304不銹鋼滾珠旋壓數值模擬研究

文/王長江·河南神州重型封頭有限公司

張晶·大連現代輔機開發制造有限公司

嚴冰劍·沈陽理工大學

304不銹鋼滾珠旋壓數值模擬研究

文/王長江·河南神州重型封頭有限公司

張晶·大連現代輔機開發制造有限公司

嚴冰劍·沈陽理工大學

304不銹鋼小直徑薄壁滾珠旋壓成形是一個涉及材料非線性、接觸摩擦非線性的復雜成形過程，易出現波紋、擴徑等缺陷。本文描述了利用DEFORM-3D軟件模擬304不銹鋼薄壁滾珠旋壓成形過程，分析研究減薄率、進給比、滾珠直徑對管材成形過程中的等效應力和等效應變的影響，確定了合理的工藝參數，為實際生產中工藝參數的選取提供必要的參考。

王長江，生產管理部經理，主要從事壓力容器大型封頭的生產管理，獲實用新型專利8項。

滾珠旋壓技術綜合了軋制、擠壓等成形技術的特點，常用于加工具有一定厚度、軸對稱、空心回轉體零件。滾珠旋壓技術具有材料利用率高、成形質量好等特點，特別適合加工直徑較小，強度要求較高但表面粗糙度要求較低的薄壁件，廣泛應用于航空、航天、機械等領域。但滾珠旋壓過程中管坯的變形較復雜，影響成形質量的因素很多，如減薄率、進給比、滾珠直徑等工藝參數，這些工藝參數選取是否合理直接關系著制件的成形質量。因此研究工藝參數對旋壓過程的影響具有重要的意義。

影響旋壓過程的工藝參數

滾珠旋壓是一種變薄旋壓，管坯變形必須盡可能均勻，如果變形不均勻會導致管材內的應力和應變不均勻，影響管件的表面質量和成形精度。影響旋壓成形過程的工藝參數較多，其中主要有減薄率φ、滾珠直徑Dp、進給比f。

減薄率可分為道次減薄率和總減薄率，它的選擇是否合理直接影響到旋壓力的大小、管件的成形質量等。減薄率的選擇取決于材料的性能、管件的質量和精度要求以及選用的旋壓設備等因素。

滾珠和管坯直接接觸，滾珠直徑的選擇將直接影響到管坯材料變形的穩定性，如果變形不穩定，易出現起皮、隆起以及擴徑等缺陷。

進給比反映變形的速率，進給比大生產效率高，管壁與芯軸貼合較好，但由于變形力較大，易產生波紋，表面粗糙度大等缺陷。

滾珠旋壓有限元模型

該304不銹鋼產品直徑為15.2mm，壁厚為0.34mm，三維圖如圖1所示。根據計算和實際生產經驗選取管坯尺寸為φ15.8×0.4mm。利用三維造型軟件建立滾珠、芯模、管坯模型，導入有限元DEFORM-3D中，進行網格劃分，共有81692網格單元。選擇修正的剪切摩擦模型，定義滾珠和管坯、管坯和芯模之間的摩擦系數為0.15，采用反向滾珠旋壓的成形方式，有限元模型如圖2所示。

圖1 304不銹鋼產品三維圖

圖2 有限元模型

模擬試驗方案

根據經驗，道次減薄率一般選擇10% ～45%，滾珠直徑范圍為4mm～7mm，進給比范圍為0.2～0.7mm/r，各試驗工藝參數見表1、2、3。

表1 減薄率對旋壓過程的影響試驗

表2 滾珠直徑對旋壓過程的影響試驗

表3 進給比對旋壓過程的影響試驗

減薄率對旋壓過程的影響

根據表1的試驗數據利用DEFORM-3D軟件進行模擬，研究不同減薄率對管坯等效應變和等效應力的影響，如圖3所示。

由圖3可知，當減薄率較小為10%時，管坯出現變形不足的區域，等效應力和等效應變都較小且分布不均勻。這是因為變薄率相對較小，旋壓過程中受到的旋壓力較小，管材未充分變形。減薄率增大到15%時，管材變形量增加且較均勻，未出現擴徑等缺陷，成形質量較好。繼續增大減薄率達到25%，此時等效應力和等效應變均增大，管材的變形較大，管壁出現材料褶皺等缺陷，同時出現擴徑等現象。因此減薄率選擇為15%較為合適。

滾珠直徑對旋壓過程的影響

根據表2的試驗數據，研究不同滾珠直徑對管坯等效應變和等效應力的影響，如圖4所示。

圖3 不同減薄率下的管坯等效應變和等效應力圖

由圖4可知，當滾珠直徑較小為4mm時，管坯受到的擠壓力較小，塑性變形不均勻，表面出現隆起和材料堆積等現象。增大滾珠直徑為5mm時，塑性變形增加，變形較均勻，管件表面無明顯的成形缺陷。當滾珠直徑達到6mm時，塑性變形較大，部分區域的等效應力較大，管坯出現擴徑現象。因此滾珠直徑選取5mm較為合理。

進給比對旋壓過程的影響

根據表3的試驗數據，研究不同滾珠進給比對管坯等效應變和等效應力的影響，如圖5所示。

由圖5所示，當進給比為f=0.4mm/r時，管件變形不均勻，出現起皮等缺陷，這是由于進給量較小，滾珠和管坯的接觸區域較小，管坯受力不均勻造成的。當進給比增大到0.5mm/r時，等效應變和等效應力較均勻，管件無明顯缺陷。進給比增大到0.6mm/r時，等效應力明顯增大，管件表面出現裂紋等缺陷。因此進給比選用0.5mm/r比較合理。

圖4 不同滾珠直徑下管坯等效應變和等效應力圖

圖5 不同進給比下管坯等效應力和等效應變圖

結束語

利用有限元軟件DEFORM-3D模擬小直徑304不銹鋼管材反向滾珠旋壓成形過程，根據成形過程等效應力和等效應變變化，可知減薄率、滾珠直徑和進給比對管坯成形質量的影響。隨著減薄率和進給比的增大，等效應力和等效應變逐漸增大；而隨著滾珠直徑的增大，管材內的等效應力和等效應變有減小的趨勢。