304不銹鋼滾珠旋壓數(shù)值模擬研究

文/王長(zhǎng)江·河南神州重型封頭有限公司

張晶·大連現(xiàn)代輔機(jī)開發(fā)制造有限公司

嚴(yán)冰劍·沈陽理工大學(xué)

304不銹鋼滾珠旋壓數(shù)值模擬研究

文/王長(zhǎng)江·河南神州重型封頭有限公司

張晶·大連現(xiàn)代輔機(jī)開發(fā)制造有限公司

嚴(yán)冰劍·沈陽理工大學(xué)

304不銹鋼小直徑薄壁滾珠旋壓成形是一個(gè)涉及材料非線性、接觸摩擦非線性的復(fù)雜成形過程，易出現(xiàn)波紋、擴(kuò)徑等缺陷。本文描述了利用DEFORM-3D軟件模擬304不銹鋼薄壁滾珠旋壓成形過程，分析研究減薄率、進(jìn)給比、滾珠直徑對(duì)管材成形過程中的等效應(yīng)力和等效應(yīng)變的影響，確定了合理的工藝參數(shù)，為實(shí)際生產(chǎn)中工藝參數(shù)的選取提供必要的參考。

王長(zhǎng)江，生產(chǎn)管理部經(jīng)理，主要從事壓力容器大型封頭的生產(chǎn)管理，獲實(shí)用新型專利8項(xiàng)。

滾珠旋壓技術(shù)綜合了軋制、擠壓等成形技術(shù)的特點(diǎn)，常用于加工具有一定厚度、軸對(duì)稱、空心回轉(zhuǎn)體零件。滾珠旋壓技術(shù)具有材料利用率高、成形質(zhì)量好等特點(diǎn)，特別適合加工直徑較小，強(qiáng)度要求較高但表面粗糙度要求較低的薄壁件，廣泛應(yīng)用于航空、航天、機(jī)械等領(lǐng)域。但滾珠旋壓過程中管坯的變形較復(fù)雜，影響成形質(zhì)量的因素很多，如減薄率、進(jìn)給比、滾珠直徑等工藝參數(shù)，這些工藝參數(shù)選取是否合理直接關(guān)系著制件的成形質(zhì)量。因此研究工藝參數(shù)對(duì)旋壓過程的影響具有重要的意義。

影響旋壓過程的工藝參數(shù)

滾珠旋壓是一種變薄旋壓，管坯變形必須盡可能均勻，如果變形不均勻會(huì)導(dǎo)致管材內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變不均勻，影響管件的表面質(zhì)量和成形精度。影響旋壓成形過程的工藝參數(shù)較多，其中主要有減薄率φ、滾珠直徑Dp、進(jìn)給比f。

減薄率可分為道次減薄率和總減薄率，它的選擇是否合理直接影響到旋壓力的大小、管件的成形質(zhì)量等。減薄率的選擇取決于材料的性能、管件的質(zhì)量和精度要求以及選用的旋壓設(shè)備等因素。

滾珠和管坯直接接觸，滾珠直徑的選擇將直接影響到管坯材料變形的穩(wěn)定性，如果變形不穩(wěn)定，易出現(xiàn)起皮、隆起以及擴(kuò)徑等缺陷。

進(jìn)給比反映變形的速率，進(jìn)給比大生產(chǎn)效率高，管壁與芯軸貼合較好，但由于變形力較大，易產(chǎn)生波紋，表面粗糙度大等缺陷。

滾珠旋壓有限元模型

該304不銹鋼產(chǎn)品直徑為15.2mm，壁厚為0.34mm，三維圖如圖1所示。根據(jù)計(jì)算和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)選取管坯尺寸為φ15.8×0.4mm。利用三維造型軟件建立滾珠、芯模、管坯模型，導(dǎo)入有限元DEFORM-3D中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共有81692網(wǎng)格單元。選擇修正的剪切摩擦模型，定義滾珠和管坯、管坯和芯模之間的摩擦系數(shù)為0.15，采用反向滾珠旋壓的成形方式，有限元模型如圖2所示。

