蓄能器殼體翻板旋壓收口工藝數值模擬

賈軍軍，尹管彬，楊 剛，范俊明

(1.四川大學 機械工程學院，成都 610065；2.成都格瑞特高壓容器有限責任公司，成都 610400)

0 引言

蓄能器是由鋼材制成的封閉壓力容器，國內外普遍采用熱旋壓技術加工蓄能器殼體，該方法能夠消除傳統蓄能器焊接生產中強度降低、拉應力集中等缺陷[1]。目前，蓄能器殼體旋壓技術已經取得了很大的進步，但是國內外研究較多的是旋輪熱旋壓成形，對翻板旋壓成形技術研究則比較少，所以對于蓄能器殼體翻板旋壓成形，依舊采用試制的方法對工藝參數不斷摸索。由于影響翻板旋壓成形的因素較多，導致加工試制具有很大的不確定性，使得研發進程緩慢、調試周期長。在試制過程中會產生大量的廢品，大幅度增加研制成本，同時對資源也造成極大的浪費，因此采用更科學的方法對蓄能器殼體的研制開發迫在眉睫。對于該類復雜塑性變形問題的求解，有限元法是公認有效、科學的方法，所以對于該問題亦可進行數值模擬研究，以優化工藝參數，從而減少人力和資源的浪費。本研究利用三維建模軟件SolidWorks建立蓄能器翻板旋壓收口模型，運用有限元分析軟件DEFORM-3D對收口過程進行模擬，研究各工藝參數對管坯收口的影響，同時對成形過程中的溫度場分布、旋壓力分析進行研究，以期對蓄能器翻板旋壓成形的研制提供參考。

1 有限元模型的建立和關鍵問題的處理

1.1 翻板成形工藝路線

如圖1的運動分析所示，在蓄能器殼體的旋壓成形過程中，先將管坯成形端加熱至1 100 ℃左右，再將加熱后的管坯放入旋壓機中旋壓成形。成形過程中，夾具帶動管坯做回轉運動，其角速度為ω1；翻板沿翻板旋轉軸以角速度ω2逆時針旋轉，翻板成形面與管坯成形端的擠壓，使得成形端產生較大的塑性變形，從而完成蓄能器殼體的收口成形。實際試制的殼體如圖2所示。

圖1 翻板旋壓運動分析Fig.1 Motion analysis diagram of turning plate spinning

圖2 蓄能器殼體產品Fig.2 Picture of accumulator housing product

1.2 關鍵問題的設置

DEFORM-3D前處理中無法直接建立三維幾何模型，但其擁有STL,UNV,PNA等接口格式[2]，可通過其他CAD軟件建模后導入到DEFORM-3D中。首先在SolidWorks中建模后導出STL格式文件，然后再導入到DEFORM-3D中。圖3(a)示出剛導入DEFORM-3D時前處理窗口中的幾何模型及相對位置，圖3(b)示出蓄能器殼體成形過程中某時刻的相對位置。取時間步長為0.1，采用四面體單元對管坯網格劃分，網格數為80 000，尺寸比為4，網格重劃分干涉深度采用相對值，其值設置為0.7。將夾具與管坯設置為不可分離，兩者之間采用剪切摩擦，摩擦系數取1，設置夾具沿其軸旋轉，從而帶動管坯旋轉。翻板和管坯之間采用剪切摩擦，摩擦系數取0.3。對翻板施加轉動載荷，使其繞旋轉軸旋轉90°，從而實現翻板的進給，即可完成蓄能器殼體收口工序。管坯長度894 mm，直徑467 mm，厚度21 mm。數值模擬時采用的工藝參數如表1所示。

(a)

表1 工藝參數Tab.1 Process parameters

1.3 材料模型

管坯采用34CrMo4氣瓶用無縫鋼管。34CrMo4鋼具有較好的抗腐蝕性能，回火脆性低，能在高強度下保持良好的塑韌性，是蓄能器殼體的重要選材[3]。由于DEFORM-3D自帶材料庫中沒有34CrMo4鋼，需要先建立數據庫。通過熱模擬試驗機Gleeble-1500對34CrMo4鋼進行拉伸試驗，得到溫度和不同應變速率下的應力應變值(見圖4)。將該試驗數據輸入DEFORM-3D材料庫中，建立34CrMo4材料數據庫(見圖5)。

圖4 不同溫度下應力-應變關系曲線Fig.4 Stress-strain curve at different temperatures

圖5 34CrMo4鋼材料庫的建立Fig.5 Establishment of 34CrMo4 steel material library

2 工藝模擬研究

通過DEFORM-3D對直徑467 mm、壁厚21 mm的蓄能器殼體旋壓進行多次模擬分析，可得到收口過程中的溫度、旋壓力等一系列數據，以及不同工藝數值對模擬結果的影響，為實際生產中工藝參數的選擇提供參考。

