厚壁圓筒件溫差拉深及有限元模擬

1、厚壁圓筒件溫差拉深及有限元模擬2007-5-24 來(lái)源： 網(wǎng)絡(luò)文摘【全球塑膠網(wǎng)2007年5月24日網(wǎng)訊】摘要：厚壁圓筒件采用熱拉深，制件上部產(chǎn)生嚴(yán)重頸縮甚至斷裂。經(jīng)工藝改進(jìn)，采用溫差拉深，有效的降低拉深系數(shù)，提高筒壁承載能力，減少了頸縮量，滿足了機(jī)加余量要求。運(yùn)用熱交換區(qū)域設(shè)置邊界條件，成功的建立了熱力耦合剛粘塑性有限元模型并進(jìn)行了模擬計(jì)算。分析了金屬應(yīng)力、應(yīng)變、成形載荷、溫度場(chǎng)及頸縮缺陷與成形工藝、預(yù)制坯尺寸、模具尺寸、冷卻條件的關(guān)系，提出了消除頸縮缺陷的解決方案。關(guān)鍵詞：厚壁圓筒件 溫差拉深 有限元模擬0 前言本文研究對(duì)象是厚壁圓筒件（見(jiàn)圖1）熱成形，采用鐓擠-熱拉深工藝進(jìn)行試驗(yàn)，在拉深過(guò)

2、程中，筒壁發(fā)生嚴(yán)重頸縮（見(jiàn)圖2），并有被拉斷趨勢(shì)。改進(jìn)了預(yù)制坯尺寸及模具結(jié)構(gòu)，增加了水冷卻裝置，采用溫差拉深，成功拉深出厚壁圓筒件，大大減少了頸縮量，滿足了機(jī)加余量要求。運(yùn)用熱交換區(qū)域設(shè)置邊界條件，模擬水冷卻裝置，建立起熱力耦合剛粘塑性有限元模型并進(jìn)行了模擬計(jì)算，模擬結(jié)果與試驗(yàn)基本一致。說(shuō)明此建模方法是可行的。因此通過(guò)有限元模擬，能進(jìn)一步優(yōu)化成形工藝，改進(jìn)預(yù)制坯及模具參數(shù)，得到更為理想的成形件。圖1 厚壁圓筒件 圖2 頸縮示意1 厚壁圓筒件成形工藝1.1 熱拉深工藝及有限元模擬結(jié)果根據(jù)圓筒件的幾何形狀、尺寸，分析成形方案。若采用坯料直接熱擠壓成形，計(jì)算所需擠壓力為7200 噸，對(duì)鍛造設(shè)備能力及

3、模具材料、結(jié)構(gòu)要求很高，不利于小批量的生產(chǎn)?？紤]到采用錐形凹模熱拉深成形方法可有效減小成形力，為此設(shè)計(jì)出如圖3 所示的預(yù)制毛坯。底部由筒形件尺寸所限，無(wú)法拉深成形，因此在預(yù)成形中考慮，有利的是在拉深時(shí)避開(kāi)了危險(xiǎn)斷面，即凸模圓角區(qū)?？紤]到拉深時(shí)筒壁口部會(huì)增厚，預(yù)制坯設(shè)計(jì)成變壁厚。整個(gè)成形過(guò)程需分兩步完成，第一步，在預(yù)鍛模中鐓鍛和沖盲孔鍛出筒體的下半部和法蘭邊，經(jīng)機(jī)加工后得到預(yù)制毛坯；第二步，可由預(yù)鍛毛坯的法蘭部分熱拉深成形筒體的筒壁部分。圖3 預(yù)制坯 圖4 模擬結(jié)果當(dāng)凸模向下運(yùn)動(dòng)至與筒底接觸時(shí)，筒壁與法蘭的過(guò)渡圓角開(kāi)始變形，法蘭向上翻起，圓角剛被拉直，即開(kāi)始出現(xiàn)頸縮，隨著頸縮的出現(xiàn)，因其截面積減

4、小引起承載能力下降，凸模繼續(xù)向下移動(dòng)，頸縮越來(lái)越嚴(yán)重，法蘭部分基本不再變形，筒體局部拉長(zhǎng)。再繼續(xù)下去筒體即會(huì)被拉斷，試驗(yàn)停止。采用塑性成形有限元分析軟件DEFORM 進(jìn)行模擬，得到如圖4 所示結(jié)果，與試驗(yàn)吻合。模型的建立方法與2.2 節(jié)類似，此處不詳細(xì)敘述。1.2 溫差拉深工藝分析頸縮產(chǎn)生原因可知，厚壁圓筒由于其形狀的特殊性（底部很厚），在預(yù)成形中即成形出了起傳力作用的筒底及筒壁，拉深成形過(guò)程中，拉深力作用于筒形件底部，通過(guò)預(yù)成形出的一部分筒壁將力傳遞至法蘭部分，坯料從筒壁與法蘭的過(guò)渡圓角區(qū)開(kāi)始發(fā)生塑性變形，此處不僅受筒壁傳來(lái)的拉應(yīng)力作用，還承受由于過(guò)渡圓角彎曲變形而產(chǎn)生的附加拉應(yīng)力，因此局部

