金屬無芯模的熱旋壓數值模擬研究

劉光軍，蔡立柱

（1.東北大學，遼寧 沈陽 110000；2.沈陽歐施盾新材料科技有限公司, 遼寧 沈陽 110000）

旋壓加工技術在生產薄壁金屬零件上具有突出的優點，已在軍用金屬航空零件制造、造船、高壓氣瓶等領域中得到廣泛應用[1]。金屬旋壓工藝的加工精度受旋輪運動軌跡、進給比、道次進給比等多種因素的制約[2]。金屬旋壓加工具有材質性能均勻、組織致密、生產率高、成本低等優點。熱旋壓加工可提高金屬材料的性能，具有較好的應用前景[3]。當金屬材質強度較高和壁厚較大時，需要采用管坯加熱的熱旋工藝進行收口成形。

目前實際生產過程中，改善金屬旋壓工藝通常要依靠經驗，反復試驗，才能確定合理的旋壓道次、最佳的旋壓軌跡等旋壓參數[4]。因此,加強對金屬無芯模的熱旋壓生產工藝的研究和實踐,完善工藝流程,對成形過程和規律進行分析,顯得尤為重要。本文基于ABAQUS軟件平臺對金屬無芯模的熱旋壓建立了三維有限元數學模型,模擬了金屬無芯模的熱旋壓的成形過程,分析和比較了管坯變形時各部分壁厚的變化情況，應力應變的狀態，為更深入的研究和工程應用打下了基礎。

1 有限元模型的建立和簡化

1.1 數值模擬的工藝參數的選擇

如表1所示為金屬管坯和旋輪的尺寸，旋壓過程中工件被工裝夾緊自轉，旋輪按照數控機床設定的軌跡進行加工，旋輪本身不自轉，隨工件旋轉，選擇單旋輪多道次反旋工藝對管坯進行收口。旋壓過程由7個旋壓道次完成。前5道次的壓下行程為7mm，并沿著與金屬筒體相切90mm的圓弧進行加工；第六道次壓下行程為4mm道次，并沿著與筒體相切60mm的圓弧進行加工；第七道次壓下行程為2mm，按照最終瓶體的加工輪廓進行加工。收口成形后管單邊壓下總行程為41mm。數值模擬時每道次的旋輪的運動軌跡如圖1所示。數值模擬中采用的工藝參數如表2所示。

表1 金屬管坯、旋輪主要尺寸

圖1 旋輪每道次的運動軌跡

表2 金屬無芯模的熱旋壓工藝參數

1.2 接觸邊界條件及運動關系處理

在有限元模型中沒有建立模具的模型，而是通過ABAQUS/CAE軟件提供的耦合約束功能，在端面中心建立一個參考點，將參考點和管坯端面進行耦合。然后對參考點施加轉動載荷帶動管坯進行自轉。在剛體旋輪的幾何中心建立局部坐標系和參考點，通過對參考點施加橫向和縱向的位移載荷控制旋輪的運動。如圖2所示，旋輪的起旋點距離金屬坯料端面的徑向距離為7mm，軸向距離13mm。

圖2 熱旋壓的有限元模型

金屬管坯為變形體，網格采用C3D8RT單元，在厚度方向劃分兩層單元，在反旋入口處網格劃分軸向加密，減小網格畸變的可能。旋輪為解析剛體，不需要劃分網格。

1.3 旋壓模型簡化

假定旋輪是剛體，不考慮其磨損；由于溫度因素造成的化學變化情況，予以忽略；被加工的工件材料的各向同性的；不考慮金屬管坯的溫度變化，假定金屬管坯在加工過程中是恒溫的[5]。

