汽車排氣管法蘭成形數(shù)值模擬與工藝改進

摘 要：應(yīng)用有限元DEFORM商業(yè)軟件，對環(huán)件建立軋制過程三維動態(tài)仿真模型，對截面為法蘭型的環(huán)形軋制成形過程進行數(shù)值仿真。實驗結(jié)果顯示不同的軋制參數(shù)和劃分網(wǎng)格，可以縮短軟件計算時間，這一過程的模擬準(zhǔn)確地展現(xiàn)了汽車法蘭軋制成形過程，針對傳統(tǒng)成形過程提供了一個新的關(guān)于毛坯結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工工藝的研究途徑。

關(guān)鍵詞：DEFORM；環(huán)形軋制；數(shù)值仿真；軋制工藝

環(huán)形件輥軋簡稱環(huán)軋，又稱環(huán)形件擴孔，是在專用輥軋機上將環(huán)形毛坯壁厚減薄、使內(nèi)外徑同時增大的一種壓力加工工藝。環(huán)軋工藝具有加工質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低、材料利用率高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于矩形和法蘭型等截面的軸承環(huán)、齒輪環(huán)、法蘭環(huán)等的生產(chǎn)。環(huán)軋的工作原理為：主軋輥是驅(qū)動輥，以角速度w沿圓周方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)，芯輥是加壓輥，按規(guī)定的速度V向主軋輥方向不斷進給，并在與環(huán)坯接觸面摩擦力的帶動下旋轉(zhuǎn)，主軋輥和芯輥之間的環(huán)坯在厚度方向受壓力并在圓周方向延伸使壁厚減薄、內(nèi)外直徑同時擴大，導(dǎo)向輥通過向坯料施加彎曲力來確保環(huán)件的圓度，起定心作用，端面軋輥在軋制過程中限制坯料沿高度方向展寬。利用計算機模擬環(huán)件軋制成形過程，優(yōu)化環(huán)扎工藝，在實際生產(chǎn)中具有重要意義。

近年來，以有限元數(shù)值模擬為基礎(chǔ)對環(huán)件軋制過程進行仿真研究得到了許多關(guān)注。對于環(huán)形軋制存在運動學(xué)和力學(xué)等復(fù)雜研究，文章運用DEFORM軟件進行數(shù)值模擬，使得計算效率提高。

1 有限元前處理

1.1 環(huán)軋仿真模型

根據(jù)環(huán)扎機實際尺寸建立仿真模型（圖1）。

各軋輥在DEFORM中的2D編輯中成型，在模擬的過程中，為了減少計算量，因此假設(shè)各個軋輥為剛體，在輾軋過程中不發(fā)生任何變形，環(huán)件的材料是SUS430不銹鋼，采用剛塑性材料本構(gòu)關(guān)系，軋制的溫度在500-900℃之間，由于一個環(huán)件輾環(huán)的時間并不長，大約在1-2min之間，在這段時間內(nèi)溫度變化并不明顯，因此可以假設(shè)環(huán)件在輾環(huán)過程中未恒溫狀態(tài)，溫度為600℃，具體模具及棒料的幾何參數(shù)和性能參見表1。

網(wǎng)格劃分對于有限元分析的前處理是最重要的工作。對于輾環(huán)工藝來說，其變形主要在毛坯的外側(cè)部分，并集中在主輥和芯輥的擠壓側(cè)。為了減少計算誤差，材料破壞區(qū)域的網(wǎng)格越小越好，也越精確，但也有缺陷，如果網(wǎng)格單元數(shù)量越多，則在計算過程中網(wǎng)格重劃的狀態(tài)參數(shù)傳遞的時間就越久，因此導(dǎo)致計算機計算的時間變長，并且增加了所需要的存儲空間。為了能合理地調(diào)整存儲空間、計算精度以及計算時間，需要合理劃分網(wǎng)格，在變形大的部分，網(wǎng)格尺寸盡量小一些。本實驗的毛坯網(wǎng)格形式是六面體網(wǎng)格，3D網(wǎng)格的單元數(shù)是137820，節(jié)點數(shù)是27360。

1.2 環(huán)件軋制工藝

（1）主輥與芯輥的進給。主軋輥是驅(qū)動輥，以角速度w沿圓周方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)，芯輥是加壓輥，按規(guī)定的速度V向主軋輥方向不斷進給，并在與環(huán)坯接觸面摩擦力的帶動下旋轉(zhuǎn)，主軋輥與芯輥之間的環(huán)坯在厚度方向受壓力并在圓周方向延伸使壁厚減薄、內(nèi)外直徑同時擴大，上、下錐輥做自轉(zhuǎn)運動，錐輥之間的距離在開始便設(shè)定好，以控制在軋制過程中限制坯料沿高度方向的展寬。

