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車橋橋殼鍛造成形過程的數(shù)值模擬分析

2018-09-22 01:09武文一李菊麗王曉溪
機械設計與制造工程 2018年9期
關鍵詞:橋殼坯料鍛件

武文一,李菊麗,王曉溪

(徐州工程學院機電工程學院, 江蘇 徐州 221018)

車橋橋殼是驅動橋上重要的傳力零件,其質量直接影響工程機械的整體性能及使用壽命。采用精鍛成形技術“以鍛代鑄”制造該類零件,不僅節(jié)約材料、能源,減少切削加工工序,降低生產成本,而且能使金屬流線連續(xù)分布,晶粒細化,顯著提高鍛件性能和使用壽命。由于鍛件結構形狀復雜以及在塑性成形過程中受多種因素影響,使得成形質量與工藝條件之間的關系往往難以預測與控制。隨著計算機技術和塑性有限元理論的發(fā)展,有限元數(shù)值模擬在分析金屬塑性成形中的作用逐漸受到重視[1-6]。本文基于DEFORM-3D軟件采用三維剛塑性有限元模擬法對車橋橋殼的鍛造過程進行了數(shù)值模擬仿真,分析了鍛件坯料的選擇、成形過程中的填充情況及等效應力、應變分布,研究了鍛件形狀對金屬材料流動規(guī)律的影響,對于優(yōu)化模具結構及鍛造工藝具有指導意義。

1 產品分析及三維模型建立

車橋橋殼鍛件結構為帶孔圓盤類,如圖1所示,外形最大尺寸為φ331mm×186.6mm,高徑比為0.564,下部凹槽中沿徑向放射狀均布4個厚度為14mm的肋板,中心部位存在較深的孔。為了便于模鍛時的拔模,拔模斜度為3~5°,過渡圓角為R3。所用材料為45鋼,表面粗糙度要求為Ra3.2,尺寸精度要求為普通級。鍛件形狀復雜系數(shù)(鍛件質量與外廓包容體質量之比)為0.245,屬較復雜級,鍛造成形難度較大,擬采用熱模鍛成形、溫鍛整形工藝,以確保深擠充滿,且載荷不至于過大。

圖1 橋殼鍛件圖

利用SolidWorks軟件分別建立上、下模具及鍛件坯料的三維模型,按照它們在鍛造過程中的同軸關系定位組裝成裝配體文件,并將此文件轉換為STL格式,在轉換過程中生成3個子文件,分別對應上模、下模和坯料, 如圖2所示。

圖2 模具與坯料的初始位置

2 數(shù)值模擬初始條件的設置

將坯料和上、下模的STL文件導入DEFORM-3D 軟件中,以實際加工參數(shù)為依據(jù)設置模擬初始條件。采用剛塑性有限元模型,工件視為塑性體,上模、下模視為剛性體。工件材料為45鋼,對應美國牌號AISI-1045,始鍛溫度設定為1 100℃; 模具材料為4Cr5MoSiV1,對應美國牌號AISI-H13,預熱溫度為300℃;坯料與模具間為剪應力摩擦,摩擦系數(shù)為0.3;設備為熱模鍛壓力機, 上模運動速率為50 mm/s。鍛件具有軸對稱性,選取形體的1/4作為研究對象(設置變形邊界條件)以節(jié)省計算時間[1-6]。采用四面體單元,劃分網(wǎng)格數(shù)為30 000和60 000進行對比試驗,對應的模擬步長為0.8和0.5,計算模擬步數(shù),設置體積補償。各條件設置合適后生成數(shù)據(jù)庫文件,提交給運算器分析求解, 完成鍛造成形過程模擬。

3 坯料尺寸、形狀對成形性的影響

坯料尺寸和形狀的合理選擇對于保證鍛件質量、避免設備過載和延長模具壽命是十分重要的。根據(jù)金屬塑性變形前后體積不變的原理,若采用小或無飛邊熱模鍛時坯料體積應略大于鍛件體積,既要保證鍛件充形良好又要避免產生過多的飛邊。本文采用數(shù)值模擬法對不同體積和高徑比的坯料鍛造成形過程進行研究,以尋求精確的坯料體積和合理的高徑比[5]。

鍛件經(jīng)三維建模后可知體積為3 927 048mm3,數(shù)值模擬時未考慮燒損量(采用少無氧化加熱方法),取寬裕系數(shù)k分別為0.02和0.04,相應的坯料體積為V1=4 005 589mm3、V2=4 084 130mm3,坯料規(guī)格對應為φ140mm×260mm和φ150mm×231mm,分別進行模擬試驗。圖3(a)是坯料體積為V1、網(wǎng)格數(shù)為30 000的模擬結果,由圖可以看出工件在凸緣底部和棱角處沒有充滿,且邊緣處不光滑,有折疊現(xiàn)象。圖3(b)是坯料體積為V1、網(wǎng)格數(shù)為60 000的情況,由圖可以看出工件在棱角處仍沒有充滿,但形狀較光滑。圖3(c)是坯料體積為V2、網(wǎng)格數(shù)為60 000的結果,由圖可以看出工件填充情況良好,外形輪廓清晰,在分型面處有少量飛邊,這是可以接受的。

