法蘭環縮徑旋壓成形有限元分析及試驗研究

文/嚴軍，張建新·南通福樂達汽車配件有限公司

劉雨生，薛克敏·合肥工業大學材料科學與工程學院

法蘭環縮徑旋壓成形有限元分析及試驗研究

文/嚴軍，張建新·南通福樂達汽車配件有限公司

劉雨生，薛克敏·合肥工業大學材料科學與工程學院

近年來，汽車工業的快速發展在給人們生活帶來便利的同時，也造成了能源的巨大浪費。研究表明，汽車燃料燃燒所釋放的能量只有1/3左右被有效利用，其余能量散失或排放到大氣中，不僅造成極大的能源浪費，也污染環境。汽車廢熱的再循環使用，有利于實現汽車的節能減排。法蘭環是汽車尾氣再利用裝置中的關鍵部件，其生產工藝采用旋壓成形代替傳統的失蠟鑄造，材料利用率高，而且重量輕、無氣孔縮松等鑄造缺陷。

本文針對法蘭環縮徑旋壓成形工藝，采用有限元模擬方法分析成形過程中的金屬流動、旋壓力變化規律以及產生壁厚不均勻的原因。在此基礎上，提出了工藝改進方案，并進行了物理試驗，得到了合格的法蘭環樣件。

工藝分析

法蘭環的零件幾何尺寸如圖1所示，外徑為114mm，高度為20mm。從圖中可以看出，在法蘭環不同區域的壁厚不同，A區的壁厚為3mm，B區壁厚為5mm，C區壁厚為3.8mm，在B區與C區之間的過渡部分要求壁厚大于4mm。該零件壁厚分布不均勻，且外形輪廓較復雜，采用普通的成形工藝難以保證其尺寸精度。

旋壓成形工藝適合加工壁厚分布不均勻的回轉體零件。本文采用旋壓工藝對法蘭環的成形進行研究，其成形過程如圖2a所示，初始管坯外徑為114mm，壁厚為5mm，高度為57mm。為了旋壓方便，選擇一次成形兩個零件，對管坯進行縮徑旋壓，如圖2b所示。然后，將縮徑旋壓后工件從中間切斷，如圖2c所示。再采用鏟旋工藝，將管坯外直壁部分推平，成形出最終零件，如圖2d所示。

圖1 法蘭環零件尺寸

圖2 法蘭環成形過程

法蘭環成形中的關鍵是縮口旋壓階段，應使管坯內凹部分的壁厚分布均勻，避免出現壁厚過渡減薄的情況。對于鏟旋成形部分，文中不作分析。

有限元模型建立

幾何模型

根據試驗中模具和管坯的實際尺寸，基于Simufact軟件建立其有限元模型如圖3所示。芯模和旋輪的輪廓形狀與零件的內外表面一致。在成形過程中，芯模帶動管坯繞軸線做旋轉運動，旋輪沿徑向做進給，同時在摩擦力的作用下產生被動旋轉。管坯材料為304不銹鋼，屈服強度為205MPa，抗拉強度為520MPa，管坯和旋輪的尺寸參數及主要工藝參數見表1。

圖3 法蘭環有限元模型

網格劃分

芯模和旋輪定義為剛體，管坯定義為彈塑體，采用六面體單元對其進行網格劃分。對于回轉體的網格劃分，采用軟件自帶的ringmesh網格劃分方法，即先把管坯截面劃分為4節點四邊形網格，再擴展為8節點六面體網格，共劃分8320個網格，同時定義網格劃分準則。

接觸和摩擦設置

管坯在旋壓過程中的變形屬于連續、局部塑性變形，摩擦條件的變化比較復雜。在不影響計算精度的情況下，適當簡化模型。將芯模外表面與坯料內表面設置為粘結接觸，在成形的過程中接觸面不發生相對滑動。各成形工藝參數如主軸轉速、進給比、旋輪的尺寸都會對旋輪與坯料之間的接觸情況產生影響，為了更加符合實際，將旋輪與坯料外表面設置為適合復雜接觸行為的自動接觸類型。

模擬結果分析

等效應變分布和金屬流動規律

為了方便觀察管坯在旋壓過程中的等效應變分布，選取坯料的截面圖如圖4所示。從圖4a中可以看出，等效應變主要分布于與旋輪接觸的區域，且呈帶狀分布。坯料在成形過程中受到較大的拉應力的作用，在管坯與旋輪圓角接觸的區域產生較大的拉應變，這是因為旋輪的圓角較小，使得管坯中間區域的金屬流動較慢。隨著旋輪的徑向進給，應變值呈增大趨勢，且應變值較大的區域也不斷增大。當成形結束之后，最大等效應變達到了1.90，如圖4d所示。