5、受力最大，變薄最嚴(yán)重，成為危險(xiǎn)斷面，當(dāng)其所受拉應(yīng)力超過(guò)材料在變形溫度下的抗拉強(qiáng)度時(shí)，便開(kāi)始出現(xiàn)頸縮。圓角區(qū)以下的坯料基本不發(fā)生變形。由拉深力公式可以看出，要減小拉深力，可減小預(yù)制坯法蘭直徑D0 和厚度t 重新設(shè)計(jì)預(yù)制坯，法蘭直徑由原來(lái)的750mm 減小到700mm，厚度由原來(lái)的72mm減小到65mm。根據(jù)體積不變?cè)瓌t，必須增加筒體高度，相應(yīng)的盲孔深度增加了，加大了預(yù)成形沖盲孔的難度，需由機(jī)加輔助完成。工藝改進(jìn)的另一個(gè)措施是增加水冷卻裝置（圖5），即進(jìn)行溫差拉深，溫差拉深是拉深過(guò)程有效的強(qiáng)化方法，它的實(shí)質(zhì)是借變形區(qū)（一般指毛坯凸緣區(qū)）局部加熱和傳力區(qū)危險(xiǎn)斷面（側(cè)壁和底部過(guò)渡區(qū)）局部冷卻的辦法，一

6、方面減小變形區(qū)材料的變形抗力，另一方面又不致減少、甚至提高傳力區(qū)的承載能力，亦即造成兩方面的溫差，而獲得大的強(qiáng)度差，以資最大限度的提高一次拉深變形的變形程度，大大降低材料的極限拉深系數(shù)。由于坯料整個(gè)在燃?xì)鉅t中加熱，因此模具上不考慮局部加熱裝置，只增加了水冷卻裝置。圖5 水冷卻裝置示意修改模具結(jié)構(gòu)，以改善毛坯受力狀況，從而進(jìn)一步減小拉深力，利用有限的裝模空間，增加凹模高度65mm，加大凹模錐形空間，毛坯的受力點(diǎn)外移，從而使毛坯的肩部懸空，可減小變形時(shí)所需的拉深力。試驗(yàn)結(jié)果表明，以上改進(jìn)措施有效的減小了頸縮量，成形件能滿足機(jī)加的余量要求。2 有限元建模及模擬結(jié)果2.1 模型的建立將CAD 圖形導(dǎo)入

7、DEFORM，建立如圖6 所示的軸對(duì)稱有限元模型。由于軟件中很難建立流體即冷卻水的有限元模型，所以只能用邊界條件來(lái)控制，考慮到水噴到筒壁上后蒸發(fā)一部分，其余順著筒壁往下流，同時(shí)也在蒸發(fā)，散熱效率逐漸降低，據(jù)此把坯料筒壁劃分7 個(gè)熱交換區(qū)域，從上往下對(duì)流傳熱系數(shù)逐漸減小。圖6 中win1win7 即為7 個(gè)熱交換區(qū)，假設(shè)它們與空氣進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流，用對(duì)流系數(shù)來(lái)反映傳熱效率，對(duì)流系數(shù)的取值見(jiàn)表1。圖6 有限元模型及邊界條件（坯料對(duì)稱線上x(chóng) 方向位移為0，其余邊界與空氣自然對(duì)流）表1 熱交換區(qū)對(duì)流系數(shù)取值以表格的形式輸入材料的比熱容、熱導(dǎo)率、線性膨脹系數(shù)等參數(shù)。流動(dòng)應(yīng)力模型采用,軟件中自帶該材料的試驗(yàn)數(shù)

8、據(jù)。坯料設(shè)為塑性體，始鍛溫度為1100，設(shè)定好網(wǎng)格劃分參數(shù)后，自動(dòng)劃分單元5173 個(gè)，凸、凹模設(shè)為剛體，初始溫度取常溫20，凸模劃分單元2012，個(gè)凹模劃分單元2096 個(gè)。坯料與凸、凹模的傳熱系數(shù)取8W/（m2.K），空氣自然對(duì)流換熱系數(shù)取軟件推薦值0.02（W/ m2.K）。坯料與凸、凹模采用庫(kù)侖摩擦模型，摩擦系數(shù)取凹模取0.3，凸模取0.3。2.2 模擬結(jié)果由圖7、圖8 可見(jiàn)，頸縮發(fā)生處坯料溫度約1000，等效應(yīng)力約為68.7MPa，均小于熱拉深時(shí)的值。從圖9、圖10 可知，等效應(yīng)變?yōu)?.27，等效應(yīng)變速率為0.02，與熱拉深相比，變形程度、變形速率都有所降低。這與頸縮量有所減少是吻合的。圖7 溫度分布等值線圖 圖8 等效應(yīng)力分布等值線圖圖9 等效應(yīng)變分布等值線圖 圖10 等效應(yīng)變速率等值線圖模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，見(jiàn)圖11。圖11 模擬結(jié)果3 結(jié)論（1）厚壁圓筒件采用溫差拉深，可有效降低拉深系數(shù)，提高筒壁承載能力，減少頸縮量。但要完全消除頸縮，一次拉深