大直徑30CrMnSiA筒形件對(duì)輪旋壓成形過(guò)程的數(shù)值模擬

孫于晴，韓 冬，楊延濤，趙升噸

（1.西安航天動(dòng)力機(jī)械有限公司，陜西 西安 710025；2.西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

1 引言

隨著科技的不斷進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)水平的提高，世界各個(gè)航天大國(guó)均在航天運(yùn)載火箭上加大投入以保持其領(lǐng)先水平，重型運(yùn)載火箭是各國(guó)航天器研制的重要方向，近年來(lái)我國(guó)也著力開(kāi)展重型運(yùn)載火箭、重型運(yùn)載器的研制。目前，世界主流大型運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體為大直徑高強(qiáng)度鋼筒形件，此類(lèi)構(gòu)件采用傳統(tǒng)有模旋壓成形時(shí)存在芯模和工裝制造困難，工件內(nèi)外表面變形不均等問(wèn)題[1-4]。對(duì)輪旋壓成形技術(shù)是在傳統(tǒng)的強(qiáng)力旋壓基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一種旋壓加工方式，用內(nèi)旋輪替代芯模，降低了旋輪及機(jī)床主軸的受力，能夠加工一定范圍內(nèi)任意直徑的筒形件而不需要制造對(duì)應(yīng)尺寸的芯模，節(jié)約了芯模制造成本，解決了傳統(tǒng)旋壓加工內(nèi)外表面變形不均的問(wèn)題，在大直徑筒形件的加工中具有明顯的優(yōu)勢(shì)[5-6]。

目前，關(guān)于對(duì)輪旋壓的研究較少，燕山大學(xué)張濤開(kāi)展了對(duì)輪旋壓成形時(shí)不同工藝參數(shù)下金屬變形的速度場(chǎng)、應(yīng)變速率場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的理論研究[7]。華南理工大學(xué)曾超揭示對(duì)輪旋壓過(guò)程中20鋼及H62黃銅的晶粒細(xì)化機(jī)制，獲得減薄率及再結(jié)晶退火工藝對(duì)旋壓件力學(xué)性能的影響規(guī)律[8]。郭代峰運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以減薄率、圓角半徑、進(jìn)給比為試驗(yàn)因素，建立了對(duì)輪旋壓成形內(nèi)徑擴(kuò)徑量的預(yù)測(cè)模型，其預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差不超過(guò)5%[9]。中北大學(xué)席奇豪應(yīng)用有限元軟件ANSYS進(jìn)行對(duì)輪旋壓成形數(shù)值模擬，采用正交試驗(yàn)法對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行分析，獲得了影響錫青銅筒形件壁厚差和擴(kuò)徑量的因素主次順序[10]。曾超對(duì)比了對(duì)輪旋壓、錯(cuò)距旋壓和有模旋壓成形得出對(duì)輪旋壓成形等效應(yīng)力、應(yīng)變差最小[11]。

由于大直徑超高強(qiáng)度鋼旋壓難度大，國(guó)內(nèi)對(duì)輪旋壓設(shè)備加工能力有限，尚未見(jiàn)大直徑超高強(qiáng)度鋼筒形件對(duì)輪旋壓的相關(guān)研究，本文基于有限元軟件ABAQUS，建立30CrMnSiA筒形件對(duì)輪旋壓有限元模型，對(duì)其加工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，得出對(duì)輪旋壓成形過(guò)程中內(nèi)外表面應(yīng)力對(duì)稱(chēng)分布，改善了工件內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)；通過(guò)單因素試驗(yàn)獲取了減薄率、旋輪成形角、進(jìn)給比對(duì)圓度誤差、壁厚偏差的影響規(guī)律，綜合優(yōu)選出一組最優(yōu)的成形工藝參數(shù)，從而為工業(yè)實(shí)際中對(duì)輪旋壓技術(shù)的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 對(duì)輪旋壓基本工作原理

