（材料加工工程专业论文）高径对焊法兰精密辗扩工艺的计算机模拟优化.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 环形件是石油、冶金、造船、航空、航天、兵器以及核工业设备中的重 要零件，有着非常广泛的应用领域目前，环形件生产大多采用传统的模锻 加工方法，材料利用率低，生产效率低，生产成本高。随着市场对环形件性 能和成本要求的不断提高，传统的加工方法难以满足当前生产企业的要求， 这就要求人们进行加工技术的改革用精密辗环工艺来生产大型环形件，不 仅具有节材、节能、成本低、效率高等显著的优势，而且可以提高工件的机 械性能和使用寿命。但精密辗环工艺影响因素多，成型难度大，成型规律的 研究比较薄弱。鉴于目前我国工业发展的现状，精密辗环工艺正日益受到研 究人员的重视，成为当今塑性加工领域被广泛关注的课题。 本文的主要研究内容和结果如下： ( 1 )采用有限元数值分析方法，对高颈对焊法兰( 国标j b f r 4 7 0 0 2 0 0 0 ) 的工艺过程进行了数值模拟分析研究抱死发生与主动辊型腔形状 之间的关系分析了现行方案产生抱死的原因，对主动辊型腔做了一定的优 化。优化后的主动辊型腔在辗扩过程中使坯料端面的变形特点发生了变化， 这种变化消除因坯料局部尺寸变化而引起的抱死发生。 ( 2 )探讨了起偏的发生机理及其对精密辗扩件精度的影响。提出摩 擦扭矩是引起起偏的主要原因。针对现行方案提出了两种的预制坯改进方 案，并分别对其进行了数值模拟，分析比较了各方案的优缺点。在综合考虑 了起偏控制、制坯难易程度、模具受力条件等因素后提出了高颈对焊法兰( 国 标j b 爪7 0 0 - 2 0 0 0 ) 精密辗环工艺优化后的预制坯设计方案。 ( 3 )研究了充满顺序和芯辊进给速度对精密辗扩件精度的影响，给 出了轴向间隙和径向间隙的取值范围。文中分析研究了芯辊进给速度与每转 压下量h 和坯料外径长大速度之间的关系，得出芯辊进给速度是控制每转 压下量和保证合理坯料外径长大速度的关键因素。并提出利用反向最小余量 法优化了芯辊进给速度曲线，使外径长大速度合理、精密辗扩件的精度得以 山东大学硕士学位论文 提高。 关键词：辗环、数值模拟、抱死、起偏、形状优化、法兰 山东大学硕士学位论文 i i , ! s ! 自e 日日e s ! ! ! ! ! ! ! s 目! ! ! ! ! ! | 自自= = ! 自! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! g | s ! ! 目! e e e 目! 目e ! 目e e | 自! _ a b s t r a c t r i n g sa r ew i d e l yu s e di np e t r o l i ci n d u s t r y , m e t a l l u r g y , s h i p b u i l d i n g , a v i a t i o n , a r m a m e n ti n d u s t r y a tp r e s e n t ，t h et r a d i t i o n a lm a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u eo ft i n g s 嘶mt h ed i em e t h o d ，h a sm a n yd i s a d v a n t a g e s ，s u c ha sm a t e r i a l - w a s t e d , l o w p r o d u c t i v i t y a n dh i 曲p r o d u c t i o nc o s t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm 缸k e t r e q u i r e m e n t sf o rh i g hq u a l i t ya n dl o wc o s to fr i n g t h et r a d i t i o n a lm a n u f a c t u r i n g t e c h n i q u ew i l ln o tm e e ta l ls u c hd e m a n d s t h ee x i s t i n gt r a d i t i o nm e t h o do f m a n u f a c t u r i n gr i n gs h o u l db ei m p r o v e d b u tt h er e l a t i v es t u d i e sa b o u tr i n g r o l l i n gh a v en o tb e e ne x p a n d e dc o m p l e