嚴(yán)倪

基于DEFORM的高壓排氣消聲器殼體成型設(shè)計(jì)

嚴(yán)倪

（海軍裝備部，四川 成都 610031）

為了獲得高壓排氣消聲器殼體成型的合理參數(shù)，縮短設(shè)計(jì)試驗(yàn)周期，采用DEFORM-3D有限元軟件對殼體收底成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。分析了不同成形溫度對翻板旋壓收口成形質(zhì)量的影響，研究可得消聲器翻板旋壓成型的最佳溫度為1 150 ℃。

消聲器殼體；DEFORM-3D有限元軟件；數(shù)值模擬；成型設(shè)計(jì)

消聲器在環(huán)境噪聲防治中扮演著重要角色，尤其是在深海裝備中的高壓氣瓶使用的排氣消聲器，消聲降噪已成為必須要解決的重要問題[1]。高壓排氣消聲器外殼主要采用無縫鋼管翻板旋壓成形，但目前無縫鋼管旋壓收底成形工藝?yán)碚撗芯繙?，其主要依靠?jīng)驗(yàn)和反復(fù)試驗(yàn)來確定生產(chǎn)工藝[2-3]，通過對不銹鋼旋壓收底的生產(chǎn)工藝研究，將會縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，減少重復(fù)大量的低水平工作，大大降低生產(chǎn)成本，更好指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。

無縫鋼管收底旋壓成形過程涉及材料非線性、幾何非線性和復(fù)雜的邊界接觸條件的非線性，是一個(gè)變形機(jī)理非常復(fù)雜的局部接觸大變形過程，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，產(chǎn)品質(zhì)量和尺寸難以控制，不能得到有效保證。應(yīng)用大變形剛塑性有限元法進(jìn)行數(shù)值分析，結(jié)合旋壓成形的特點(diǎn)及影響因素，不失為一種比較合理的選擇。

本研究使用DEFORM-3D有限元軟件對高壓消聲器外殼體收底成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，利用UG三維造型軟件建立高壓消聲器外殼體仿真模型，從而為試驗(yàn)和生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

1 建立模型

1.1 模型材料

管坯采用316L不銹鋼無縫鋼管，化學(xué)成分如表1所示。

表1 316L鋼管化學(xué)成分

材料牌號化學(xué)成分 316LCSiMnM0CrNiPS ≤0.03≤1.0≤2.02.0～3.016～1810～14≤0.035≤0.03

316L不銹鋼為超低碳鋼，耐腐蝕性能優(yōu)異，耐酸性好，具有良好的綜合性能和工藝性能，且屬于市場上常見的鋼種，能夠?yàn)樯a(chǎn)消聲器提供足夠的原材料。雖然316L鋼的抗晶界腐蝕性能和抗應(yīng)力腐蝕性能不夠好，易引起晶間腐蝕，并且強(qiáng)度、硬度偏低，在特定介質(zhì)條件下的耐蝕性不太理想，尤其在S氣氛中易損壞，但是目前消聲器使用條件基本為大氣，氣源系統(tǒng)儲存氣體也為壓縮空氣，因此可不考慮特殊氣體的腐蝕問題。

采用316L所生產(chǎn)的高壓氣瓶，由于添加Mo，耐腐蝕性能表現(xiàn)優(yōu)異，特別是耐點(diǎn)蝕性能非常優(yōu)秀，高溫強(qiáng)度良好，固溶狀態(tài)無磁性，有良好的加工硬化性（加工后弱磁性）。

1.2 模型尺寸

由于DEFORM-3D軟件不能直接建立三維幾何模型，通過CAD、CAE、UG等其他軟件建模后導(dǎo)入到軟件中。首先，本文使用三維造型軟件UG進(jìn)行建模，按STL和IGS等格式導(dǎo)出；然后，將導(dǎo)出的三維模型導(dǎo)入到DEFORM-3D軟件中，如圖1所示。

圖1 翻板旋壓的幾何模型

在保證計(jì)算精度，又兼顧計(jì)算效率的前提下劃分網(wǎng)格數(shù)量，采用四面體單元對管坯進(jìn)行網(wǎng)格劃分。管坯劃分的最小邊界尺寸為2.3 mm，共設(shè)立13 441個(gè)節(jié)點(diǎn)，62 325個(gè)單元。

在外殼體旋壓收底成形過程中，管坯端部產(chǎn)生的塑性變形較大，產(chǎn)生的彈性變形相對較小，可忽略不計(jì)，因此可以采用剛塑性有限元法。定義管坯為塑性體；定義翻板和夾具為剛體，不需要對其進(jìn)行劃分網(wǎng)格和定義材料。綜合考慮材料的各向異性對成形的影響很小，可以忽略重力和慣性影響以及不考慮材料的各向異性影響。