在對(duì)輪旋壓工藝過(guò)程中，內(nèi)外旋輪一般成對(duì)布置，且每對(duì)旋輪中心的連線(xiàn)必須經(jīng)過(guò)工件中心，為了工件質(zhì)量和工裝受力合理性，旋輪對(duì)數(shù)一般為三對(duì)或四對(duì)，沿工件周向均勻布置，工件受力如圖1a所示。工作時(shí)內(nèi)外旋輪取代芯模，內(nèi)外旋輪同時(shí)向前進(jìn)給，并在工件轉(zhuǎn)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)，對(duì)工件內(nèi)外壁同時(shí)減薄，如圖1b所示。

3 30CrMnSiA筒形件基本尺寸及材料性能

3.1 對(duì)輪旋壓筒形件基本尺寸

旋壓前毛坯的外徑為2000mm，壁厚30mm，長(zhǎng)度為1000mm。旋輪直徑為300mm，圓角半徑為8mm。按照實(shí)際模型的幾何尺寸，分別建立旋輪和毛坯的幾何模型，四對(duì)旋輪周向間隔90°分布。為了簡(jiǎn)化模型，將毛坯定義為可變形體，旋輪定義為解析剛體[12]。將旋輪和毛坯進(jìn)行裝配，三維模型如圖2所示。

3.2 30CrMnSiA材料性能

為簡(jiǎn)化模型，將旋輪視為三維解析剛體，工件視為三維可變形實(shí)體。實(shí)驗(yàn)采用工件材料為30CrMn-SiA，材料的通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)得其性能參數(shù)如表1、表2所示，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系圖見(jiàn)圖3。

圖2 對(duì)輪旋壓幾何模型

表1 30CrMnSiA化學(xué)成分

表2 30CrMnSiA力學(xué)性能

圖3 30CrMnSiA應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)

4 有限元模型的建立

4.1 基本假設(shè)

為了提高模擬計(jì)算效率，做出以下兩點(diǎn)基本假設(shè)：①在筒形件成形過(guò)程中，旋輪的變形屬于彈性變形，而且在數(shù)量上很小，所以可以忽略旋壓過(guò)程中旋輪的變形；②由于旋壓加工過(guò)程中不斷冷卻，工件溫度變化小，因此忽略旋壓過(guò)程溫度變化對(duì)坯料變形的影響。

4.2 邊界條件

對(duì)于強(qiáng)力旋壓成形，常用的有公轉(zhuǎn)模型和自轉(zhuǎn)模型，自轉(zhuǎn)模型更加貼合實(shí)際工況，模擬結(jié)果更準(zhǔn)確[12]。將卡盤(pán)的參考點(diǎn)與工件下表面施加耦合約束，使卡盤(pán)參考點(diǎn)的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)同步傳遞到工件上，實(shí)現(xiàn)工件的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，四對(duì)內(nèi)外旋輪分別建立各自的局部坐標(biāo)系，坐標(biāo)軸與旋輪中心軸線(xiàn)重合。在成形過(guò)程中工件轉(zhuǎn)動(dòng)，在摩擦力作用下帶動(dòng)旋輪自轉(zhuǎn)，同時(shí)對(duì)旋輪施加向下的進(jìn)給速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)輪旋壓成形過(guò)程模擬。

4.3 網(wǎng)格劃分

在數(shù)值模擬過(guò)程中，網(wǎng)格質(zhì)量直接影響計(jì)算精度和效率，六面體網(wǎng)格具有分析精度高，大變形時(shí)不易產(chǎn)生畸變的優(yōu)點(diǎn)由于工件為規(guī)則形狀的筒體，在旋壓成形時(shí)會(huì)發(fā)生大的彈塑性變形[13]，故選取顯式線(xiàn)性3D Stress六面體單元C3D8R，共劃分96000個(gè)六面體單元，網(wǎng)格劃分如圖4所示。由于旋壓過(guò)程中工件發(fā)生了彈塑性大變形，容易導(dǎo)致工件的網(wǎng)格發(fā)生畸變而無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行求解，因此采用ALE網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)，通過(guò)允許網(wǎng)格獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，保證網(wǎng)格的質(zhì)量并維持其拓?fù)湫螤睿M(jìn)而有效解決此問(wèn)題。

