1、FORGING鍛造文章編號: 1672- 0121( 2008) 02- 0055- 03大型圓筒形鍛件高溫鍛造過程數(shù)值模擬許飛霞,崔振山,陳文,付強( 上海交通大學 塑性成形工程系, 上海 200030)摘要: 大型圓筒形鍛件的應用越來越廣泛, 鍛造技術及要求不斷提高。數(shù)值模擬技術是研究大型鍛件生產(chǎn)工藝最經(jīng)濟、有效的方法之一。本文結(jié)合有限元數(shù)值模擬方法對大型圓筒件高溫鍛造過程中單砧壓下量和芯軸轉(zhuǎn)動角度之間的相互關系及其對鍛件尺寸的影響進行了研究, 提出了評價鍛件質(zhì)量的新方法。關鍵詞: 機械制造; 鍛造; 大型圓筒形件; 數(shù)值模擬; 質(zhì)量中圖分類號: TG316文獻標識碼: B1 引言隨著核電

2、和石油化工技術的發(fā)展, 大尺寸圓筒形鍛件生產(chǎn)日趨升溫, 質(zhì)量和精度要求也越來越高?？招匿撳V技術應用省去了鐓粗、沖孔兩道工序, 大大提高了圓筒形鍛件的生產(chǎn)效率。日本川崎重工株式會社上世紀 60 年代開始生產(chǎn)空心鋼錠1, 而國內(nèi)對空心鋼錠生產(chǎn)技術的研究才剛起步。目前, 我國圓筒形鍛件的生產(chǎn)主要依靠經(jīng)驗, 產(chǎn)品精度保證困難。韓國 DOOSAN 用 ANSYS 對大型圓筒形鍛件鍛造過程進行模擬分析2; 日本 JSW 的室蘭研究中心對核電用蒸汽發(fā)生器等大型圓筒形鍛件的生產(chǎn)過程進行數(shù)值模擬3。清華大學的陳迎亮和馬慶賢通過云紋實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對大型筒體鍛造過程中單砧壓下率、砧寬比、錯砧角度、芯軸尺

3、寸等工藝參數(shù)對變形規(guī)律的影響進行了研究, 提出分層錯砧鍛造及其鍛造方法4; 中國工程物理研究院的周朝輝等人采用有限元方法對厚壁圓筒件的溫差拉伸工藝進行了研究, 提出了消除頸縮缺陷的解決方案5; 孫慕榮等人6和馬琳偉等人7對大型鍛件的多工步鍛造過程進行了模擬, 馬琳偉等人使用熱力耦合計算使結(jié)果更準確。但以上工作對單砧壓下量和芯軸轉(zhuǎn)動角度對圓筒形鍛件尺寸精度的影響并未進行深入研究。本文采用有限元數(shù)值模擬方法, 研究了大型圓筒形鍛件鍛造過程中單砧壓下量和芯軸轉(zhuǎn)動角度對鍛件尺寸精度的影響, 提出了評價鍛件質(zhì)量的新方法, 為生產(chǎn)圓筒形鍛件的工藝操作提供了依據(jù)。收稿日期: 2007- 12- 28作者簡介

4、: 許飛霞( 1983- ) , 女, 碩士在讀, 主攻大型鍛件鍛造成形過程數(shù)值模擬2 幾何模型大型圓筒形鍛件鍛造過程中主要考慮單砧壓下率、砧寬比、芯軸尺寸以及芯軸轉(zhuǎn)動角度等對變形過程的影響。傳統(tǒng)的經(jīng)驗是, 當砧寬一定時, 壓下量較大, 芯軸的轉(zhuǎn)動角度也較大, 反之亦然。芯軸的轉(zhuǎn)動角度, 沒有準確的范圍限定。圖 1a 所示即為圓筒鍛造模型。該模型上砧采用窄長平砧, 其有效長度大于圓筒形工件軸向的長度。l1l1hh2r2hr22rrRR( a)( b)( c)圖 1 圓筒鍛造幾何模型( a) 馬杠擴孔模型 ( b、c) 壓下量和轉(zhuǎn)動角度之間的關系模型r芯軸半徑 r內(nèi)徑該模型滿足以下條件: 沿著軸

