復(fù)合增程彈戰(zhàn)斗部沖壓過程的數(shù)值模擬

劉裕濤，李艷飛，任建榮

（遼沈工業(yè)集團(tuán)有限公司，遼寧沈陽，110045）

0 引言

隨著生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和持續(xù)更新，沖壓領(lǐng)域出現(xiàn)了許多新技術(shù)，新工藝，新材料，新設(shè)備，促進(jìn)了熱沖壓技術(shù)的不斷改進(jìn)[1]。熱沖壓技術(shù)是制造炮彈的主要加工方法之一，主要包括預(yù)壓型、沖孔和拔伸三部分。由于熱沖壓技術(shù)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(fù)合增程彈戰(zhàn)斗部生產(chǎn)工藝改進(jìn)具有重要意義[2]。復(fù)合增程彈戰(zhàn)斗部區(qū)別于普通榴彈戰(zhàn)斗部，其戰(zhàn)斗部短小且戰(zhàn)斗部外形大部分都在前弧形部，通過Deform軟件，對戰(zhàn)斗部熱沖壓工藝中的沖孔過程進(jìn)行仿真計算，以便于研究溫度、壓力和毛坯尺寸之間的關(guān)系，研究材料的沖壓力和流動性能等[3]。

1 毛坯設(shè)計

1.1 戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)

通過對該口徑復(fù)合增程彈相關(guān)資料的研究，并結(jié)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(jìn)行設(shè)計。復(fù)合增程彈戰(zhàn)斗部殼體的結(jié)構(gòu)簡圖，如圖1所示。

圖1 戰(zhàn)斗部殼體結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 計算毛坯及沖頭尺寸

1.2.1 計算毛坯尺寸

根據(jù)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(jù)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(nèi)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(jìn)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(jìn)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(nèi)為藥室加工誤差。根據(jù)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(zhì)量，尤其是對于彈體毛坯壁厚差的大小。沖壓和沖孔設(shè)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(qiáng)度低，凹模壁容易被擠壓到槽內(nèi)，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(jìn)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(zhì)量。以最后的沖壓溫度為基準(zhǔn)，參考熱沖壓過程所降低的溫度來給定它的初始溫度。進(jìn)行正確的加熱要確保炮彈毛坯的內(nèi)外部材料溫度均衡，依次為基礎(chǔ)來減少炮彈毛坯的燒損并且提升生產(chǎn)率，為了降低變形抗力，其加熱溫度應(yīng)盡量高一些。沖壓過后的毛坯的獲得組織均勻，細(xì)小晶粒并且無硬化和裂紋現(xiàn)象。結(jié)合材料的性質(zhì)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(zhuǎn)變、硬度、最佳保溫時間、應(yīng)力應(yīng)變、溫度變化等，從而優(yōu)化了熱沖壓工藝參數(shù)和模具。由于對于毛坯加工生產(chǎn)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(shù)據(jù)所示，鋼的熔點在1500℃左右，所以根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗可以確定其范圍為 1100～1180℃，在沖壓仿真實驗中設(shè)置了1350℃為初始溫度。

2.2.2 參數(shù)設(shè)置

結(jié)合實際情況，現(xiàn)對幾個重要的參數(shù)進(jìn)行分析設(shè)置。把沖頭模具設(shè)置為剛性體，沖頭和模具不會發(fā)生變形，工具的運動方式主要分為兩種，直線運動和旋轉(zhuǎn)。本次仿真使沖頭向下運動，結(jié)合實際生產(chǎn)，所需要的毛坯經(jīng)過下料，預(yù)壓型之后，進(jìn)行毛坯沖壓，沖壓速度經(jīng)過查找資料結(jié)合實際加工要求，設(shè)定速度為100mm/s。