圖4 網(wǎng)格劃分

5 對(duì)輪旋壓工藝方案的確定及參數(shù)選取

針對(duì)影響旋壓過(guò)程的重要工藝參數(shù)進(jìn)行分析，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，選取工藝參數(shù)如下：

（1）旋輪成形角。通常，工藝參數(shù)范圍在20°～30°之間，因此模擬中旋輪成形角分別取15°、20°、25°、30°、35°。旋輪成形角受坯料尺寸和壁厚減薄率的影響，在實(shí)際加工中 ，成形角越大，材料隆起越高，易造成金屬的非穩(wěn)定流動(dòng)，因此成形角不宜太大。

（2）減薄率。考慮到減薄率對(duì)工件旋壓精度和表面質(zhì)量的影響，減薄率一般要早合適的范圍內(nèi)選取，減薄率過(guò)大，容易出現(xiàn)軸向破裂、周向斷裂和鱗狀剝離等缺陷，減薄率過(guò)小，容易產(chǎn)生人字形裂紋和壁部皺折，為了得出減薄率對(duì)成形質(zhì)量的影響規(guī)律，本文選取的壁厚減薄率跨度較大，依次為20%、25%、30%、35%。

（3）進(jìn)給比。進(jìn)給速率影響旋壓加工的效率，在機(jī)床轉(zhuǎn)速一定的情況下，旋壓的進(jìn)給比決定著旋輪的進(jìn)給速率。本文選取進(jìn)給比依次為：0.6、0.9、1.2、1.5。

根據(jù)上述旋輪成形角和減薄率的選取，設(shè)計(jì)模擬方案如表3所示。

表3 對(duì)輪旋壓數(shù)值模擬工藝方案

6 結(jié)果與討論

通過(guò)開(kāi)展十一組單因素模擬試驗(yàn)，分析對(duì)輪旋壓成形過(guò)程內(nèi)外表面應(yīng)力分布狀態(tài)；圓度誤差和壁厚偏差是反映旋壓成形精度的重要指標(biāo)，其中壁厚偏差是指在穩(wěn)定旋壓階段筒形件壁厚最大值與最小值之差，圓度誤差指最大直徑與最小直徑的差值[14，15]。從筒形件的頂部向下，依次在其長(zhǎng)度的 1/5，2/5，3/5，4/5處截面上，提取內(nèi)外圓所有節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值，在MATLAB中計(jì)算圓度誤差以及壁厚偏差。

以及旋輪成形角、進(jìn)給率、減薄率對(duì)成形精度的影響規(guī)律。

6.1 模型可靠性分析

將顯式動(dòng)態(tài)分析過(guò)程視為準(zhǔn)靜態(tài)求解，所需時(shí)間較長(zhǎng)。在不影響分析結(jié)果精度的前提下，為了提高模擬效率，本文通過(guò)質(zhì)量放大來(lái)加快計(jì)算速度。為保證模型的穩(wěn)定性，驗(yàn)證系統(tǒng)的動(dòng)能與內(nèi)能比值。經(jīng)驗(yàn)證，所有模型均滿(mǎn)足動(dòng)能內(nèi)能比小于5%，見(jiàn)表4。故本文所取的質(zhì)量放大系數(shù)是合理的[16，17]。

表4 各組參數(shù)下的功能內(nèi)能比

6.2 旋壓加工過(guò)程中的應(yīng)力變化分析

對(duì)輪旋壓過(guò)程中，隨著旋輪沿工件軸向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，工件材料向反方向流動(dòng)，旋輪正下方的金屬發(fā)生塑性變形，旋輪上方的金屬進(jìn)入變形區(qū)，發(fā)生了一定的彈塑性變形，并出現(xiàn)隆起現(xiàn)象。應(yīng)力隨旋輪運(yùn)動(dòng)而變化，其不同時(shí)刻應(yīng)力變化云圖如圖5a、b、c、d所示，最大應(yīng)力發(fā)生在旋輪與工件的接觸區(qū)域，隨著旋輪的脫離，應(yīng)力將逐漸減小。由圖6可看出，在對(duì)輪旋壓成形過(guò)程中，內(nèi)外表面應(yīng)力對(duì)稱(chēng)分布。

