基于deform-3d的異形截面機(jī)匣環(huán)件冷脹形工藝分析與優(yōu)化

基于deform-3d的異形截面機(jī)匣環(huán)件冷脹形工藝分析與優(yōu)化

2219鋁合金是al-cu族。它是一種可加熱的變形鋁。由于其強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、焊接性好、可靠性高等，在航空航天領(lǐng)域的飛機(jī)結(jié)構(gòu)零件中得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)環(huán)件的形狀和尺寸設(shè)計脹形模具，并制定脹形工藝參數(shù)，利用Deform有限元數(shù)值模擬的方法來探究環(huán)件在脹形過程中的變形規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化環(huán)件脹形工藝。有利于在實(shí)際生產(chǎn)中指導(dǎo)脹形工藝，避免產(chǎn)生局部應(yīng)變過大的現(xiàn)象，從而獲得組織性能優(yōu)異的環(huán)件。1環(huán)件膨脹工藝和變形特點(diǎn)1.1接觸環(huán)件冷脹形模擬環(huán)件脹形工藝如圖1a所示，通過對錐桿施加豎直向下的力，使錐桿以一定的速度向下運(yùn)動，帶動分瓣模向周向運(yùn)動，從而使環(huán)件直徑變大、壁厚減小，達(dá)到使環(huán)件脹形的目的。研究環(huán)件在脹形過程中的變形規(guī)律及應(yīng)力狀態(tài)有利于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐、獲得性能優(yōu)良的環(huán)件。根據(jù)對稱原理，取1/12的環(huán)件和一個瓣模進(jìn)行模擬，研究環(huán)件脹形的變形規(guī)律以及環(huán)件變形過程中的應(yīng)力狀態(tài)。在本模擬中，采用庫倫摩擦類型，摩擦系數(shù)取0.1。材料模型選擇2024鋁合金模型，進(jìn)給方式為瓣模沿著半徑方向以恒定的速度5mm·s模擬時在如圖1b所示的A-A截面和B-B截面的中心部位各選擇3個點(diǎn)，進(jìn)行應(yīng)力分析，圖2為兩個截面上所選點(diǎn)的分布圖。確定環(huán)件冷脹形時各點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，為后續(xù)的工藝優(yōu)化做理論準(zhǔn)備。提取A～F這6個點(diǎn)在變形過程中的等效應(yīng)變，其中，A-A截面上A、B和C點(diǎn)的等效應(yīng)變?nèi)鐖D3所示，而B-B截面上D、E和F點(diǎn)的等效應(yīng)變接近0，因此，A-A截面上3個點(diǎn)的等效應(yīng)變要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于B-B截面上3個點(diǎn)的等效應(yīng)變，在兩個截面上的變形極不均勻。對選取的6個點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力分析，確定各個點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)及大小，如圖4所示，其中σ由圖4分析得出:在與瓣模邊界接觸的A-A截面上的3個點(diǎn)的最大主應(yīng)力σ1.2環(huán)件與瓣模接觸弧長變化的特征在脹形過程中，瓣模沿著半徑方向運(yùn)動，使環(huán)件的半徑增大，在脹形過程中與瓣模接觸部分的弧長也增加，其脹形過程如圖6所示。引入r表示瓣模半徑，n表示瓣模個數(shù)，θ表示瓣模角度，v表示瓣模沿半徑方向移動的速度，x表示瓣模在t時刻移動的行程。從而，在脹形開始t=0時刻，環(huán)件與瓣模接觸的弧長L為:當(dāng)瓣模向半徑方向運(yùn)動時，環(huán)件與瓣模接觸部分的弧長增加，即增加后的弧長L式中:ΔL為環(huán)件在t時刻增加的弧長。故可推導(dǎo)出t時刻與瓣模接觸的環(huán)件的角度α，此即為環(huán)件脹形過程中t時刻的變形程度:由式(3)可得出結(jié)論，當(dāng)環(huán)件尺寸一定時，環(huán)件脹形時的變形程度與環(huán)件和瓣模的接觸弧長有關(guān)，即與瓣模的個數(shù)有關(guān)，瓣模個數(shù)越多，與瓣模接觸部分的環(huán)件的變形程度越小、環(huán)件變形越均勻。