t e l y t h i si sl i m i t e db ys e v e r a lc o n d i t i o n s ， s u c h 嬲t h er e s e a r c ho fc o m p l i c a t e dd e f o r m a t i o nl a ww i t hm a n yc o u p l i n gf a c t o r s a n dt h ed e v e l o p m e n to fa d v a n c e df a c i l i t yw i t h o u tt h eh e l po fc o m p u t e r t h e d e v e l o p m e n to f p e r i p h e r a lt e c h n i q u e ss u c ha sf e ma n dc n cm a k et h en e t - s h a p e p o s s i b l ei nr i n gr o l l i n g s ot h er e s e a r c ho fp r e c i s i o nr i n gr o l l i n gi sb e c o m i n g f o c u s e do i l t h em a i nc o n t e n t so f t h i sp a p e ri n c l u d e ： ( 1 ) w i t ht h em e t h o do ff i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，f o r m i n g p r o c e s so fb i gc a l i b e rf l a n g e ( m t 4 7 0 0 - 2 0 0 0 ) w a sa n a l y z e d a f t e rs t u d y i n gt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ei m m o b i l i t y a n dt h e s h a p eo fp r i m a r yr o l l e r , t h e o p t i m i z i n gp r i m a r yr o l l e rw h i c hc h a n g et h ed e f o r m a t i o nl a wo fb l a n ki ni t s e n t r a n c ew a sb r o u g h tf o r w a r d t h ei m m o b i l i t y , d u et ol o c a la b e r r a n c eo fb l a n k w h i c hc a nn o tm a t c ht h es h a p eo f p r i m a r yr o l l e rw a sa v o i d e d ( 2 ) a f t e ra n a l y z e dt h ep r i n c i p l eo f d e c l i n a t i o na n di t se f f e c to nt h ep r e c i s i o n o fw o r kp i e c e s f r i c t i o n a lt o r s i o ni sr e g a r d e d 鹞o n eo ft h er e a s o n st h a tc a u s e d d e c l i n a t i o n c o n s i d e r i n gt h ed i s a d v a n t a g e so f p r e s e n tp r o j e c lt h ea u t h o rd e s i g n e d t w oa d v a n c e dp r o j e c t s t h e ya r ec o m p a r e dw i t hf e mi nt h ed e f o r m a t i o np r o c e s s ， t h em e t h o do f b l a n km a k i n g ，t h ew o r k i n gs i t u a t i o no f s p i n d l ea n de t c f i n a l l y , t h e a u t h o rg i v e st h eb e r e rp r o j e c to f b o t h ( 3 ) t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef i l l i n go r d e ro fb l a