圖3 不同坯料尺寸和網(wǎng)格數(shù)的模擬結果

由分析可知,對于形狀復雜的鍛件,網(wǎng)格數(shù)量較少時邊界網(wǎng)格質量差,計算精度低;適當增加網(wǎng)格數(shù)量可提高計算精度,但計算時間延長;若采用分區(qū)網(wǎng)格劃分較為合理,在變形大的區(qū)域劃分較多網(wǎng)格,在變形小的區(qū)域劃分較少網(wǎng)格,這樣既可保持計算精度又不增加計算時間。坯料體積V1是大于工件體積的,從理論上來說應該會產生少量飛邊,但模擬結果卻出現(xiàn)充不滿現(xiàn)象,這是因為初始網(wǎng)格數(shù)量較少時坯料與模型表面不太吻合以及在變形過程中網(wǎng)格畸變和折疊而造成了體積損失,所以出現(xiàn)填充不滿和邊緣處不光滑現(xiàn)象。因此可根據(jù)模擬的結果是否出現(xiàn)充不滿、折疊和飛邊以及成形過程中的應力應變分布情況,研究金屬材料的流動規(guī)律,判斷坯料形狀尺寸及模具等工藝參數(shù)是否合理,如有問題則進行修改后再模擬直至缺陷消失。

4 應力應變及成形載荷分析

由于鍛造時材料處于多向應力狀態(tài)下產生了塑性變形,因此應采用等效應力來進行分析[1-2,6]。圖4為成形結束時的等效應力分布圖,最大等效應力為641MPa,發(fā)生在工件凸緣及下凸部分外側階梯處。這些部位金屬流動困難,充形能力較差,通過增大模具尖角處的圓角半徑和改善潤滑條件,材料流動情況得到改善,最大等效應力降為586MPa。圖5為等效應變分布圖,最大等效應變?yōu)?.63,也發(fā)生在工件凸緣及下凸部分外側階梯處,通過優(yōu)化模具結構后,最大等效應變降為4.92。

圖4 等效應力分布圖

圖5 等效應變分布圖

由于研究對象尺寸較大、結構復雜,需要較大的成形力才能迫使材料充滿模膛,因此最大成形載荷是關注的重點之一。圖6為成形過程的載荷-行程曲線,由圖可知,成形力是不斷增加的。整個變形過程大致可分為3個階段:在初始階段,上模具模芯接觸坯料表面向下擠壓,坯料上部沿徑向、坯料下部向下方發(fā)生塑性變形,載荷曲線上升平緩,變形力較?。划斈P九_肩接觸坯料時進入充填階段,坯料在外力作用下逐漸向型腔充填,自由面隨之減少,金屬流動阻力相應增大,載荷曲線逐漸上升,且持續(xù)時間較長;在最后充滿階段,工件凸緣及上下角隙部分全部充滿,這一階段持續(xù)時間較短,載荷急劇增大,載荷曲線幾乎成直線上升。這是因為當載荷增加到最大值(約57MN)時,型腔已基本充滿,金屬的流動空間已很少,再繼續(xù)擠壓充填角隙時金屬就會產生很大的抗力。在這個階段載荷急劇上升,將會大大降低模具的使用壽命。采用熱模鍛成形與溫鍛整形復合成形工藝,對提高加工質量和模具壽命有較大的幫助。

圖6 載荷-行程曲線

5 模擬與試驗成形效果分析

在對橋殼鍛造成形過程進行數(shù)值模擬時,以實際加工參數(shù)為依據(jù)設置模擬初始條件,坯料體積略大于鍛件體積(增加約4%),有限元網(wǎng)格的數(shù)量約為鍛件體積(cm3)的15倍及以上,獲得了良好的成形效果,模擬結果如圖7(a)所示。根據(jù)模擬方案提供的工藝參數(shù)及優(yōu)化的模具結構,試制得到了輪廓清晰、符合要求的鍛件,實物照片如圖7(b)所示。將二者對比分析發(fā)現(xiàn),試制的鍛件形狀尺寸與模擬結果相吻合,也未出現(xiàn)充不滿或折疊等成形缺陷,由此驗證了數(shù)值模擬過程的正確性。

圖7 模擬結果與實物對比圖

6 結論

本文通過對車橋橋殼鍛造成形過程的數(shù)值模擬和試驗研究得出以下結論:

1)在橋殼鍛造成形過程中,最大等效應力發(fā)生在工件凸緣及下凸部分外側階梯處,這些部位金屬流動困難、充形能力較差,通過增大模具尖角處的圓角半徑和改善潤滑條件,材料流動情況得到了改善。

2)鍛件在成形過程中的成形力不斷增加,特別是在最后工件凸緣及上下角隙部分充滿階段,載荷急劇增大,這將會大大降低模具的使用壽命。采用熱模鍛成形與溫鍛整形復合成形工藝,可解決一次成形中載荷較大的問題,對提高鍛件質量和模具壽命有較大的幫助。

本文驗證了數(shù)值模擬結果的正確性,通過數(shù)值模擬分析,可為此類鍛件的鍛造工藝改進及模具結構優(yōu)化提供理論依據(jù)和技術指導。

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