2瓣模中心位置環(huán)件的應(yīng)變在實(shí)際的環(huán)件脹形中，環(huán)件各部分應(yīng)變的不均勻性將導(dǎo)致環(huán)件性能的不均勻性，從而影響到環(huán)件的性能和壽命。因此，優(yōu)化脹形工藝，使環(huán)件各部分的應(yīng)變均勻是提高環(huán)件性能的重要途徑之一。由圖5可知，脹形過程中環(huán)件存在一個變形范圍，超過這個變形范圍的環(huán)件將無法產(chǎn)生應(yīng)變。在本案例中要求環(huán)件的變形量控制在3%以內(nèi)，環(huán)件各部分的應(yīng)變應(yīng)控制在0.03～0.05范圍內(nèi)。由上述的結(jié)論可知，在瓣模的邊緣位置的環(huán)件產(chǎn)生的應(yīng)變較大，而在瓣模中心位置的環(huán)件的應(yīng)變幾乎為0。并結(jié)合式(3)，可對環(huán)件脹形工藝做如下優(yōu)化:在瓣模無偏轉(zhuǎn)時，對環(huán)件進(jìn)行變形量較小的預(yù)變形，將瓣模順時針偏轉(zhuǎn)15°，使瓣模邊緣作用在1/12環(huán)件的中心并進(jìn)行一定量的變形，然后將瓣模按照順時針偏轉(zhuǎn)7.5°并進(jìn)行一定量的變形，然后再將瓣模按照逆時針偏轉(zhuǎn)15°并進(jìn)行一定變形量的變形，然后再將瓣模逆時針偏轉(zhuǎn)3°并進(jìn)行一定量的變形，最后將瓣模順時針偏轉(zhuǎn)19.5°進(jìn)行一定變形量的變形。按照上述步驟依次進(jìn)行變形，使環(huán)件達(dá)到較為均勻的變形，從而使各部分的應(yīng)變量達(dá)到0.03～0.05。具體工藝步驟的示意圖如圖7所示。在本案例中，利用Deform-3D對優(yōu)化方案進(jìn)行模擬，其摩擦類型及摩擦系數(shù)設(shè)置、瓣模進(jìn)給速度等參數(shù)設(shè)置均與上述一致，瓣模沿著半徑方向以恒定速度進(jìn)給。并合理設(shè)置每一個工藝步驟的進(jìn)給量，以確保環(huán)件變形后各部分的應(yīng)變均勻。表2給出了本案例中每個工藝步驟的瓣模的進(jìn)給量。根據(jù)圖8所示的模擬結(jié)果，環(huán)件各個部分的應(yīng)變量相比原方案有了很大的提升。從圖8的等效應(yīng)變云圖可以看出，等效應(yīng)變基本均小于0.0365，說明優(yōu)化方案對于提升環(huán)件各個部分應(yīng)變的均勻性是有效的。3優(yōu)化方案前后應(yīng)變均勻性由原有方案環(huán)件各部分的應(yīng)變分布和優(yōu)化方案環(huán)件各部分的應(yīng)變分布進(jìn)行對比。原有方案的環(huán)件的應(yīng)變均集中在每個瓣模接觸的邊緣外截面，而在其與瓣模中心接觸的內(nèi)截面上的應(yīng)變基本為0;而優(yōu)化方案環(huán)件各部分的應(yīng)變均控制在0.03～0.05范圍內(nèi)，相比原有方案的環(huán)件，工藝優(yōu)化后的環(huán)件各部分的應(yīng)變在環(huán)件整個部分都均勻分布，應(yīng)變的均勻性有了很大的提升。將優(yōu)化后的脹形工藝進(jìn)行工藝試驗(yàn)，圖9為脹形試驗(yàn)的模具裝配效果，環(huán)件脹形過程中按照上述優(yōu)化工藝方案每進(jìn)給一定量對環(huán)件進(jìn)行一定角度的轉(zhuǎn)動，分6次轉(zhuǎn)動角度成形，使得環(huán)件的應(yīng)變達(dá)到均勻化。圖10為脹形試驗(yàn)后的環(huán)件，其脹形后環(huán)件各部位的形狀一致，在圓周方向圓度分布均勻，驗(yàn)證了脹形方案的可靠性。4脹形優(yōu)化措施(1)原有脹形方案的環(huán)件中心部位的應(yīng)力無法產(chǎn)生塑性應(yīng)變，環(huán)件變形極不均勻。(2)經(jīng)分析，環(huán)件脹形的變形特點(diǎn)為環(huán)件脹形時變形主要集中在兩個瓣模的間隙處，而遠(yuǎn)離兩個瓣模間隙的環(huán)件基本沒有應(yīng)變產(chǎn)生，導(dǎo)致脹形后環(huán)