n ka n dt h es p e e do f s p i n d l ea n dt h e i ri n f l u e n c eo nt h ep r e c i s i o no fw o r kp i e c e sw e r es t u d i e d t h e r a t i o n a lv a l u e sw i t h i nas c o p eo fa x i a lc l e a r a n c ea n dr a d i a lc l e a r a n c ew e r e l l i 山东大学硕士学位论文 d e f i n e dw i t ht h em e t h o do fs i m u l a t i o n ，o t h e r w i s e ，h o wt or e a c ha g r e e m e n t a m o n gt h es p e e do ft h es p i n d l e ，a x i a la l l o w a n c e a ha n dt h eg r o w i n gs p e e do f b l a n kd i a m e t e ri sae m p h a s e so ft h i st h e s i s a tl a s tt h ea u t h o rp u tf o r w a r dan e w m i n i m u mr e i f l n a n tm e t h o dw h i c hc a r lo p t i m i z et h es p e e do fs p i n d l ef o rb e t t e r g r o w i n gs p e e do f b l a n kd i a m e t e ra n dh i g l ia c c u r a t er i n gr o l l i n gw o r kp i e c e s k e yw o r d s ：r i n gr o l l i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，m i n i m u mr e m n a n tm e t h o d ，s h a p e o p t i m i z a t i o n ，f l a n g e 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写的科研成果。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法 律责任由本人承担。 论文作者签名：狸凰晕 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者虢轾魍蠹翩签名缚嗍：塑旦。j 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 1 1 1 辗环工艺的发展历史 辗环工艺是伴随着铁路运输业的发展而产生的。自1 9 世纪中叶以来，铁 路系统的迅速发展使得火车的行驶速度和载重量得到大幅度提高。火车的铸 造车轮无法满足高速重载的使用要求，于是人们在火车铸造车轮上装备上性 能更好的、可更换的钢制轮毂。为了生产火车轮毅，1 8 4 2 年英国建造了轮 毂轧机，1 8 8 6 年俄国1 8 8 6 年俄国奥斯特洛维茨炼铁铸造厂设立了火车轮毂 生产车间。随后环件轧制技术不仅在火车轮毂、火车车轮生产中得到了广泛 的应用，在其它环形机械零件生产中也逐步得到了推广应用。我国于2 0 世 纪5 0 年代开始应用环件轧制技术生产轴承环，1 9 5 9 年在上海建立了锤一压 力机一扩空机的轴承环轧制生产线现在，环件轧制技术已经成为机械零件 生产的高效、先进和主要的工艺方法之一。n 1 1 1 2 辗环工艺研究现状 1 1 2 1 国内研究现状 目前国内专门从事辗环工艺研究的机构还不是很多。以武汉工学院的张 猛教授为代表的学者对该工艺进行了一些理论研究。这些研究主要集中在环 件轧制的静力学和运动学上，这也是目前工业生产中的主要设计参考依据 图1 1 辗环工艺的两个主要研究方向 t 山东大学硕士学位论文 国内环形件制造业还不是很发达，并且主要集中在中小型件的生产上， 设备也主要依靠进口比较有代表性的企业有：青岛锻压机械有限公司、大 连营鑫辗环制品有限公司、昆山精密模具标准件公司、大连金鑫辗环厂它 生产的零件尺寸从几十毫米到几百毫米0 4 年亚洲最大环形件生产线在贵 州航空工业集团安大航空锻造公司正式投产，公司从德国引进了具有国际先 进水平的环形锻件生产线经过技术攻关，能生产出直径达4 4 米，高度达 7 2 0 毫米的“巨无霸”锻件产品其高温合金、钛合金环形锻造件在中国市 场占有率达到9 3 以上 国内生产辗环机的单位有无锡市大桥机械轴承有限公司和济南铸锻研 究所等。