內(nèi)外復(fù)合三通管輥模拉拔機械復(fù)合數(shù)值模擬

馬琳玲 雷君相

摘要：采用輥模拉拔技術(shù)對圓形外管和Y型內(nèi)芯進(jìn)行機械復(fù)合，該技術(shù)和傳統(tǒng)拉拔復(fù)合技術(shù)相比的主要優(yōu)勢是提高了成形質(zhì)量，減少了加工能耗。為了探究采用輥模拉拔技術(shù)復(fù)合后外管和內(nèi)芯間的抗拉脫力變化，基于ABAQUS有限元軟件，建立了內(nèi)外復(fù)合三通管輥模拉拔機械復(fù)合過程的有限元模型。通過分析外管和內(nèi)芯間的殘余接觸壓力，運用公式估算出外管和內(nèi)芯間的抗拉脫力。

關(guān)鍵詞：機械復(fù)合;輥模拉拔;有限元模型;殘余接觸壓力

中圖分類號：TG356文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車零部件產(chǎn)業(yè)得到了蓬勃發(fā)展。對搖臂軸用鋼管，凸輪軸用鋼管，直拉桿用鋼管，高低壓油管等汽車用精密鋼管的要求越來越高。然而，由于國內(nèi)制備該類零部件的技術(shù)還不夠成熟，只能依靠進(jìn)口，價格十分昂貴，所以國內(nèi)一些公司開始自主研發(fā)。

鄭寶龍等指出了輥模拉拔技術(shù)優(yōu)于固模拉拔技術(shù)，金城和李新立詳細(xì)介紹了異型鋼材、線材的成型技術(shù)，郭明海等深入研究了雙金屬管復(fù)合技術(shù)，陳海云研究了雙金屬管復(fù)合成型理論并開發(fā)出了成型裝置。國外Krips等在1976年首先推導(dǎo)出了換熱管與管板的殘余接觸應(yīng)力公式;竹本昌史等在假設(shè)管材為理想彈塑性材料的前提下，研究得到了脹管壓力與殘余接觸應(yīng)力的關(guān)系。

本課題研究對象為內(nèi)外復(fù)合三通管，是一種汽車發(fā)動機凸輪軸鋼管。在研發(fā)試驗中，使用PullTester 20拉脫力試驗儀（如圖1所示）測試原固模拉拔技術(shù)所得試樣的外管和內(nèi)芯間抗拉脫力，數(shù)據(jù)見表1。測試結(jié)果表明，外管和內(nèi)芯間抗拉脫力過低。為了解決這一問題，現(xiàn)采用輥模拉拔復(fù)合技術(shù)替代原固模拉拔復(fù)合技術(shù)，并通過ABAQUS有限元軟件建立有限元模型，探究外管和內(nèi)芯間的接觸壓力變化規(guī)律，并依據(jù)外管和內(nèi)芯間的殘余接觸壓力，估算出外管和內(nèi)芯間的抗拉脫力。外管和內(nèi)芯復(fù)合問題為復(fù)雜的非線性固體和結(jié)構(gòu)力學(xué)問題，本文采用ABAQUS有限元軟件中顯式非線性動態(tài)方法進(jìn)行分析，該方法適用于分析受載荷并隨后在結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生復(fù)雜的相互接觸作用的結(jié)構(gòu)的瞬間動態(tài)響應(yīng)問題.

1 零件材料及尺寸

試驗中外管材料為20鋼，內(nèi)芯材料為10鋼，材料力學(xué)性能見表2，應(yīng)力一應(yīng)變曲線分別見圖2和圖3，零件截面尺寸及形狀見圖4。

2有限元分析

2.1模型建立及網(wǎng)格劃分

利用UG建模軟件對各個部件進(jìn)行三維建模，模型坐標(biāo)原點統(tǒng)一定義在外管和內(nèi)芯同心圓心上，其中輥模外徑為156mm，內(nèi)徑為97mm，寬15mm。Y型三輥空間坐標(biāo)見表3，孔型是直徑為18mm的圓形。導(dǎo)人ABAQUS有限元軟件中進(jìn)行裝配，外管和內(nèi)芯相對位置固定，在內(nèi)芯可以套進(jìn)外管的前提下，兩者間初始間隙預(yù)留0.1 mm，設(shè)置兩者運動方向為X軸正方向，采用映射、掃略等方法劃分網(wǎng)格，其中3個輥模共有30556個節(jié)點，25435個單元;外管共有19348個節(jié)點，15623個單元;內(nèi)芯共有19763個節(jié)點，15245個單元，得到的模型網(wǎng)格劃分局部圖如圖5所示。

軋輥設(shè)置為剛體，外管和內(nèi)芯設(shè)置為彈塑性體。本模擬中三輥模采用R3D4三維四邊形剛性單元，外管和內(nèi)芯采用C3D8T 8結(jié)點熱耦合六面體單元，采用減縮積分方法設(shè)置三向線性位移及三向線性溫度。