5、向不發(fā)生變形; 工件受力均勻; 當上砧達到設定行程最大值時, 上砧與芯軸所夾的圓筒部分為主變形區(qū)域; 當壓下量未達到使上砧下表面與鍛件表面完全接觸時, 圓筒內(nèi)壁與芯軸接觸區(qū)不產(chǎn)生變形。圖 1b、c 為模型截面圖。上砧下表面與工件完全接觸時壓下的距離為:h1=R- !R2-(2l ) 2式中: l上砧寬度;R圓筒外徑。2.1壓下量h1當壓下量h 超過 h1 時 , 如圖 1c 所示 , 由條件 , 圓筒的內(nèi)壁與芯軸接觸區(qū)域產(chǎn)生變形, 此時受力方向上的上砧與芯軸間的筒形件變形量 h= h- h1。圓筒中心角 2仍由公式 sin=l/2R 得到, 2對應芯軸中心角仍為 2。由于圓筒內(nèi)壁與芯軸接觸區(qū)產(chǎn)

6、生變形, 變形過程結(jié)束后其內(nèi)壁部分形狀將與芯軸形狀一致, 此時圓筒內(nèi)徑的尺寸大小將受到芯軸半徑的影響。設此時圓筒受力的力線穿過芯軸軸心, 且變形集中在上砧與芯軸間的梯形區(qū)域, 則圓筒內(nèi)壁變形區(qū)域相對于芯軸中心的角度 2 可由 cos=( r-h)/r得到。11該幾何模型建立了單砧壓下量與芯軸轉(zhuǎn)動角度之間的數(shù)學關系 。 在保證鍛件表面連續(xù)的前提下 ,min.2, 2/ 為芯軸單步轉(zhuǎn)動最大角度。考慮生產(chǎn)效1率, 芯軸的轉(zhuǎn)動角度以接近 min.2, 20 為宜, 受到1表面尺寸精度要求的影響,角度適當減小。當小于min., min., 0 0 , 生產(chǎn)效率低下。故用 min.2,120 來表示合理的

7、轉(zhuǎn)動角度, 但要求 01。13 有限元模型下 面 通 過 有 限 元 數(shù) 值 模 擬 , 以 筒 體 尺 寸!500mm!1000mm500mm、芯軸尺寸 !200mm 為例, 進行筒體鍛件高溫鍛造成形過程模擬, 探討該幾何模型的適用性和準確性。由幾何模型得到壓下量 h1 為 23mm。當壓下量按表 1 取 20mm、40mm 和 60mm 時, 由幾何模型得出 芯軸的轉(zhuǎn)動角度 2為 96、67和 102,min ;,min., 0 0 為 17。1表 1模擬實驗設計h20mm40mm60mm0.360.450.400.520.600.600.680.750.802 期0.840.900.93

8、2008 年第1.01.01.0本文采用 DEFORM 3D 有限元軟件進行數(shù)值模擬。有限元模型如圖 2 所示。在模擬過程中, 上砧和芯軸視為剛體, 不產(chǎn)生變形, 但與工件存在熱交換。按實際生產(chǎn)情況需要轉(zhuǎn)動芯軸, 使筒體在摩擦力作用下繞芯軸中心轉(zhuǎn)動相應的角度。 DEFORM 中 不 容 易實現(xiàn)這個效果。 因此 , 模擬過程中采用芯軸固定 , 使筒體繞著芯軸中心轉(zhuǎn)動的方法來處理。4模擬結(jié)果及分析4.1 壓下量h1當壓下量為 40mm 時,由幾何模型計算結(jié)果和條件, 圓筒內(nèi)壁與芯軸接觸區(qū)域已產(chǎn)生變形。模擬結(jié)果如表 2 第二行所示。當 取 1.0 時, 鍛件的內(nèi)、外表面呈規(guī)則多邊形狀 , 不夠圓整,

9、 致使筒體的圓度不能達到精度要求 。由幾何模型可知 =1.0 時鍛造結(jié)果為正多變形 , 并且各邊相連。模擬結(jié)果顯示圓筒表面各邊不直接相連, 有圓弧過渡。這表明, 在芯軸摩擦力和上砧壓力56的共同作用下, 筒體繞芯軸中心轉(zhuǎn)動的角度大于保證圓筒表面連續(xù)的最大轉(zhuǎn)動角度 67。當壓下量為 60mm 時, 模擬結(jié)果如表 2 第三行所示。當 =0.4 時, 圓筒內(nèi)壁連續(xù)光滑, 外表面過渡較為自然; 當 =0.6 時, 圓筒表面前后兩步鍛造在靠近圓筒內(nèi)壁的變形區(qū)域有小部分重疊, 前后兩步之間的圓筒內(nèi)壁不能連續(xù)過渡; 當 0.8 時, 圓筒變形區(qū)域不連續(xù) , 內(nèi)壁圓弧有起伏 , 呈不規(guī)則形狀 ; 當 0.4