2.1 溫度場分布

最終成形時，蓄能器殼體的溫度分布如圖6所示。在殼體上選取4個點，觀察得到這些點的溫度隨時間的變化，如圖7所示。位于殼體開始變形區、靠近夾持端的點4，溫度在殼體旋壓收口整個過程中不斷降低，原因是管坯夾持端未加熱，溫度很低，點4處熱量不斷沿管坯軸向傳向另一端，同時管坯與空氣有強烈的熱交換。由于與空氣的熱交換，位于殼體過渡處的點3溫度先降低，當降低到一定程度時，管坯與翻板之間滑動摩擦與滾動摩擦產生的熱量大于管坯損失的熱量，使點3處溫度逐漸升高，當溫度升高到一定值時，點3所在位置成形已完成，此后管坯與空氣發生強烈的熱交換，點3處溫度又逐漸降低。位于瓶嘴的點2溫度與點3處溫度變化規律基本一致。位于瓶嘴端部的點1溫度變化情況與點2，3基本一致，但從54 s開始直至旋壓結束，點1溫度均急劇降低，這是由于端部變為已成形區，與翻板不再接觸，并不斷向空氣傳輸熱量造成的。

圖6 溫度分布云圖Fig.6 Temperature distribution nephogram

圖7 溫度變化曲線Fig.7 Temperature change curve

2.2 旋壓力分析

蓄能器殼體翻板旋壓收口時，翻板和管坯接觸區域會產生強大的旋壓力，將翻板所受總旋壓力沿空間直角坐標系分解為3個分力。其中，X，Y，Z方向旋壓力分別代表軸向、徑向和切向旋壓力[3-4]。在DEFORM-3D后處理中可直接導出各方向旋壓力隨步數變化的曲線圖(見圖8)。由圖8(a)可看出，軸向旋壓力由小變大，原因是在旋壓開始階段，翻板成形面和管坯貼合，總旋壓力方向主要指向管坯徑向，此時軸向旋壓力很小，隨著翻板的翻轉，旋壓力在軸向的分力將不斷增大。由圖8(b)可看出，徑向旋壓力由大變小、再變大，原因是剛開始成形時管坯和翻板成形面貼合，旋壓力主要以徑向旋壓力的形式存在，此時徑向旋壓力最大，隨著翻板的翻轉，旋壓力在徑向的分力逐漸減小，但當翻板翻轉到一定程度時，由于管坯縮徑，致使收口處管坯增厚的金屬流動，使得徑向旋壓力又有所增大。由圖8(c)可看出，切向旋壓力呈現先減小、后不變的趨勢，原因是成形初期管坯尚未縮徑，成形處距離管坯旋轉中心較遠，由于切向阻力臂(此時為管坯半徑)較大，致使切向旋壓分力較大，隨著旋壓的進行和管坯的半徑縮小，切向阻力臂也不斷減小，使得切向分力不斷減小，但后期由于切向金屬流動的存在，使得切向阻力保持在一定范圍內波動，總體大小保持不變。在旋壓力的各個分力中，切向分力>軸向分力>徑向分力。

(a)軸向旋壓力

2.3 翻板角速度模擬分析

蓄能器殼體翻板旋壓成形中，翻板進給角速度對旋壓成形結果影響很大。進給量設置過大影響旋壓成形過程的穩定性，在蓄能器殼體內表面容易引起褶皺、堆疊、裂紋等缺陷[5]，使材料在翻板前方堆積，外表面易出現隆起等現象；反之，易出現表面剝離現象,不能使變形區深入內層[6]，故需要多次模擬，以選取合適的進給量。

在殼體旋壓成形模擬分析中，取成形溫度為1 150 ℃，分別在0.024 2，0.015 7，0.011 6 rad/s翻板轉速下對殼體翻板旋壓成形過程進行數值模擬。當翻板轉速為0.024 2 rad/s時，由于翻板進給量過大，材料來不及流動，在翻板前方堆積，隨著旋壓的進行，翻板前方的材料堆積越來越嚴重,材料的流動阻力越來越大，當翻板前方的材料積累到一定量時，會在成形區發生撕裂、內褶等現象[7]，導致收口失敗(見圖9(a))；當翻板轉速為0.011 6 rad/s時，由于翻板進給量過小，旋壓收口時間過長，成形溫度降低，材料變形抗力增大，材料流動性變差，雖然模擬時能夠成功收口，但在實際生產中會導致收口外表面粗糙度增大，收口內表面出現菊花狀缺陷，甚至出現表面剝離現象，導致殼體質量不合格(見圖9(b))；因此，選擇0.015 7 rad/s作為蓄能器殼體翻板旋壓收口試驗的翻板轉速(見圖9(c))。