2.2接觸定義及載荷施加

選用面.面接觸類型創(chuàng)建接觸對，因輥模拉拔時是由坯料帶動輥子轉(zhuǎn)動，所以選擇外管外表面為主面，輥模表面為從面，分別建立輥模與外管外表面、外管內(nèi)表面與內(nèi)芯外表面的接觸對。定義輥模和外管徑向接觸屬性為“硬接觸”，在切向接觸屬性設(shè)置中，設(shè)置摩擦公式為罰函數(shù)摩擦公式，外管和內(nèi)芯間的靜摩擦因數(shù)為0.2。

設(shè)置三輥模對外管的壓下量為0.28mm，拉拔速率為500mm·s^-1，環(huán)境溫度為20℃。

2.3模擬結(jié)果及討論

復(fù)合過程中，外管首先是在輥模的周向壓力作用下發(fā)生變形，然后外管內(nèi)表面和內(nèi)芯外表面接觸，最后隨著外管和內(nèi)芯沿著水平方向運動，外管直徑縮小，直至外管和內(nèi)芯被拉拔出復(fù)合孔，此時外管發(fā)生塑性變形，內(nèi)芯只發(fā)生彈性變形。且因外管和內(nèi)芯復(fù)合后彈性回復(fù)量不同，外管和內(nèi)芯之間產(chǎn)生殘余接觸壓力，外管和內(nèi)芯實現(xiàn)有效復(fù)合。

外管和內(nèi)芯復(fù)合后殘余接觸壓力分布見圖6，殘余接觸壓力方向取指向圓心為正，可以看出從外管外表面至內(nèi)表面，外管受到的殘余接觸壓力變化為負(fù)-正-負(fù)，內(nèi)芯整體受到的殘余接觸壓力為正。

為了更加詳細(xì)地了解外管和內(nèi)芯間的接觸壓力的變化，在后處理場變量輸出中，分別選取外管和內(nèi)芯接觸面上不同位置的典型單元進(jìn)行接觸壓力一時間分析。其中典型單元的選取見圖7，單元位置分別為內(nèi)芯的前，中，末端，相應(yīng)記為a，b，c，圖8中從左至右藍(lán)、紅、黑三條曲線分別表示a，b，c位置接觸壓力隨時間的變化。

圖8中點①，③，⑤分別表示a，b，c位置在外管和內(nèi)芯輥模拉拔復(fù)合過程中外管與內(nèi)芯間的最大接觸壓力，對應(yīng)坐標(biāo)分別為（0.09，231.83），（0.43，229.34），（0.91，211.17）。點②，④，⑥分別表示a，b，c位置外管和內(nèi)芯輥模拉拔復(fù)合后的接觸壓力，即外管和內(nèi)芯間的殘余接觸壓力，對應(yīng)坐標(biāo)分別為（0.13，146.25），（0.53，106.25），（1.05，131.58）。

關(guān)于復(fù)合后外管與內(nèi)芯間的抗拉脫力，利用公式F=μF_N可進(jìn)行估算，其中μ為外管和內(nèi)芯發(fā)生相對滑動的摩擦因數(shù)，其值為0.2-0.3，F(xiàn)_N為外管和內(nèi)芯間的殘余接觸壓力。求解出a，b，c位置抗拉脫力分別為29.25～43.875N，21.25～31.87N和26.316～39.474N，相比固模拉拔，復(fù)合外管和內(nèi)芯間的抗拉脫力明顯提高。

在復(fù)合過程中，由于a位置為外管和內(nèi)芯剛進(jìn)入復(fù)合孔時的位置，為克服輥模與外管之間的最大靜摩擦力，輥模驅(qū)動電機瞬時功率變大，對外管產(chǎn)生較大的作用力，外管與內(nèi)芯間的最大接觸壓力較大。b位置為外管和內(nèi)芯穩(wěn)定復(fù)合階段的位移的中間位置，在拉拔速度恒定的情況下，輥模驅(qū)動電機功率恒定，但相比a位置較小，輥模對外管產(chǎn)生較小的作用力，外管與內(nèi)芯間的最大接觸壓力較小。c位置為外管和內(nèi)芯復(fù)合階段位移的最后位置，由于輥模與外管間的接觸面積減小，輥模對外管的周向壓力減小，外管與內(nèi)芯間的最大接觸壓力與a和b兩個位置相比較小，但是由于內(nèi)管彈性回復(fù)量相比b位置較大，所以復(fù)合后外管和內(nèi)芯間的接觸壓力較大。

3結(jié)論

（1）采用ABAQUS有限元軟件，利用其非線性顯示動力學(xué)方法，可以有效地分析外管和內(nèi)芯輥模拉拔復(fù)合的問題，通過后處理得到的殘余接觸壓力值可以估算出外管與內(nèi)芯間的抗拉脫力大小，為實際生產(chǎn)降低試制成本，提高研發(fā)效率。

（2）相比固模拉拔復(fù)合技術(shù)，采用輥模拉拔復(fù)合技術(shù)所制備的內(nèi)外復(fù)合三通管，其外管與內(nèi)芯間的抗拉脫力明顯提高。