10、時, 壓下量為 20mm、40mm 和 60mm 時圓筒形鍛件的變形區(qū)域均能夠連續(xù), 并且此時的芯軸轉(zhuǎn)動角度在 3040之間 ; 當 0.4 時 , 壓下量 h1 的 60mm 圓筒變形區(qū)均不連續(xù) , 且兩者變形趨勢一致。而壓下量為 40mm 時, =0.75時其變形效果與壓下量為 20mm 時 =0.52 的變形效果相同, 比壓下量為 60mm 時 =0.6 的效果要好,圓筒的變形區(qū)較為連續(xù), 表面較為光滑。其變形量的變化幅度較小, 趨勢較為平緩, 而壓下量為 20mm 和 60mm 時變形量的變化幅度相對較大 , 趨勢較為明顯。圓筒在鍛造過程中受到上砧壓力和芯軸摩擦力的共同作用下繞著芯軸中

11、心轉(zhuǎn)動, 致使圓筒實際繞芯軸的轉(zhuǎn)動角度將大于預定的芯軸轉(zhuǎn)動角度 min 52, 26, 使得圓筒變形量的變化趨勢出現(xiàn)波動。這1表明, 在上砧寬度和芯軸直徑一定時, 單砧的壓下量和芯軸轉(zhuǎn)動角度之間的相互關系是確定的, 合理的選擇壓下量和芯軸轉(zhuǎn)動角度對鍛件質(zhì)量有極大的影響。模擬結(jié)果顯示, 當壓下量為 40mm, 芯軸轉(zhuǎn)動角度取 3040之間時, 鍛件幾何質(zhì)量較高。4.3鍛件模擬結(jié)果圖 3 所示為壓下量為 40mm 芯軸不同轉(zhuǎn)角下完成鍛造的模擬結(jié)果。由圖 3a 可以看出鍛件變形較為( a) 轉(zhuǎn)角 67( b) 轉(zhuǎn)角 30圖 3 模擬結(jié)果圖均勻, 可以用于下一步的精鍛。圖 3b 可以看出鍛件的圓度很好

12、, 壁厚較為均勻。故前者適用于粗鍛, 效率較高 ; 后者適于精鍛 , 效率較低 。 完成圖 3a 僅需10 次鍛造就可實現(xiàn), 而完成圖 3b 則需要 36 次鍛造才可以實現(xiàn), 即后者的耗時是前者的 3.6 倍。4.4模擬結(jié)果與鍛件圖的比較FORGING鍛造圖 4 所示即為模擬結(jié)果與鍛件圖的比較 , a 為鍛件模擬結(jié)果, b 為鍛件圖。從圖 4a 可以看出 , 當芯軸轉(zhuǎn)動角度為 67時 ,模擬結(jié)果的多邊形與鍛件圖的形狀基本吻合,通過( a) 轉(zhuǎn)角 67( b) 轉(zhuǎn)角 30圖 4 鍛件比較圖精鍛, 可以將鍛件圖完全包絡 ; 圖 4b 所示即芯軸轉(zhuǎn)動角度為 30的精鍛結(jié)果。后者的鍛件區(qū)域完全落在前者

13、的模擬結(jié)果所示的范圍之內(nèi)。說明當壓下量為 40mm 時 , 芯軸的轉(zhuǎn)動角度取 3040,可以實現(xiàn)鍛件的精鍛過程, 并且鍛件尺寸精度滿足要求, 符合加工余量的要求。5 結(jié)論( 1) 圓筒形鍛件鍛造過程幾何模型可以較為準確地描述單砧壓下量和芯軸轉(zhuǎn)動角度之間的相互關系。( 2) 結(jié)合有限元對鍛造過程進行數(shù)值模擬, 得出不 同壓下量時的芯軸轉(zhuǎn)動角度 , 單砧壓下量為40mm 時, 芯軸轉(zhuǎn)動角度取 3040鍛件尺寸精度較高。( 3) 提出將模擬結(jié)果與鍛件圖進行比較的鍛件質(zhì)量評估方法, 對有效評估鍛件質(zhì)量, 提高生產(chǎn)效率也有一定的指導意義。【參考文獻】1王鳳喜.大鍛件生產(chǎn)行業(yè)與鍛造技術發(fā)展.鍛壓機械J,

