复合增程弹战斗部冲压过程的数值模拟

2022-11-10刘裕涛李艳飞任建荣

电子测试 2022年18期

刘裕涛，李艳飞，任建荣

（辽沈工业集团有限公司，辽宁沈阳，110045）

0 引言

随着生产产业的快速发展和持续更新，冲压领域出现了许多新技术，新工艺，新材料，新设备，促进了热冲压技术的不断改进[1]。热冲压技术是制造炮弹的主要加工方法之一，主要包括预压型、冲孔和拔伸三部分。由于热冲压技术是弹丸成型工艺中必不可少的步骤，其工作原理与工艺流程的研究对于复合增程弹战斗部生产工艺改进具有重要意义[2]。复合增程弹战斗部区别于普通榴弹战斗部，其战斗部短小且战斗部外形大部分都在前弧形部，通过Deform软件，对战斗部热冲压工艺中的冲孔过程进行仿真计算，以便于研究温度、压力和毛坯尺寸之间的关系，研究材料的冲压力和流动性能等[3]。

1 毛坯设计

1.1 战斗部结构

通过对该口径复合增程弹相关资料的研究，并结合实际炮弹尺寸和炮弹加工的要求，通过反向逆推的方式以及等体积法对炮弹坯料进行设计。复合增程弹战斗部壳体的结构简图，如图1所示。

图1 战斗部壳体结构简图

1.2 计算毛坯及冲头尺寸

1.2.1 计算毛坯尺寸

根据毛坯用料量，按照体积不变计算长度。一般假定塑性变形前物体体积等于塑性变形后物体体积，即塑性变形后物体体积不变。根据拔伸毛坯的用料重量，加上适量的消耗，按照体积不变原则计算出坯料下料的长度[4,5]。冲孔毛坯的截面积尺寸计算，见式(1)。

式中，S1为截面积，Dm为冲孔后毛坯的平均外径，dm为冲孔后毛坯的平均内径。

1.2.2 计算冲头尺寸

为使弹体药室加工余量均匀，使得冲头形状与药室底部形状相同，并且为减小定位误差，粗精加工一次完成。首先对药室精加工余量进行计算，见式(2)。

式中，Ra为拔伸后粗糙度，Ta为拔伸后表面缺陷，ta为拔伸后药室形状公差，μb为拔伸加工误差，IT为药室粗加工误差。然后对药室粗加工余量进行计算，见式(3)。

式中Ra′为冲孔后粗糙度，Ta′为冲孔后表面缺陷，ta′为冲孔后药室形状公差，μb′为冲孔加工误差，IT内为药室加工误差。根据公式(1.2)和(1.3)可以算出冲头的平均直径，见式(4)。

2 冲压仿真计算

2.1 建立几何模型

冲孔很大程度决定了热冲压毛坯质量，尤其是对于弹体毛坯壁厚差的大小。冲压和冲孔设备的壁厚影响穿孔装置的耐久性。厚度薄的情况下，凹模容易冷却，但强度低，凹模壁容易被挤压到槽内，不容易拆下模具。凹模的墙壁太厚的话就不容易降温冷却，使用寿命低，并且材料也会浪费。如图2为冲头和凹模的三维几何模型。

图2 冲头和凹模的三维几何模型

2.2 仿真计算

2.2.1 选择变量

在进行热冲压工艺过程中，毛坯的温度有一定的范围。温度过高，冲压后的高温会影响原材料的质量。以最后的冲压温度为基准，参考热冲压过程所降低的温度来给定它的初始温度。进行正确的加热要确保炮弹毛坯的内外部材料温度均衡，依次为基础来减少炮弹毛坯的烧损并且提升生产率，为了降低变形抗力，其加热温度应尽量高一些。冲压过后的毛坯的获得组织均匀，细小晶粒并且无硬化和裂纹现象。结合材料的性质和加工方式，通过计算得到了板料和模具的减薄率、成形吨位、显微组织转变、硬度、最佳保温时间、应力应变、温度变化等，从而优化了热冲压工艺参数和模具。由于对于毛坯加工生产的厂家不同，因此各单位对热冲压的温度也是不尽相同的，原材料的热冲压温度如表1所示。

表1 热冲压温度范围

通过表里数据所示，钢的熔点在1500℃左右，所以根据生产经验可以确定其范围为 1100～1180℃，在冲压仿真实验中设置了1350℃为初始温度。

2.2.2 参数设置

结合实际情况，现对几个重要的参数进行分析设置。把冲头模具设置为刚性体，冲头和模具不会发生变形，工具的运动方式主要分为两种，直线运动和旋转。本次仿真使冲头向下运动，结合实际生产，所需要的毛坯经过下料，预压型之后，进行毛坯冲压，冲压速度经过查找资料结合实际加工要求，设定速度为100mm/s。