圖1 304不銹鋼產(chǎn)品三維圖

圖2 有限元模型

模擬試驗(yàn)方案

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，道次減薄率一般選擇10% ～45%，滾珠直徑范圍為4mm～7mm，進(jìn)給比范圍為0.2～0.7mm/r，各試驗(yàn)工藝參數(shù)見表1、2、3。

表1 減薄率對(duì)旋壓過程的影響試驗(yàn)

表2 滾珠直徑對(duì)旋壓過程的影響試驗(yàn)

表3 進(jìn)給比對(duì)旋壓過程的影響試驗(yàn)

減薄率對(duì)旋壓過程的影響

根據(jù)表1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用DEFORM-3D軟件進(jìn)行模擬，研究不同減薄率對(duì)管坯等效應(yīng)變和等效應(yīng)力的影響，如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)減薄率較小為10%時(shí)，管坯出現(xiàn)變形不足的區(qū)域，等效應(yīng)力和等效應(yīng)變都較小且分布不均勻。這是因?yàn)樽儽÷氏鄬?duì)較小，旋壓過程中受到的旋壓力較小，管材未充分變形。減薄率增大到15%時(shí)，管材變形量增加且較均勻，未出現(xiàn)擴(kuò)徑等缺陷，成形質(zhì)量較好。繼續(xù)增大減薄率達(dá)到25%，此時(shí)等效應(yīng)力和等效應(yīng)變均增大，管材的變形較大，管壁出現(xiàn)材料褶皺等缺陷，同時(shí)出現(xiàn)擴(kuò)徑等現(xiàn)象。因此減薄率選擇為15%較為合適。

滾珠直徑對(duì)旋壓過程的影響

根據(jù)表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究不同滾珠直徑對(duì)管坯等效應(yīng)變和等效應(yīng)力的影響，如圖4所示。

圖3 不同減薄率下的管坯等效應(yīng)變和等效應(yīng)力圖

由圖4可知，當(dāng)滾珠直徑較小為4mm時(shí)，管坯受到的擠壓力較小，塑性變形不均勻，表面出現(xiàn)隆起和材料堆積等現(xiàn)象。增大滾珠直徑為5mm時(shí)，塑性變形增加，變形較均勻，管件表面無明顯的成形缺陷。當(dāng)滾珠直徑達(dá)到6mm時(shí)，塑性變形較大，部分區(qū)域的等效應(yīng)力較大，管坯出現(xiàn)擴(kuò)徑現(xiàn)象。因此滾珠直徑選取5mm較為合理。

進(jìn)給比對(duì)旋壓過程的影響

根據(jù)表3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究不同滾珠進(jìn)給比對(duì)管坯等效應(yīng)變和等效應(yīng)力的影響，如圖5所示。

由圖5所示，當(dāng)進(jìn)給比為f=0.4mm/r時(shí)，管件變形不均勻，出現(xiàn)起皮等缺陷，這是由于進(jìn)給量較小，滾珠和管坯的接觸區(qū)域較小，管坯受力不均勻造成的。當(dāng)進(jìn)給比增大到0.5mm/r時(shí)，等效應(yīng)變和等效應(yīng)力較均勻，管件無明顯缺陷。進(jìn)給比增大到0.6mm/r時(shí)，等效應(yīng)力明顯增大，管件表面出現(xiàn)裂紋等缺陷。因此進(jìn)給比選用0.5mm/r比較合理。

圖4 不同滾珠直徑下管坯等效應(yīng)變和等效應(yīng)力圖

圖5 不同進(jìn)給比下管坯等效應(yīng)力和等效應(yīng)變圖

結(jié)束語

利用有限元軟件DEFORM-3D模擬小直徑304不銹鋼管材反向滾珠旋壓成形過程，根據(jù)成形過程等效應(yīng)力和等效應(yīng)變變化，可知減薄率、滾珠直徑和進(jìn)給比對(duì)管坯成形質(zhì)量的影響。隨著減薄率和進(jìn)給比的增大，等效應(yīng)力和等效應(yīng)變逐漸增大；而隨著滾珠直徑的增大，管材內(nèi)的等效應(yīng)力和等效應(yīng)變有減小的趨勢(shì)。