芯輥的進給，并不是勻速進給，因為開始的毛坯變形并不大，芯輥可以采用較快的速度，以加快模擬的速度，隨后速度隨時間的變化而減小，這是由于隨后環(huán)件的變形程度越來越大，需要降低進給的速度來保證環(huán)件變形的精確，圖2是芯輥的速度-時間變曲線圖。

（2）錐輥的進給。上下錐輥的自轉(zhuǎn)速度為300（rad/s），高速是為了使環(huán)件能更好的在高度方向上變形，使環(huán)件能夠更好的擴展形態(tài)，并最終順利歸圓。

2 結(jié)果分析

根據(jù)有限元仿真模型，可設(shè)置不同的主輥轉(zhuǎn)速、芯輥的移動速度，改變網(wǎng)格劃分大小，在保證計算準(zhǔn)確和精度要求情況下，在不同因素影響下，對仿真結(jié)果分析如下：

2.1 環(huán)軋速度的影響

采用分組仿真，設(shè)置主輥轉(zhuǎn)速為50rad/s、150ad/s和300ad/s，結(jié)果看出，當(dāng)主輥速度過低時，如圖3是主輥轉(zhuǎn)速為50rad/s的模擬，可以發(fā)現(xiàn)若主輥轉(zhuǎn)速過低，坯料的上側(cè)容易造成材料的堆積造成畸形。

又如果主輥速度較大，例如為300rad/s，那么單位時間環(huán)軋經(jīng)過的網(wǎng)格比較多，計算模擬的耗時最多，影響計算效率；當(dāng)主輥的轉(zhuǎn)速為150rad/s的時候，軋制效果相對較好，效率也較高，計算機計算的時間也相對縮短了不少。另外如果軋制的速度過快的話，毛坯容易與主輥進行擠壓而向上變形，呈凸起狀態(tài)，為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，需要調(diào)整好主輥和芯輥的速度，芯輥的進給速度不能過快，同樣主輥的轉(zhuǎn)速也不宜過快，綜上所述按如圖4三組當(dāng)中150rad/s的轉(zhuǎn)速效果最好，效率高。

2.2 劃分網(wǎng)格對結(jié)果的影響

取上述轉(zhuǎn)速為150rad/s，對網(wǎng)格單元進行劃分，分別取個數(shù)為50000，130000，200000，因為該零件外表面加工后變形程度較大，因此取得網(wǎng)格數(shù)較高，也是為了增加精度，確保模擬的穩(wěn)定性。當(dāng)取50000時，網(wǎng)格較粗糙，軋制使得邊緣凹凸不平，看起來比較“粗糙”，但計算速度快，有利于粗略分析各輥的轉(zhuǎn)速，并且及時進行調(diào)整。取個數(shù)為200000時，計算的步長減少了，但計算的時間又增長了許多，因此最佳個數(shù)取130000。

2.3 環(huán)軋成形結(jié)果分析

對于上述最佳環(huán)軋速度、網(wǎng)格數(shù)量劃分，最終以轉(zhuǎn)速150rad/s，網(wǎng)格個數(shù)為130000對環(huán)件進行數(shù)值模擬。通過DEFORM仿真模擬，可以看到毛坯環(huán)軋的整個動態(tài)過程，并可以看到在整個過程中應(yīng)力應(yīng)變，及溫度等變化。前期0-30s內(nèi)，徑向變化較慢，各網(wǎng)格流動不明顯；30-100s內(nèi)比較平穩(wěn)，坯料主要向中心內(nèi)凹處流動，圓環(huán)逐漸變大，100s時各輥基本進給完成，達(dá)到預(yù)定的尺寸，100-120s之間為歸圓階段，對最后的形狀進行整形，在后處理中可觀察環(huán)軋過程中位移及應(yīng)力、應(yīng)變圖。

3 結(jié)束語

軋制過程的模擬真實的反應(yīng)了環(huán)扎機生產(chǎn)環(huán)件的整個成形過程，與實際的環(huán)扎相比，模擬計算可以大大的減少成本，并提高效率，減少了實際做實驗的時間和精力，只需要通過電腦的運算就可以得到整個環(huán)扎的過程，并可以等到應(yīng)力應(yīng)變，溫度等等不同參數(shù)在環(huán)扎過程中的變化，但由于個人電腦計算速度有限，需要針對計算的精度、穩(wěn)定性、計算時間進行合理的分配，并選擇出最優(yōu)的模擬方式以及性能參數(shù)。通過對毛坯網(wǎng)格劃分的控制，可以調(diào)整計算機在仿真時候的計算速度，通過計算機的數(shù)值模擬和工藝改進，對于確保環(huán)件在實際生產(chǎn)過程中環(huán)扎的順利進行，和環(huán)扎效率的提高有著重要的意義。文章是根據(jù)計算機的模擬和仿真對汽車法蘭的環(huán)扎工藝進行研究，并進行工藝的改進，但由于實驗條件有限，不能進行實際的法蘭環(huán)扎生產(chǎn)實驗，這也是接下來所需要解決的困難和問題。

參考文獻

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