復合增程彈戰斗部沖壓過程的數值模擬

劉裕濤，李艷飛，任建榮

（遼沈工業集團有限公司，遼寧沈陽，110045）

0 引言

隨著生產產業的快速發展和持續更新，沖壓領域出現了許多新技術，新工藝，新材料，新設備，促進了熱沖壓技術的不斷改進[1]。熱沖壓技術是制造炮彈的主要加工方法之一，主要包括預壓型、沖孔和拔伸三部分。由于熱沖壓技術是彈丸成型工藝中必不可少的步驟，其工作原理與工藝流程的研究對于復合增程彈戰斗部生產工藝改進具有重要意義[2]。復合增程彈戰斗部區別于普通榴彈戰斗部，其戰斗部短小且戰斗部外形大部分都在前弧形部，通過Deform軟件，對戰斗部熱沖壓工藝中的沖孔過程進行仿真計算，以便于研究溫度、壓力和毛坯尺寸之間的關系，研究材料的沖壓力和流動性能等[3]。

1 毛坯設計

1.1 戰斗部結構

通過對該口徑復合增程彈相關資料的研究，并結合實際炮彈尺寸和炮彈加工的要求，通過反向逆推的方式以及等體積法對炮彈坯料進行設計。復合增程彈戰斗部殼體的結構簡圖，如圖1所示。

圖1 戰斗部殼體結構簡圖

1.2 計算毛坯及沖頭尺寸

1.2.1 計算毛坯尺寸

根據毛坯用料量，按照體積不變計算長度。一般假定塑性變形前物體體積等于塑性變形后物體體積，即塑性變形后物體體積不變。根據拔伸毛坯的用料重量，加上適量的消耗，按照體積不變原則計算出坯料下料的長度[4,5]。沖孔毛坯的截面積尺寸計算，見式(1)。

式中，S1為截面積，Dm為沖孔后毛坯的平均外徑，dm為沖孔后毛坯的平均內徑。

1.2.2 計算沖頭尺寸

為使彈體藥室加工余量均勻，使得沖頭形狀與藥室底部形狀相同，并且為減小定位誤差，粗精加工一次完成。首先對藥室精加工余量進行計算，見式(2)。

式中，Ra為拔伸后粗糙度，Ta為拔伸后表面缺陷，ta為拔伸后藥室形狀公差，μb為拔伸加工誤差，IT為藥室粗加工誤差。然后對藥室粗加工余量進行計算，見式(3)。

式中Ra′為沖孔后粗糙度，Ta′為沖孔后表面缺陷，ta′為沖孔后藥室形狀公差，μb′為沖孔加工誤差，IT內為藥室加工誤差。根據公式(1.2)和(1.3)可以算出沖頭的平均直徑，見式(4)。

2 沖壓仿真計算

2.1 建立幾何模型

沖孔很大程度決定了熱沖壓毛坯質量，尤其是對于彈體毛坯壁厚差的大小。沖壓和沖孔設備的壁厚影響穿孔裝置的耐久性。厚度薄的情況下，凹模容易冷卻，但強度低，凹模壁容易被擠壓到槽內，不容易拆下模具。凹模的墻壁太厚的話就不容易降溫冷卻，使用壽命低，并且材料也會浪費。如圖2為沖頭和凹模的三維幾何模型。

圖2 沖頭和凹模的三維幾何模型

2.2 仿真計算

2.2.1 選擇變量

在進行熱沖壓工藝過程中，毛坯的溫度有一定的范圍。溫度過高，沖壓后的高溫會影響原材料的質量。以最后的沖壓溫度為基準，參考熱沖壓過程所降低的溫度來給定它的初始溫度。進行正確的加熱要確保炮彈毛坯的內外部材料溫度均衡，依次為基礎來減少炮彈毛坯的燒損并且提升生產率，為了降低變形抗力，其加熱溫度應盡量高一些。沖壓過后的毛坯的獲得組織均勻，細小晶粒并且無硬化和裂紋現象。結合材料的性質和加工方式，通過計算得到了板料和模具的減薄率、成形噸位、顯微組織轉變、硬度、最佳保溫時間、應力應變、溫度變化等，從而優化了熱沖壓工藝參數和模具。由于對于毛坯加工生產的廠家不同，因此各單位對熱沖壓的溫度也是不盡相同的，原材料的熱沖壓溫度如表1所示。

表1 熱沖壓溫度范圍

通過表里數據所示，鋼的熔點在1500℃左右，所以根據生產經驗可以確定其范圍為 1100～1180℃，在沖壓仿真實驗中設置了1350℃為初始溫度。

2.2.2 參數設置

結合實際情況，現對幾個重要的參數進行分析設置。把沖頭模具設置為剛性體，沖頭和模具不會發生變形，工具的運動方式主要分為兩種，直線運動和旋轉。本次仿真使沖頭向下運動，結合實際生產，所需要的毛坯經過下料，預壓型之后，進行毛坯沖壓，沖壓速度經過查找資料結合實際加工要求，設定速度為100mm/s。

網格的設置，如果用自身帶的網格剖分程序，只能劃分為四面體單元，主要是考慮網格重劃分時的方便和快捷。但是也接受外部程序所生成的六面體網格。對于所有有限元數值分析，根據其原理是把所需要沖壓的模型離散成很多個小六面體或者四面體，對于每個六面體或四面體的每個表面賦予一個邊界條件，使其離散化更好的能達到計算過程。因此對模具的離散化網格劃分是基礎。網格劃分的基礎條件是，材料進行網格劃分過后，應該可以充分體現原來的特征。Deform有兩種方法，即相對網格和絕對網格的劃分。本次設計對于系統的設定改為絕對值。

