張晉輝,牛 婷,溫 凱,謝瑞珍

(晉中學院 機械學院,山西 晉中 030619)

0 引言

LF2M屬于典型的Al-Mg系防銹鋁合金，由于具有比強度高、耐磨性高、抗蝕性好、疲勞性能良好等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于航空航天、武器裝備、石油化工等領(lǐng)域的重要部件中[1]。錐形件強旋是一個多因素交互作用下的復(fù)雜的局部連續(xù)塑性成形過程[2]，在實際生產(chǎn)中工藝參數(shù)的選擇主要依據(jù)經(jīng)驗而定，同時該成形工藝的復(fù)雜性加深了仿真模擬的難度。本文根據(jù)具體的錐形件強旋變形特點[3-4]，在對建模過程涉及到的關(guān)鍵技術(shù)進行探討與處理的基礎(chǔ)上，建立了可靠的符合實際的三維有限元模型，進而為錐形件旋壓成形的工藝試驗研究與參數(shù)確定及優(yōu)化提供了有效的參考。

1 錐形件強旋成形有限元建模的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 錐形件強旋成形幾何模型

本文研究的錐形件坯料外徑D0=100 mm，內(nèi)徑D0′=20 mm，厚度t0=3 mm；旋輪圓角半徑r=6 mm，直徑Dρ=80 mm，錐角β=45°，寬度B=25 mm，進給比f=1.8 mm/r；芯模小端直徑D1=40 mm，大端直徑D2=160 mm，圓角半徑R=6 mm，錐角α=45°，轉(zhuǎn)速n=195 r/min。

為了使建立的三維模型簡單適用，采用Tie方式將毛坯與芯模固定在一起，實現(xiàn)芯模與毛坯的完全同速運轉(zhuǎn)，從而避免了尾頂?shù)慕９ぷ鳎徊捎秒p旋輪裝置，旋輪對稱分布，旋輪沿芯模母線方向進給。建立的錐形件強旋成形三維模型如圖1所示。

圖1 錐形件強旋成形三維模型

1.2 材料屬性設(shè)置

1.3 單元選取

芯模采用離散剛體，旋輪采用解析剛體進行處理，以減少模擬的仿真運算量和計算模擬時間。由于線性減縮積分單元能夠很好地承受扭曲變形，故毛坯采用六面體顯式線性減縮積分實體單元C3D8R進行離散。為了便于模擬過程中有關(guān)應(yīng)力應(yīng)變等場變量的輸出和處理，在模型中定義了坯料的局部材料方向，即局部材料方向是隨著板料的變形而轉(zhuǎn)動的，因此定義變形后1方向為坯料母線方向，2方向為坯料周向，3方向為坯料法向，如圖2所示。

圖2 坯料局部材料方向定義

1.4 網(wǎng)格劃分

本文采用各向同性材料，考慮到數(shù)值模擬的精確性和模擬的效率問題，對坯料、芯模以及旋輪采用不同的單元進行不同密度的網(wǎng)格劃分。在ABAQUS軟件中，坯料采用實體單元C3D8R進行離散，為了模擬的精確性，對坯料進行網(wǎng)格局部細化，在徑向、軸向壁厚和同向進行單元網(wǎng)格劃分，整個工件共劃分為6 600個單元、9 200個節(jié)點。對于芯模和旋輪，由于在旋壓過程中理想的情況被認為是不發(fā)生變形的，因此假設(shè)成剛體，網(wǎng)格的密度也相應(yīng)地比坯料要小得多，以提高計算效率。其中芯模視為R3D4殼單元剛體進行離散，共802個單元、824個節(jié)點；旋輪視為解析剛體進行離散，無需網(wǎng)格的劃分。坯料和芯模的單元網(wǎng)格劃分分別如圖3、圖4所示。

圖3 坯料網(wǎng)格劃分

圖4 芯模網(wǎng)格劃分

1.5 邊界條件處理

1.5.1 接觸邊界條件處理

在ABAQUS中分別定義了坯料頂面接觸面(Blank Top)、坯料底面外部接觸面(Blank Bot Out)、坯料底面中心接觸面(Blank Bot Core)、芯模頂面接觸面(Mandrel Top Core)、芯模錐體接觸面(Mandrel Body)、右旋輪接觸面(Roller Right)、左旋輪接觸面(Roller Left)以及接觸對Roller Right-Blank Top、Roller Left-Blank Top、Blank Bot Out-Mandrel Body。由于模型中旋輪和芯模都視為剛體處理，故在以上的接觸對定義中將右旋輪接觸面、左旋輪接觸面、芯模接觸面都定義為主控表面，而坯料的所有接觸面都定義為從屬表面。

1.5.2 摩擦邊界條件處理

錐形件強旋成形過程中需要采用簡化的摩擦力學模型，旋輪與坯料之間的摩擦當成定摩擦來處理，而坯料與芯模之間的接觸摩擦相對要簡單得多，理想的狀態(tài)是相對不發(fā)生摩擦，模型中視為無摩擦處理。因此，在錐形件強旋模型中定義了兩種摩擦：Fric和Nofric。Fric定義坯料與旋輪之間的摩擦系數(shù)為0.04。Nofric指忽略表面間的摩擦，表征坯料與芯模之間沒有摩擦。

2 模型可靠性驗證

2.1 理論評估

在建模過程中，為了提高計算精度和效率，對不同單元類型、網(wǎng)格密度以及質(zhì)量放大因子情況下的旋壓過程進行了模擬分析。分析結(jié)果表明：當坯料采用六面體減縮積分實體單元C3D8R、網(wǎng)格劃分情況如圖3所示(單元數(shù)6 600個單元，節(jié)點數(shù)9 200個)、質(zhì)量放大因子為225時，模擬所獲得的偽應(yīng)變能、動能與內(nèi)能的比很小(如圖5所示)，說明本文所建立的模型是可靠的。

圖5 錐形件強旋過程能量變化

2.2 實驗對比

為了進一步驗證本文所建仿真模型的可靠性，采用文獻[5]實驗參數(shù)為模擬條件，對材料為LF2M的坯料采用不同的偏離率進行了模擬計算，以壁厚差為評價指標，將計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行了對比，如圖6所示。

圖6 計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比

從圖6中可以看出：計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的壁厚差變化趨勢基本一致，且最大誤差不超過15%，表明本文所建立的三維有限元仿真模型是可行和可靠的。

3 結(jié)論

本文針對錐形件強旋變形特點，基于ABAQUS軟件平臺，在對幾何模型、單元選擇、材料屬性設(shè)置、網(wǎng)格劃分、邊界條件等關(guān)鍵技術(shù)探討與合理處理的基礎(chǔ)上建立了三維有限元模型，理論評估和實驗驗證證明該模型與實際成形過程十分吻合。