1.3 工藝參數(shù)的設(shè)定

使用長度1 000 mm、直徑219 mm、厚度10 mm的管坯進(jìn)行加工，采用翻板旋壓收口的方式制造高壓排氣消聲器殼體，在成形工藝中，夾具加緊管坯，主軸帶動翻板繞軸負(fù)方向旋轉(zhuǎn)90°，即完成殼體收口工序。殼體翻板旋壓收口成形端只有不到30 mm，為了提高運(yùn)算速度，在不影響運(yùn)算結(jié)果的情況下，應(yīng)盡量縮短管坯長度。因此，取管坯長度為500 mm。

殼體翻板旋壓收口數(shù)值模擬所采用的工藝參數(shù)如表2所示。

表2 旋壓工藝參數(shù)

管坯轉(zhuǎn)速/（rad·s-1）翻板工作面圓角半徑/mm翻板轉(zhuǎn)速/（rad·s-1）旋壓溫度/℃ 33.5300.026 1/0.031 41 050、1 100、1 150、1 200

1.4 接觸邊界條件及運(yùn)動關(guān)系

在軟件模擬過程中，設(shè)定管坯和夾具粘合在一起，通過對夾具施加轉(zhuǎn)動載荷，從而帶動管坯旋轉(zhuǎn)；通過在翻板上施加轉(zhuǎn)動載荷，來實(shí)現(xiàn)對翻板進(jìn)給的控制。將管坯和翻板之間、管坯和夾具之間的摩擦模型都設(shè)定為剪切摩擦模型。根據(jù)金屬熱成型經(jīng)驗(yàn)參數(shù)確定管坯和翻板間的摩擦系數(shù)為0.3，管坯和夾具間的摩擦系數(shù)為1。由于夾具的作用是夾持材料，所以摩擦系數(shù)取值可以選取較大值，以保證管坯與軸心和夾具之間存在足夠的摩擦力，從而使管坯與圓管之間不產(chǎn)生相對移動。

2 成型模擬分析與實(shí)物制備

分別在1 050 ℃、1 100 ℃、1 150 ℃、1 200 ℃四個(gè)溫度下，對消聲器殼體翻板旋壓成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬。 1 200 ℃時(shí)，在消聲器外殼體成形中期，殼體成形區(qū)溫度高達(dá)1 300 ℃，成形區(qū)金屬晶粒粗大，嚴(yán)重降低了材料的力學(xué)性能。隨著成形溫度的升高，總旋壓力和三向旋壓力會降低，周向與軸向旋壓力的變化比較緩慢，總旋壓力與徑向旋壓力會發(fā)生明顯變化。因此綜合考慮，選擇1 150 ℃作為高壓氣瓶翻板旋壓收口試驗(yàn)的成形溫度較佳。

外殼體在旋壓收底成型時(shí)，翻板和管坯的接觸區(qū)域會產(chǎn)生一定的旋壓力。分解旋壓力為、、三個(gè)相互垂直的分力，其中，方向旋壓力代表徑向旋壓力，方向旋壓力代表切向旋壓力，方向旋壓力代表軸向旋壓力。

隨著翻板旋壓的進(jìn)行，各向旋壓分力都先逐漸升高，當(dāng)收口進(jìn)行進(jìn)行到一定時(shí)刻時(shí)，各向旋壓分力將會到達(dá)最大值，然后各向旋壓分力開始逐漸降低。這是因?yàn)樵诜逍龎菏盏讜r(shí)，隨著旋壓進(jìn)行，翻板與管坯的接觸面積從剛開始的很小，不斷增大，當(dāng)?shù)谝浑A段的旋壓完成時(shí)，接觸面積達(dá)到最大值，隨后接觸面積開始逐漸變小。翻板和管坯的接觸面積越大，使管坯發(fā)生塑性變形所需要的旋壓力就越大；反之，接觸面積越小，使管坯發(fā)生塑性變形所需要的旋壓力就越小。在的各個(gè)分向旋壓力分力中，徑向分力大于切向分力大于軸向分力。

采用管端溫度1 150 ℃、主軸旋轉(zhuǎn)速度33.5 rad/s、進(jìn)給量0.026 1～0.031 4 rad/s等相關(guān)熱旋壓成型參數(shù)，對消聲器外殼體進(jìn)行實(shí)際的熱旋壓成型。

3 結(jié)論

采用Deform-3D軟件對消聲器外殼體成型參數(shù)進(jìn)行模擬分析及實(shí)物制備可見，在管端溫度為1 150 ℃、主軸旋轉(zhuǎn)速度為33.5 rad/s、進(jìn)給量為0.026 1～0.031 4 rad/s時(shí)，可獲得良好的消聲器外殼體質(zhì)量。

［1］易翔峰.高壓蒸汽排空消聲器設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.廣州環(huán)境科學(xué)，2005（4）：20-22，39.

［2］王仲仁.特種塑性成形［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

［3］CHANG K D.Development of a spinning machine with a play back system［M］.Proc of ICRF，1989.

2095－6835（2020）20－0073－02

TB535+.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.20.030

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