由于Deform只能繪制四面體網格，本次劃分網格數為36265個網格，556個節點。這個網格劃分的大小是根據實際坯料變形的程度和變形情況來劃分的。如果有變形量特別大的區域，局部網格的劃分就應該細致一點，否則在模擬過程中就會出現畸變。

邊界條件的設置，主要設置對稱邊界、熱傳導面以及其它邊界條件。首先把需要的面設置外部熱交換，表示坯料在選中的面上都是可以導熱。

3 仿真計算結果分析

3.1 金屬流動的仿真結果

在沖壓過程中受內外因素的影響，金屬流動很不均勻。其中外部因素主要有擠壓方法、外摩擦、工具形狀及變形程度等。內部因素主要有合金成分、金屬強度、導熱性等。圖3為金屬流動分布過程圖。

圖3 金屬流動分布過程圖

圖3中金屬流動受擠壓方法的影響，接觸摩擦的影響，工具結構與形狀的影響，金屬坯料與工具溫度的影響和金屬強度的影響。一般情況下，采用反擠壓、潤滑擠壓、冷擠壓等方法可以使金屬均勻流動。反之，用正擠壓等則使金屬不均勻流動。然后摩擦條件也是影響金屬流動的重要條件，接觸摩擦力特別是在凹模內對金屬流動的影響最大。金屬的坯料和工具的影響可以通過減小溫差來減小影響。金屬本身的變形抗力就是比較大的，因此也會產生影響。強度高的金屬或者合金要比強度低的金屬流動要更加均勻。

3.2 等效應力的仿真結果

由仿真計算結果可知，應力分布出現兩極分布。由于是預壓沖頭從上而下進行預壓，因此受力較大是毛坯底部，中間應力分布較為均勻幾乎沒有應力分布，毛坯頂部即為預壓沖頭接觸的部位，應力分布較為明顯，最大應力可達190Mpa。根據數據結合查找資料，可以得知應力分布較為合理。如圖4為應力的分布圖。

圖4 等效應力圖

從圖中可以看出應力分布較為均勻，并且應力值很大，說明模具所要承受應力較大，減小對模具應力可以更好延長模具使用壽命，降低生產成本。

3.3 沖壓載荷的變化

為了便于分析沖孔載荷情況，利用Deform軟件生成載荷圖，如圖5所示，為復合增程彈戰斗部毛坯沖壓載荷變化圖。

圖5 形成應力載荷曲線

X軸為Deform軟件中沖頭相對毛坯運行的路程，Y軸則是毛坯沖壓時所受到的載荷大小。從圖中可以觀察到沖頭運行距離與沖壓沖頭所受的載荷成正比，而且在沖頭剛開始受到的載荷隨著溫度的提升也是不斷減小。與此同時，沖壓成形過程中所受到的最大成形載荷隨溫度的提升，受到的載荷力在不斷增加，載荷與沖頭行程距離成正比。

3.4 溫度對沖壓過程的影響

為了研究炮彈毛坯溫度對沖壓的影響，根據初始仿真數據，做了二組不同溫度下的仿真模擬，來對比溫度對沖壓過程的影響。本文使用了兩種不同的溫度進行模擬，分別為1350℃（工況一）和 1400℃（工況二）。

工況一中溫度為1350℃為初始溫度值，然后為了研究溫度對沖壓過程的影響，工況二設置為1400℃，同時其它的參數在仿真計算中都保持不變。合理的溫度是確保沖壓質量的要素之一，溫度是通過感應加熱系統加熱彈體毛坯的溫度，彈體的毛坯溫度會影響彈體毛坯的沖壓質量和成形。通過比較兩組的仿真計算結果，發現沖壓毛坯的流速在不同溫度下變化不大。因此，說明沖壓成形載荷的大小、應力和應變以及殼體坯料的金屬流動方向的存在一定規律性。溫度區間的合理選取，對于炮彈沖壓速率和合格率有較大的提升作用，可以增加生產量，節約時間，同時，在沖頭下壓運動的過程中沖頭兩邊炮彈毛坯在受到模具的約束下，炮彈毛坯向上運動。溫度越高，沖頭與炮彈毛坯接觸面積越大，炮彈毛坯溫度對炮彈毛坯沖壓產生的影響就越明顯，如圖6是溫度1400℃時的金屬流動分析圖。

圖6 1400℃下金屬流動分布圖

由圖6可知，炮彈沖壓的溫度越高合格率則越好，選取合理沖壓溫度可以增加產量并節省時間，在指定的材料參數范圍內更快增加更多的生產量。同時，在沖頭的向下運動期間，沖頭兩側的毛坯料被壓緊，提高材料的強度。

4 總結與展望

本文主要運用Deform仿真技術對復合增程彈戰斗部沖壓過程進行了仿真計算，對戰斗部所設計的毛坯沖壓等效應力應變、載荷情況進行研究得出如下結論：

（1）針對毛坯溫度1350℃和1400℃對炮彈毛坯沖壓成形的影響進行研究，并結合等效應力以及載荷變化情況，進行對比和分析過后，總結出來在溫度1400℃是這兩種溫度中最優的毛坯溫度參數。

（2）針對摩擦系數不同的情況下對毛坯沖壓過程進行詳細對比分析，分別設置了兩組不同的摩擦系數0.3和0.4。通過對炮彈毛坯沖壓等效應力應變、載荷情況進行研究，得到摩擦力越大等效應力越大，金屬流動效果在沖壓力最大的部分流動性更好的結論。