旋壓力變化規律

在后處理中提取旋輪在成形過程中的旋壓力數據，繪制載荷形成曲線如圖5所示。旋輪沿X方向進給，在Y、Z方向的旋壓力趨近于0，因此徑向旋壓力的大小與總旋壓力相近。從圖5中可以看出，在旋壓過程中，由于旋輪與管坯接觸情況不斷變化，旋壓力呈現頻繁波動的趨勢。在成形初始階段，隨著旋輪與坯料接觸面積的增大，旋壓力呈線性增長。當旋輪與坯料進入穩定接觸階段之后，旋壓力趨于穩定，變化較小。在成形結束階段，旋壓力急劇增大，最大值為150kN，載荷較小，實際生產設備可以滿足。

壁厚分析

管坯經過旋壓縮徑后的壁厚分布如圖6所示。由圖可知，縮徑后管坯壁厚分布不均勻，直壁部分壁厚幾乎不發生變化，而在與旋輪圓角接觸區域產生較大的局部減薄，壁厚僅為3mm左右，尚未達到零件所要求的4mm。壁厚缺陷的產生主要是因為管坯在一次成形中的變形量較大，而且旋輪圓角半徑過小，導致金屬流動的不均勻。

■ 表1 數值模擬參數

圖4 成形過程中的等效應變分布

圖5 X方向旋壓力—時間曲線

圖6 縮徑旋壓后管坯壁厚分布

工藝改進

壁厚不均勻將會影響零件的使用性能，容易產生裂紋、拉裂缺陷，因此，必須采用措施予以消除。為了改善管坯成形后的壁厚分布情況，除了采用較大的圓角半徑、減小進給比、改善潤滑條件等之外，本文提出在縮徑旋壓之前增加一道預旋工序。預旋工序采用圓角半徑R=13mm的弧形面旋輪，有限元模擬結果如圖7所示。為了明顯觀察成形后管坯的壁厚分布情況，選取模型的1/4。

在預旋之后，管坯整體變形均勻，壁厚減薄較少，管坯的整體壁厚均在4.5mm以上。這是因為采用弧形旋輪，有利于金屬沿旋輪切線方向流動，解決了管坯中間金屬流動困難的問題，使管坯在終旋工序之前壁厚分布更加均勻。經測量，在縮徑旋壓工序之后，管坯圓角處的最小壁厚為4mm左右，滿足零件的強度要求。

試驗與討論

圖7 工藝改進后模擬結果

在雙旋輪旋壓機上進行縮徑旋壓成形工藝試驗，坯料為304不銹鋼鋼管，工藝參數和試驗方案與模擬試驗時相同。原方案和改進方案得到的旋壓樣件如圖8所示，原方案經過縮徑旋壓后在圓角區域出現較大的減薄，與模擬結果吻合；在進行工藝方案改進之后，成形效果良好，明顯地提高了管坯整體壁厚分布的均勻性。

圖8 原方案和改進方案試驗對比

圖9 改進工藝后試驗和模擬的壁厚分布

為了得到縮徑后管坯的具體壁厚分布，在其長度方向上每隔2mm取一個測量點，共35個測量點。圖9為改進方案中數值模擬和試驗測量所得到的壁厚分布曲線。從圖中可以看出，縮徑旋壓后管坯在圓角區域的實際壁厚略大于模擬，最小壁厚為3.95mm；而C區的實際壁厚略小于模擬，但相差不大，試驗與模擬的壁厚分布趨勢基本吻合。因此，采用改進后的工藝方案對管坯進行縮徑旋壓，改善了其壁厚分布情況。

結束語

⑴根據304不銹鋼法蘭環的結構特點，制定了旋壓縮徑與鏟旋相結合的工藝方案，并對旋壓縮徑過程進行了有限元分析，獲得了成形過程中的等效應變分布、旋壓力變化規律和壁厚分布。

⑵針對法蘭環旋壓過程中的壁厚分布不均勻現象，進行工藝改進，增設預旋工步。模擬結果顯示，先采用圓弧形旋輪對管坯進行預旋，再采用終旋輪進行縮徑旋壓，有利于變形區金屬的流動，能夠改善其壁厚分布缺陷。

⑶在旋壓機上對法蘭環縮徑旋壓進行了試驗，試驗結果與模擬結果基本吻合，驗證了工藝改進后方案的可行性。采用預旋+終旋的兩次縮徑旋壓可以有效地減小壁厚減薄，獲得合格的旋壓樣件，對法蘭環的實際生產具有重要的指導意義。

嚴軍，工程師，主要從事沖鍛、旋壓工藝和模具設計。