网格的设置，如果用自身带的网格剖分程序，只能划分为四面体单元，主要是考虑网格重划分时的方便和快捷。但是也接受外部程序所生成的六面体网格。对于所有有限元数值分析，根据其原理是把所需要冲压的模型离散成很多个小六面体或者四面体，对于每个六面体或四面体的每个表面赋予一个边界条件，使其离散化更好的能达到计算过程。因此对模具的离散化网格划分是基础。网格划分的基础条件是，材料进行网格划分过后，应该可以充分体现原来的特征。Deform有两种方法，即相对网格和绝对网格的划分。本次设计对于系统的设定改为绝对值。

由于Deform只能绘制四面体网格，本次划分网格数为36265个网格，556个节点。这个网格划分的大小是根据实际坯料变形的程度和变形情况来划分的。如果有变形量特别大的区域，局部网格的划分就应该细致一点，否则在模拟过程中就会出现畸变。

边界条件的设置，主要设置对称边界、热传导面以及其它边界条件。首先把需要的面设置外部热交换，表示坯料在选中的面上都是可以导热。

3 仿真计算结果分析

3.1 金属流动的仿真结果

在冲压过程中受内外因素的影响，金属流动很不均匀。其中外部因素主要有挤压方法、外摩擦、工具形状及变形程度等。内部因素主要有合金成分、金属强度、导热性等。图3为金属流动分布过程图。

图3 金属流动分布过程图

图3中金属流动受挤压方法的影响，接触摩擦的影响，工具结构与形状的影响，金属坯料与工具温度的影响和金属强度的影响。一般情况下，采用反挤压、润滑挤压、冷挤压等方法可以使金属均匀流动。反之，用正挤压等则使金属不均匀流动。然后摩擦条件也是影响金属流动的重要条件，接触摩擦力特别是在凹模内对金属流动的影响最大。金属的坯料和工具的影响可以通过减小温差来减小影响。金属本身的变形抗力就是比较大的，因此也会产生影响。强度高的金属或者合金要比强度低的金属流动要更加均匀。

3.2 等效应力的仿真结果

由仿真计算结果可知，应力分布出现两极分布。由于是预压冲头从上而下进行预压，因此受力较大是毛坯底部，中间应力分布较为均匀几乎没有应力分布，毛坯顶部即为预压冲头接触的部位，应力分布较为明显，最大应力可达190Mpa。根据数据结合查找资料，可以得知应力分布较为合理。如图4为应力的分布图。

图4 等效应力图

从图中可以看出应力分布较为均匀，并且应力值很大，说明模具所要承受应力较大，减小对模具应力可以更好延长模具使用寿命，降低生产成本。

3.3 冲压载荷的变化

为了便于分析冲孔载荷情况，利用Deform软件生成载荷图，如图5所示，为复合增程弹战斗部毛坯冲压载荷变化图。

图5 形成应力载荷曲线

X轴为Deform软件中冲头相对毛坯运行的路程，Y轴则是毛坯冲压时所受到的载荷大小。从图中可以观察到冲头运行距离与冲压冲头所受的载荷成正比，而且在冲头刚开始受到的载荷随着温度的提升也是不断减小。与此同时，冲压成形过程中所受到的最大成形载荷随温度的提升，受到的载荷力在不断增加，载荷与冲头行程距离成正比。

3.4 温度对冲压过程的影响

为了研究炮弹毛坯温度对冲压的影响，根据初始仿真数据，做了二组不同温度下的仿真模拟，来对比温度对冲压过程的影响。本文使用了两种不同的温度进行模拟，分别为1350℃（工况一）和 1400℃（工况二）。

工况一中温度为1350℃为初始温度值，然后为了研究温度对冲压过程的影响，工况二设置为1400℃，同时其它的参数在仿真计算中都保持不变。合理的温度是确保冲压质量的要素之一，温度是通过感应加热系统加热弹体毛坯的温度，弹体的毛坯温度会影响弹体毛坯的冲压质量和成形。通过比较两组的仿真计算结果，发现冲压毛坯的流速在不同温度下变化不大。因此，说明冲压成形载荷的大小、应力和应变以及壳体坯料的金属流动方向的存在一定规律性。温度区间的合理选取，对于炮弹冲压速率和合格率有较大的提升作用，可以增加生产量，节约时间，同时，在冲头下压运动的过程中冲头两边炮弹毛坯在受到模具的约束下，炮弹毛坯向上运动。温度越高，冲头与炮弹毛坯接触面积越大，炮弹毛坯温度对炮弹毛坯冲压产生的影响就越明显，如图6是温度1400℃时的金属流动分析图。