錐形件強旋成形有限元建模關鍵技術研究*

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、疲勞性能良好等優點，已廣泛應用于航空航天、武器裝備、石油化工等領域的重要部件中[1]。錐形件強旋是一個多因素交互作用下的復雜的局部連續塑性成形過程[2]，在實際生產中工藝參數的選擇主要依據經驗而定，同時該成形工藝的復雜性加深了仿真模擬的難度。本文根據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鍵技術進行探討與處理的基礎上，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確定及優化提供了有效的參考。

1 錐形件強旋成形有限元建模的關鍵技術

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，實現芯模與毛坯的完全同速運轉，從而避免了尾頂的建模工作；采用雙旋輪裝置，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應力應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 網格劃分

本文采用各向同性材料，考慮到數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，對坯料進行網格局部細化，在徑向、軸向壁厚和同向進行單元網格劃分，整個工件共劃分為6 600個單元、9 200個節點。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生變形的，因此假設成剛體，網格的密度也相應地比坯料要小得多，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個節點；旋輪視為解析剛體進行離散，無需網格的劃分。坯料和芯模的單元網格劃分分別如圖3、圖4所示。

圖3 坯料網格劃分

圖4 芯模網格劃分

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，理想的狀態是相對不發生摩擦，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、網格密度以及質量放大因子情況下的旋壓過程進行了模擬分析。分析結果表明：當坯料采用六面體減縮積分實體單元C3D8R、網格劃分情況如圖3所示(單元數6 600個單元，節點數9 200個)、質量放大因子為225時，模擬所獲得的偽應變能、動能與內能的比很小(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，將計算結果與實驗數據進行了對比，如圖6所示。

圖6 計算結果與實驗數據對比

從圖6中可以看出：計算結果與實驗數據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、材料屬性設置、網格劃分、邊界條件等關鍵技術探討與合理處理的基礎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。