文/嚴(yán)軍，張建新·南通福樂達(dá)汽車配件有限公司

劉雨生，薛克敏·合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

法蘭環(huán)縮徑旋壓成形有限元分析及試驗研究

文/嚴(yán)軍，張建新·南通福樂達(dá)汽車配件有限公司

劉雨生，薛克敏·合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

近年來，汽車工業(yè)的快速發(fā)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(huán)境。汽車廢熱的再循環(huán)使用，有利于實現(xiàn)汽車的節(jié)能減排。法蘭環(huán)是汽車尾氣再利用裝置中的關(guān)鍵部件，其生產(chǎn)工藝采用旋壓成形代替?zhèn)鹘y(tǒng)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(huán)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(guī)律以及產(chǎn)生壁厚不均勻的原因。在此基礎(chǔ)上，提出了工藝改進(jìn)方案，并進(jìn)行了物理試驗，得到了合格的法蘭環(huán)樣件。

工藝分析

法蘭環(huán)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(huán)不同區(qū)域的壁厚不同，A區(qū)的壁厚為3mm，B區(qū)壁厚為5mm，C區(qū)壁厚為3.8mm，在B區(qū)與C區(qū)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(fù)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(zhuǎn)體零件。本文采用旋壓工藝對法蘭環(huán)的成形進(jìn)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(jìn)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(huán)零件尺寸

圖2 法蘭環(huán)成形過程

法蘭環(huán)成形中的關(guān)鍵是縮口旋壓階段，應(yīng)使管坯內(nèi)凹部分的壁厚分布均勻，避免出現(xiàn)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(jù)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(nèi)外表面一致。在成形過程中，芯模帶動管坯繞軸線做旋轉(zhuǎn)運動，旋輪沿徑向做進(jìn)給，同時在摩擦力的作用下產(chǎn)生被動旋轉(zhuǎn)。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(shù)及主要工藝參數(shù)見表1。

圖3 法蘭環(huán)有限元模型

網(wǎng)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(jìn)行網(wǎng)格劃分。對于回轉(zhuǎn)體的網(wǎng)格劃分，采用軟件自帶的ringmesh網(wǎng)格劃分方法，即先把管坯截面劃分為4節(jié)點四邊形網(wǎng)格，再擴(kuò)展為8節(jié)點六面體網(wǎng)格，共劃分8320個網(wǎng)格，同時定義網(wǎng)格劃分準(zhǔn)則。

接觸和摩擦設(shè)置

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

模擬結(jié)果分析

等效應(yīng)變分布和金屬流動規(guī)律

為了方便觀察管坯在旋壓過程中的等效應(yīng)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(yīng)變主要分布于與旋輪接觸的區(qū)域，且呈帶狀分布。坯料在成形過程中受到較大的拉應(yīng)力的作用，在管坯與旋輪圓角接觸的區(qū)域產(chǎn)生較大的拉應(yīng)變，這是因為旋輪的圓角較小，使得管坯中間區(qū)域的金屬流動較慢。隨著旋輪的徑向進(jìn)給，應(yīng)變值呈增大趨勢，且應(yīng)變值較大的區(qū)域也不斷增大。當(dāng)成形結(jié)束之后，最大等效應(yīng)變達(dá)到了1.90，如圖4d所示。

旋壓力變化規(guī)律

在后處理中提取旋輪在成形過程中的旋壓力數(shù)據(jù)，繪制載荷形成曲線如圖5所示。旋輪沿X方向進(jìn)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(xiàn)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(dāng)旋輪與坯料進(jìn)入穩(wěn)定接觸階段之后，旋壓力趨于穩(wěn)定，變化較小。在成形結(jié)束階段，旋壓力急劇增大，最大值為150kN，載荷較小，實際生產(chǎn)設(shè)備可以滿足。

壁厚分析

管坯經(jīng)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(fā)生變化，而在與旋輪圓角接觸區(qū)域產(chǎn)生較大的局部減薄，壁厚僅為3mm左右，尚未達(dá)到零件所要求的4mm。壁厚缺陷的產(chǎn)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(dǎo)致金屬流動的不均勻。

■ 表1 數(shù)值模擬參數(shù)

圖4 成形過程中的等效應(yīng)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(jìn)

壁厚不均勻?qū)绊懥慵氖褂眯阅?，容易產(chǎn)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(jìn)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(yù)旋工序。預(yù)旋工序采用圓角半徑R=13mm的弧形面旋輪，有限元模擬結(jié)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(yù)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(jīng)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(jìn)后模擬結(jié)果

在雙旋輪旋壓機(jī)上進(jìn)行縮徑旋壓成形工藝試驗，坯料為304不銹鋼鋼管，工藝參數(shù)和試驗方案與模擬試驗時相同。原方案和改進(jìn)方案得到的旋壓樣件如圖8所示，原方案經(jīng)過縮徑旋壓后在圓角區(qū)域出現(xiàn)較大的減薄，與模擬結(jié)果吻合；在進(jìn)行工藝方案改進(jìn)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(jìn)方案試驗對比

圖9 改進(jìn)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(jìn)方案中數(shù)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(qū)域的實際壁厚略大于模擬，最小壁厚為3.95mm；而C區(qū)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(jìn)后的工藝方案對管坯進(jìn)行縮徑旋壓，改善了其壁厚分布情況。

結(jié)束語

⑴根據(jù)304不銹鋼法蘭環(huán)的結(jié)構(gòu)特點，制定了旋壓縮徑與鏟旋相結(jié)合的工藝方案，并對旋壓縮徑過程進(jìn)行了有限元分析，獲得了成形過程中的等效應(yīng)變分布、旋壓力變化規(guī)律和壁厚分布。

⑵針對法蘭環(huán)旋壓過程中的壁厚分布不均勻現(xiàn)象，進(jìn)行工藝改進(jìn)，增設(shè)預(yù)旋工步。模擬結(jié)果顯示，先采用圓弧形旋輪對管坯進(jìn)行預(yù)旋，再采用終旋輪進(jìn)行縮徑旋壓，有利于變形區(qū)金屬的流動，能夠改善其壁厚分布缺陷。

⑶在旋壓機(jī)上對法蘭環(huán)縮徑旋壓進(jìn)行了試驗，試驗結(jié)果與模擬結(jié)果基本吻合，驗證了工藝改進(jìn)后方案的可行性。采用預(yù)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(huán)的實際生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。

嚴(yán)軍，工程師，主要從事沖鍛、旋壓工藝和模具設(shè)計。