它们生产的设备自动化程度较低，没有数据接口和c n c 控制系统； 加工出的零件截面形状较简单，精度也不是很高。“1 1 1 2 2 国外研究现状 随着数控机床和计算机的应用，精密辗环工艺己达到一个比较高的水 平，尤其是德、日走在了世界的前列，代表了国际的先进水平，领导着该技 术的发展方向。最为著名的公司是德国宝飞螺技术有限公司。它们集机床模 具技术于一体，在本行业占有绝对的领导地位。“州其生产的辗环机从5 0 年代至今已经经过六次更新换代精密辗环机可以读入c a d 图形数据，并有 c n c 控制系统。可以辗扩出大尺寸、高精度和形状非常复杂的零件。该公司 出口的设备遍布世界各地，是我国精密辗环设备进口的主要来源地。 在计算机辅助应用方面，比较有影响的是韩国的s h a p e c o l t d ，该公司 开发了一套三维模拟软件一s h a p e - r r 。该软件是专门针对环形件成型过程模 拟而开发的软件增加了很多功能，特别是在运动方面的改进使复杂运动和 具有曲线运动轨迹的成型过程模拟成为可能。， 在环件轧制另外两个环节( 动力学、力能计算) 上的研究还不是很多 此外，在计算机广泛进入工业领域的今天，辗环轧制上的计算机辅助应用远 不如其它工艺，比较成熟的软件在国内外也不多见。 山东大学硕士学位论文 i ii i e _ | e ! g | ! - | ! ! 目自自= _ e ! ! 目自目自| _ ! 自e ! 目| | t = _ 日- e ，_ ! ! ! ! s ! e e 曩 1 2 辗环工艺的工作原理、特点和应用 1 2 1 辗环工艺的工作原理 辗压工艺设计塑性加工理论、材料力学、理论理学、流体力学、模具设 计、计算机数值模拟等众多领域，因此影响因素多、技术难度大。辗环是在 专门的扩孔机上进行的扩孔机上一般有四种辊轮：主动辊1 、从动辊2 、 导向辊3 ，控制辊4 ，其工作过程如图l - 2 所示将加热好的环形坯料5 套 在从动辊2 上，主动辊1 一面带着环坯旋转一面靠油压作径向送进，使坯料 受压延伸，壁厚减小，内外径同时增大。导向辊3 始终靠在工件上，其余各 辊都靠摩擦力旋转。根据生产经验，导向辊3 与主轴线夹角应大于6 5 。， 控制并随着工件直径增大而外移。它的作用是使工件转动平稳，并对工件整 形当工件外径达到所需尺寸时，工件与控制辊4 接触发出信号使主动辊1 回程，扩孔结束电机只带动主动辊旋转，其它辊是被动旋转的控制辊与 主轴夹角应大于5 5 。辗环工艺必须采用合适的辗扩比k 和每转压下量， 才能保证整个扩孑l 过程始终满足坯料的咬入条件，使辗压能稳定进行。吨一 1 一主动辘2 - 从动轻孓导向辊年控射辊孓坯料 囝1 2 辗压工作过程示意圈 由以上可知辗环工艺是轧制技术与机械零件制造技术的交叉结合，因此 它还具有以下特点： 3 山东大学硕士学位论文 1 、主动辊与芯辊直径尺寸相差悬殊： 2 、主动辊做主动旋转轧制运动，芯辊做从动旋转轧制运动，且它们的 转速不同； 3 、旋转轧制运动与直线进给运动相互独立： 4 、径向轧制运动与端面轴向轧制运动相互制约，并都受到导向运动的 约束和干涉； 5 、轧制中环件毛坯反复多次通过型腔逐渐减少的轧制孔型； 6 、环件变形区几何边界是复杂的、不稳定的，变形的热、力条件也是 动态变化的。 由于这些特点，环件辗扩不仅受到静力学、运动学和动力学因素的影响， 而且还受到这些因素的耦合影响，因而环件轧制变形就有高度的复杂性。另 外，环件辗扩不仅表现出了普通平板轧制、异步轧制、多道次轧制的性质， 而且还表现出了这些轧制的耦合性质。“1 1 2 2 辗环工艺的特点 辗环是近期才发展起来的一种成形工艺，主要用于生产环形件。与锻造 成型相比，辗环工艺有较大的经济技术优越性，主要表现在： 1 、需要的设备吨位小 由旋转模具对毛坯局部连续的施压成型，与模锻的整体加压成形相比工 具与工件接触面积小，变形力小，选用小吨位的设备就可以制造较大的环件， 扩大了环件成型的范围。例如，直径巾4 0 0 衄左右的汽车后桥从动齿轮坯， 需8 0 0 0 0 k n 以上的模锻压力机制造，而辗环压力机仅为6 0 0 k n 左右：辗环能 成形直径由1 0 0 0 0 m m 、高度为4 0 0 0 m m 的原子能反应堆容器加强环，这是其它 压力加工方法难以成型的 2 、材料利用率高 与模锻相比。