为螺旋线，当进给比较小时，各条螺旋线的重合部分比较大，而且重合部分多为已成形部分。这就意味着在每道次的旋压过程中，进给比越小，重合部分被碾压的次数越多，材料变形越严重。最大等效应变随着进给比的减小而增大。随着进给比增加，旋轮的轴向运动速度加快，螺旋线重合部分相对较小，最大等效应力变化不大。

图6 不同进给比的等效应力应变云图