圖9 不同翻板轉速時成形效果圖Fig.9 Forming effect diagram for different turning speeds

2.4 成形溫度模擬分析

根據實際生產可知，34CrMo4鋼的塑性隨著成形溫度的升高而顯著提高。主要原因：成形溫度越高，金屬滑移系增加，使得晶界滑動易于進行，原子間的結合力、晶界切變抗力變小，金屬抵抗變形的能力越差，故提高成形溫度有利于提高金屬的塑性[8-10]。

在蓄能器殼體翻板旋壓成形時，需要綜合考慮旋壓力、變形量和成形溫度之間的關系。成形溫度較高，會適當減小旋壓力，但過高的溫度會影響管坯金屬的力學性能[11-12]，同時對燃料造成浪費；反之，會使金屬延展性降低，變形抗力增大，導致旋壓力的增加，甚至造成旋壓機過載。

在殼體旋壓成形模擬分析中，取主軸角速度ω1=52.36 rad/s，翻板角速度0.015 7 rad/s，分別設置旋壓成形溫度為1 050,1 100,1 150,1 200 ℃，做4次模擬進行對比。由模擬結果可知，當旋壓溫度為1 200 ℃時，旋壓收口成形時局部溫度升高到1 352 ℃,會使該區域金屬晶粒粗大，極有可能降低材料的力學性能。將1 050,1 100,1 150 ℃時的模擬結果整理成如圖10所示的曲線圖，可以看出，三向分旋壓力和總旋壓力隨著成形溫度的升高而降低，軸向和徑向旋壓力變化緩慢，切向旋壓力和總旋壓力變化明顯。因此，選擇1 150 ℃作為蓄能器殼體翻板旋壓收口的成形溫度。

圖10 成形溫度對旋壓力的影響關系曲線Fig.10 Effect of forming temperature on spinning pressure

2.5 主軸轉速分析

主軸轉速隨加工件的外徑變化而變化。一般情況下，直徑越小，主軸轉速越高，旋壓成形的線速度保持在一定的可控范圍內。主軸轉速對旋壓過程的影響不顯著，但是適當的轉速可以改善零件表面的粗糙度，并提高生產效率。選擇合適的主軸轉速，相當于單位時間內有足量的翻板參加翻板旋壓成形，工件變形條件得以改善，保證了工件有較高的尺寸精度和表面質量。根據610旋壓機旋壓條件和34CrMo4合金鋼的特性，選擇主軸轉速n=500 r/min,即主軸角速度ω1=52.36 rad/s。

3 蓄能器殼體的試制

根據上述分析，?467 mm×21 mm蓄能器殼體最優工藝參數：主軸角速度為52.36 rad/s、旋壓溫度為1 150 ℃、翻板角速度為0.015 7 rad/s。利用上述工藝模擬優化參數進行實際產品的試制，管坯采用34CrMo4氣瓶用無縫鋼管，直徑467 mm,厚度21 mm。蓄能器殼體成形過程中均未出現褶皺、堆疊、裂紋等缺陷,試制成品與模擬結果吻合，成形效果比較理想。圖11所示為同一型號蓄能器殼體，其中，圖11(a)為旋壓結束后的產品圖，圖11(b)為經過擴孔工藝后的剖視圖。

圖11 蓄能器殼體試制產品圖Fig.11 Picture of trial produced product of accumulator housing

4 結論

(1)在蓄能器殼體翻板旋壓成形中，切向、軸向、徑向以及總旋壓力均隨溫度的升高而降低，其中切向旋壓力和總旋壓力對溫度變化較為敏感，但當管坯加熱溫度為1 200 ℃時，在后期旋壓過程中，會使成形區金屬晶粒粗大，降低材料力學性能，故加熱溫度不宜高于1 200 ℃，旋壓溫度選擇1 150 ℃左右為宜。

(2)在旋壓過程中，切向旋壓力呈現先減小、后不變的趨勢；軸向旋壓力呈現由小變大的趨勢；徑向分力呈現先減后增的趨勢。旋壓力由大到小的次序：切向旋壓力>軸向旋壓力>徑向旋壓力。

(3)模擬分析表明，旋壓成形過程中,翻板角速度太大時，容易引起褶皺、堆疊、裂紋等缺陷；翻板角速度太小時，會出現表面剝離現象，不能使變形區深入內層，收口內表面出現菊花狀缺陷。本研究條件下，翻板進給角速度取0.015 7 rad/s為宜。

(4)采用文中工藝參數，試制產品內外表面均未出現明顯缺陷，試制成品與模擬結果吻合,成形效果比較理想。