網(wǎng)格的設(shè)置，如果用自身帶的網(wǎng)格剖分程序，只能劃分為四面體單元，主要是考慮網(wǎng)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(wǎng)格。對于所有有限元數(shù)值分析，根據(jù)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(dá)到計算過程。因此對模具的離散化網(wǎng)格劃分是基礎(chǔ)。網(wǎng)格劃分的基礎(chǔ)條件是，材料進(jìn)行網(wǎng)格劃分過后，應(yīng)該可以充分體現(xiàn)原來的特征。Deform有兩種方法，即相對網(wǎng)格和絕對網(wǎng)格的劃分。本次設(shè)計對于系統(tǒng)的設(shè)定改為絕對值。

由于Deform只能繪制四面體網(wǎng)格，本次劃分網(wǎng)格數(shù)為36265個網(wǎng)格，556個節(jié)點。這個網(wǎng)格劃分的大小是根據(jù)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(qū)域，局部網(wǎng)格的劃分就應(yīng)該細(xì)致一點，否則在模擬過程中就會出現(xiàn)畸變。

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

3 仿真計算結(jié)果分析

3.1 金屬流動的仿真結(jié)果

在沖壓過程中受內(nèi)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(nèi)部因素主要有合金成分、金屬強(qiáng)度、導(dǎo)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(jié)構(gòu)與形狀的影響，金屬坯料與工具溫度的影響和金屬強(qiáng)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(nèi)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(chǎn)生影響。強(qiáng)度高的金屬或者合金要比強(qiáng)度低的金屬流動要更加均勻。

3.2 等效應(yīng)力的仿真結(jié)果

由仿真計算結(jié)果可知，應(yīng)力分布出現(xiàn)兩極分布。由于是預(yù)壓沖頭從上而下進(jìn)行預(yù)壓，因此受力較大是毛坯底部，中間應(yīng)力分布較為均勻幾乎沒有應(yīng)力分布，毛坯頂部即為預(yù)壓沖頭接觸的部位，應(yīng)力分布較為明顯，最大應(yīng)力可達(dá)190Mpa。根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)合查找資料，可以得知應(yīng)力分布較為合理。如圖4為應(yīng)力的分布圖。

圖4 等效應(yīng)力圖

從圖中可以看出應(yīng)力分布較為均勻，并且應(yīng)力值很大，說明模具所要承受應(yīng)力較大，減小對模具應(yīng)力可以更好延長模具使用壽命，降低生產(chǎn)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(fù)合增程彈戰(zhàn)斗部毛坯沖壓載荷變化圖。

圖5 形成應(yīng)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?jīng)_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(jù)初始仿真數(shù)據(jù)，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(jìn)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(shè)置為1400℃，同時其它的參數(shù)在仿真計算中都保持不變。合理的溫度是確保沖壓質(zhì)量的要素之一，溫度是通過感應(yīng)加熱系統(tǒng)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(zhì)量和成形。通過比較兩組的仿真計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)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(yīng)力和應(yīng)變以及殼體坯料的金屬流動方向的存在一定規(guī)律性。溫度區(qū)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(chǎn)量，節(jié)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(chǎn)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(chǎn)量并節(jié)省時間，在指定的材料參數(shù)范圍內(nèi)更快增加更多的生產(chǎn)量。同時，在沖頭的向下運動期間，沖頭兩側(cè)的毛坯料被壓緊，提高材料的強(qiáng)度。

4 總結(jié)與展望

本文主要運用Deform仿真技術(shù)對復(fù)合增程彈戰(zhàn)斗部沖壓過程進(jìn)行了仿真計算，對戰(zhàn)斗部所設(shè)計的毛坯沖壓等效應(yīng)力應(yīng)變、載荷情況進(jìn)行研究得出如下結(jié)論：

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

（2）針對摩擦系數(shù)不同的情況下對毛坯沖壓過程進(jìn)行詳細(xì)對比分析，分別設(shè)置了兩組不同的摩擦系數(shù)0.3和0.4。通過對炮彈毛坯沖壓等效應(yīng)力應(yīng)變、載荷情況進(jìn)行研究，得到摩擦力越大等效應(yīng)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(jié)論。