6.3 減薄率對(duì)成形精度的影響規(guī)律

減薄率是指壁厚減薄量與工件初始厚度的比值，反映了工件變形程度，是旋壓成形過(guò)程中的重要工藝參數(shù)，直接影響旋壓力大小及成形精度[18-20]。減薄率對(duì)圓度誤差、壁厚偏差規(guī)律如圖7、圖8所示，隨著減薄率增大，圓度誤差隨之增大，這是因?yàn)闇p薄率增大引起材料周向流動(dòng)增大引起圓度誤差增加。壁厚偏差隨減薄率增大而增大，材料軸向流動(dòng)阻力增大，旋輪前方金屬隆起不斷增加引起壁厚偏差的增加。

圖5 不同時(shí)刻應(yīng)力云圖

圖6 應(yīng)力云圖剖面圖

圖7 不同減薄率下圓度誤差變化規(guī)律

圖8 不同減薄率下壁厚偏差變化規(guī)律

6.4 進(jìn)給比對(duì)成形精度的影響規(guī)律

隨著進(jìn)給比增大，圓度誤差和壁厚偏差均先增大先增大后減小，在進(jìn)給比為1.2時(shí)圓度誤差、壁厚偏差達(dá)到最小值，如圖9、10所示。這是因?yàn)殡S進(jìn)給比增大時(shí)，材料軸向流動(dòng)增大，周向流動(dòng)減小，使得圓度誤差減小，但過(guò)大的進(jìn)給比會(huì)引起旋輪前金屬堆積，圓度誤差反而增加。進(jìn)給比減小，導(dǎo)致前后的螺旋帶有較多的重合部分，引起工件反復(fù)擠壓，使得壁厚偏差增大。但過(guò)大的進(jìn)給比會(huì)引起旋輪前金屬堆積，壁厚均勻性變差。因此在合適范圍內(nèi)增大進(jìn)給比有助于提高生產(chǎn)效率和成形精度。

6.5 成形角對(duì)成形精度的影響

圖9 不同進(jìn)給比下圓度誤差變化規(guī)律

圖10 不同進(jìn)給比下壁厚偏差變化規(guī)律

圖11 不同成形角下圓度誤差變化規(guī)律

圖12 不同成形角下圓度誤差變化規(guī)律

在不改變工件壁厚的條件下，分別模擬旋輪成形角為 15°、20°、25°、30°、35°時(shí)加工過(guò)程，分析結(jié)果見(jiàn)圖11、12，隨著成形角的增大，材料隆起明顯，旋壓力先下降后上升。因?yàn)楫?dāng)成形角α越大，材料隆起越高，越容易造成材料堆積，旋壓力和等效應(yīng)變均隨之增大，造成加工困難；當(dāng)成形角α過(guò)小時(shí)，旋輪與毛坯的接觸面積增大，旋壓力也隨之增大。

7 結(jié)論

（1）在對(duì)輪旋壓成形過(guò)程中，最大應(yīng)力發(fā)生在與旋輪接觸的坯料表面上，且內(nèi)外表面應(yīng)力對(duì)稱(chēng)分布，改善了工件內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)。

（2）隨著減薄率的增大，圓度誤差和壁厚偏差隨著減薄率的增大而增大；隨著成形角、進(jìn)給比的增大均先減小后增大。在成形角為25°，進(jìn)給比為1.2時(shí)圓度誤差和壁厚偏差最小。旋壓力和等效應(yīng)變均增大，工件徑向壓縮量增加，旋壓加工效率明顯提升。

（3）考慮成形精度、加工效率等因素，選取一組最合理的加工工藝參數(shù)為成形角25°，進(jìn)給比1.2，減薄率30%。以上規(guī)律為30CrMnSiA筒形件旋壓加工參數(shù)的選取提供依據(jù)，并對(duì)工藝參數(shù)的優(yōu)化起指導(dǎo)作用，在生產(chǎn)實(shí)際中具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。