2 模擬結果及分析

2.1 反旋收口的坯料厚度變化的分析

采用以上有限元模型，旋壓溫度450℃，進給比3.125mm/r，金屬管坯厚度3.5mm，最后一道次壓下量為2mm，進行了多道次模擬計算，模擬結果達到氣瓶收口的尺寸要求。圖3為旋壓后工件的壁厚分布，瓶口直壁部分的厚度先增加后減小，最大的厚度為6.68mm，之后的圓角過渡區的厚度也是高于坯料的初始厚度。反旋的管坯厚度出現明顯增厚現象，這主要是因為在金屬無芯模的熱旋壓中，變形區金屬材料的流動方向與旋輪運動方向相反，材料在旋輪的軸向壓力的作用下伸長。

圖3 氣瓶最終成形壁厚分布圖

2.2 應力應變

圖4 三向應力應變

圖4 是進給比3.125mm/r、第七道次壓下量為2mm，金屬旋壓溫度450℃的三向應力應變云圖，在反旋加工過程中，圓角過渡區域和口部直壁部分徑向應變以拉應變為主，所以這兩個區域的坯料厚度是增加的。口部直壁切向應變主要為壓應變，最大壓應變為1.098，而軸向應主要為拉應變。徑向應力、切向應力、軸向應力沿徑向分布比較均勻，直壁部分的徑向應力為壓應力，切向應力和軸向應力主要為壓應力。

2.3 不同溫度的等效應力和等效應變分析

圖5 不同變形溫度的等效應力（a）400℃；（b）450℃；（c）500℃；等效應變（d）400℃；（e）450℃；（f）500℃

圖5 分別是進給比3.125 mm/r、第七道次壓下量為2mm的400℃、450℃、500℃的等效應力應變分布云圖。如圖7所示，隨著變形溫度的提高，旋壓入口處的局部大變形越來越大，不均勻變形的部位越來越多，因此旋壓溫度不能過高，對工件的口部質量和旋壓成形不利。

在反旋壓過程中，由于材料流動困難，大部分區域仍存在較高的應力，最大應力出現在圓角過渡區域和與圓角過渡區域銜接的直壁部分。這是因為在金屬無芯模的熱旋壓中，當旋輪進入穩定旋壓階段時，旋輪與工件的接觸面積不斷的增加，從而產生更大的材料流動阻力。隨后，由于旋壓成形的弧線與前一道次的弧線銜接，應力開始減小。

最大等效應力應變的部位預示著金屬無芯模的熱旋壓收口裂紋、翹曲等傾向較大的部位。如圖5所示，隨著旋壓溫度的升高，最大等效應力在逐漸降低，最大等效應變在緩慢增加。這是因為，當熱旋壓溫度達到500℃時，隨著旋壓過程的進行，坯料發生了動態再結晶，可以抵消相應塑性變形過程的加工硬化，使材料的變形抗力大大降低。因此，有限元模擬結果中的最大等效應力比400℃的最大等效應力明顯降低是符合規律的。

2.4 不同進給比的等效應力應變分析

如圖6所示，不同旋輪進給比f旋壓后的等效應力應變云圖。由于旋輪與毛坯之間的接觸軌跡為螺旋線，當進給比較小時，各條螺旋線的重合部分比較大，而且重合部分多為已成形部分。這就意味著在每道次的旋壓過程中，進給比越小，重合部分被碾壓的次數越多，材料變形越嚴重。最大等效應變隨著進給比的減小而增大。隨著進給比增加，旋輪的軸向運動速度加快，螺旋線重合部分相對較小，最大等效應力變化不大。

圖6 不同進給比的等效應力應變云圖

3 結論

（1）金屬無芯模的熱旋壓過程中，金屬厚度出現明顯增厚現象，這主要是因為在金屬無芯模的熱旋壓成形過程中，變形區金屬材料的流動方向與旋輪運動方向相反，管坯的材料在旋輪的軸向壓力的作用下伸長。

（2）在金屬無芯模的熱旋壓成形中，圓角過渡區域和口部直壁部分徑向應變以拉應變為主，所以這兩個區域的坯料厚度是增加的。由于材料流動困難，大部分區域仍存在較高的應力，最大應力出現在圓角過渡區域和與圓角過渡區域銜接的直壁部分。

（3）最大等效應變隨著進給比的減小而增大，同時隨著進給比增加，最大等效應力波動很小。