14、2002, 37( 4) :3- 6.2DOOSAN Guide 2006, /2/pdf/NSG_0604.pdf.3JSW Guide 2006, http:/www.jsw.co.jp/en/guide/pdf/JSWGUIDE_E2006.pdf.4陳迎亮,馬慶賢.大型筒體鍛造工藝參數(shù)特性模擬研究.塑性工程學報J, 2007,14( 1) :48- 52.期5周朝輝, 曹海橋, 吉 衛(wèi).厚壁圓筒件成形工藝及有限元模擬.四川2年第2008大學學報( 工程科學版) J, 2003, 35( 5) :63- 67.6孫慕榮, 胡立平, 倪利勇

15、, 于鎖清, 張莉萍.大型鍛件鍛造加工中有限元軟件技術進展.鍛壓裝備與制造技術, 2004, 39( 4) : 83- 86.7馬琳偉, 孫樂民, 張巧芳, 張永振.數(shù)值模擬在鍛造成形中的應用.鍛壓裝備與制造技術, 2003, 38( 6) : 9- 13.57鍛造FORGING文章編號: 1672- 0121( 2008) 02- 0058- 03基于 DEFORM 的汽車輪轂軸管熱擠壓過程的數(shù)值模擬溫志高( 河南英威東風機械有限公司, 河南 南陽 474674)摘要: 本文建立了汽車輪轂軸管的有限元分析模型 , 利用 DEFORM 軟件模擬了工件熱擠壓過程 , 并分析了工件的損傷、應力場及

16、應變場的分布情況和原因。結(jié)果表明將工件初始溫度控制在 1000左右最為合適,為實際的工藝制定提供了參考。關鍵詞: 機械制造; 熱擠壓; 汽車輪轂軸管; 數(shù)值模擬中圖分類號: TG376.2文獻標識碼: B1 前言輪轂軸管( 圖 1) 是汽車后橋上一個重要的保安件, 要承受各種復雜的交變應力與疲勞載荷1。因此,其工作環(huán)境的特殊性決定了其較高的質(zhì)量要求和擠壓工藝參數(shù)的精確化。傳統(tǒng)擠壓工藝的制定主要是建立在經(jīng)驗基礎上, 采用試錯法不斷調(diào)整工藝參數(shù)和修改模具, 不僅研發(fā)周期長, 而且擠壓件的質(zhì)量難以保證。隨著數(shù)值模擬技術的發(fā)展, 可以采用計算機對金屬成形過程進行分析, 掌握變形過程中各種場量的變化情況

17、。并可對變形過程中工件內(nèi)部缺陷等進行預測, 對擠壓工藝的制定具有重要的參考價值。本文利用有限元軟件 DEFORM 對軸管坯料的擠壓過程進行了數(shù)值模擬。并對擠壓后工件的損傷、應力場、應變場及其分布的原因進行了分析, 為制定生產(chǎn)!152!889065!62195!70380!60+1050!9815圖 1輪轂軸管零件圖2008 年第 2 期工藝提供了參考2。2 建模及模擬條件應用 DEFORM 軟件對汽車輪轂軸管熱擠壓過程的數(shù)值模擬, 首先需建立有限元分析模型, 如圖 2收稿日期: 2008- 01- 17作者簡介: 溫志高( 1967- ) 男, 碩士, 高級工程師, 從事熱擠壓工藝技所示。模型

18、初始條件為:術研究設定上下模為剛性模型, 工件為彈性模型;The Numerical Simulation of Large Cylinder Forging inForging Process under High TemperatureXU Feixia, CUI Zhenshan, CHEN Wen, FU Qiang( Dept. of Plasticity Forming Eng., Shanghai Jiao Tong Univ., Shanghai 200030, China)Abstr act: This text is based on the traditional shell forging technology for large scale cylinder at high tempera-ture.The relationships between anvils movement and the rotation of the sustaining column in high- temperature forg-ing process of large cylinder forgings, and its inf