辗环制坯只需要冲小孔，所以冲空连皮小，又没有模锻所 必要的飞边及拔模斜度，环件截面尺寸形状更接近于成品，既减少了切削加 4 山东大学硕士学位论文 工量，又节约了原材料 3 、内在质量优良 辗环变形是径向压缩、轴向延伸，环件金属纤维沿圆周连续排列，往往 与环件使用中的受力和磨损相适应，所以辗环产品的强度高又耐磨，内在质 量优良 4 、劳动条件好 与一般锻造相比辗环时无冲击、无震动、嗓音小，劳动条件有很大的 改善，易于实现机械化和自动化 5 、生产成本低 辗环工艺具有材料利用率高、机加工机时少、生产能耗低、轧制孔型寿 命长等综合优点，因而生产成本较低德国丧4 造由3 5 0 0 衄x i l o m m 9 0 皿的 碳钢环件，自由锻比轧制生产成本高7 7 ，火焰切割比轧制生产成本高1 6 前苏联统计，环件轧制与自由锻相比，材料消耗降低4 0 一5 0 ，生产 成本降低7 5 用环件轧制生产e q l 4 0 汽车后桥从动锥齿轮锻件，相对于 模锻成型单件材料消耗降低5 k g ，生产成本降低2 0 。 6 、生产率高 辗环轧制设备的轧制速度通常为1 - 2 m s ，轧制周期一般为10 s 左右， 最小周期已达3 6 s ，最大生产率已达1 0 0 0 件h ，大大高于环件锻造和火焰 切割，也高于模锻生产率6 1 2 3 辗环的应用 目前辗环工艺在国内外的应用都比较广泛，如火车轮毅、轴承内外套圈、 齿轮圈、衬套、法兰、起重机旋转轮圈及各种加强环等。加工的零件尺寸和 重量范围都比较大：直径自4 0 衄一1 0 0 0 0 衄，高度自l o m m 1 0 0 0 m m ，重量自 o 2 k g - 8 2 0 0 0 k g ，具有多种形状的截面，其典型的例子如图1 - - 3 所示。环件 的材料通常为碳钢、合金钢、铝合金、铜合金、钛合金、钴合金、镍基合金 等，常见的环件轧制产品有火车轮毂、轴承环、齿轮环、衬套、法兰，燃气 5 山东大学硕士学位论文 轮机环、起重机旋转轮环、核反应堆容器环及各种加强环等 匹3 固e 刍国匡弓医虽国 西 亘 正 c ( 扣旺 匾困四霄团口 图卜3 辗环产品的截面形状 辗环过程要完成径向变形和轴向变形，但一般主要是径向变形，需要有 制坯工序。制坯工步一般包括下料、加热、镦粗冲空和冲连皮。毛坯的尺寸 和形状是获得合格的辗环工件的决定因素之一。用模锻压力机和摆动辗压机 进行制坯，可以基本完成辗环工艺所需要的毛坯形状的轴向变形，达到精辗 的目的。 辗环还可以作为制坯工序和摆动辗压工艺的联线，成形各种截面形状的 环件这样由于辗环完成径向变形，摆动辗压完成轴向变形，就可以制造各 类截面的环件辗环和摆动辗压联线，具有更大的优越性5 1 6 1 1 3 精密辗环工艺存在的问题 精密辗环工艺由于其自身的复杂性，辗扩过程中常伴随很多缺陷的发 生环件精密辗扩中常发生的缺陷有：抱死、起偏、环件直径扩大速度剧烈 变化等各种特有现象。任一现象的出现都会破坏环件精密辗扩的稳定性，并 出现废品。在实际生产当中这些缺陷一般是凭经验加以改进或出现缺陷后给 以手工的适时修正，如在出现起偏导致抱死时常通过手工锤击咬入口处的畸 变部位来使坯料能被继续咬入；在因压下量导致坯料不能继续咬入时，多是 由人工通过控制手柄及时调整芯辊的进给速度来调整每转压下量，以保证辗 扩过程得以继续进行，这些方法不仅落后更带有很大的盲目性。 6 山东大学硕士学位论文 现有的环件辗扩理论还无法完全阐明这些现象，因而从工艺设计和过程 控制上主动消除和避免这些现象还难以完全徽到，只能在某一方面舰以改进 和优化关于环件辗扩工艺技术设计，有关设计手册只是给出了一些经验性 的原则，缺乏系统的设计计算方法，难以满足环件精密辗扩技术应用和发展 的需要。 1 4 本课题研究的意义 随着石油天然气和航空航天等工业的发展和相关技术的长足进步，大口 径环形件在数量上的要求日趋增加、在质量上的要求也日益严格、尺寸规格 也越来越多，因此利用计算机辅助的有限元模拟来优化毛坯形状、改善工艺 流程、缩短开发周期是势在必行。 意义主要在于： l 、借助于计算机有限元法，模拟优化工艺过程获得合理的加工控制参 数，将缺陷消除在产品设计开发阶段。避免或减少实际生产中缺陷的产生， 2 、利用计算机有限元模拟优化毛坯达到较合理的形状，以求节省原材 料、节省能耗、降低生产成本 3 、缩短产品的设计开发周期。 利用模拟检查产品的可制造性，避免设计的盲目性。产品设计和工艺设 计小组可共同设计开发，减少设计的反复。 1 5 本课题研究的内容 1 5 1 抱死分析与主辊模具型腔的改进 抱死是精密辗扩过程中常出现的一个问题。引起抱死的原因很多，模具 型腔的形状是其中一个因素。本文借助于有限元法模拟研究抱死发生的原 因分析了模具型腔与抱死产生的关系。指出轴向尺寸的局部变大是引起抱 死发生的一个原因，进而对模具型腔进行了优化。优化后的模具型腔改变了 1 山东大学硕士学位论文 端面咬入时的变形特征( 连续、逐渐、局部变形) ，这在一定程度上，能避 免因坯料轴向尺寸局部增大引起的抱死的发生并且这种改进能降低实际生 产中对设备的要求，一些不是特别大型的环件可以在不带轴向辊的辗扩机上 辗扩成型。 1 5 2 起偏的控制 起偏也是精密辗扩工艺中比较常见的一类缺陷。由于起偏后的工件尺寸 精度、圆度和平面度的降低，使辗扩件的精度不能达到精密辗扩的要求。误 差远超出预赋余量的尺寸范围，因此起偏后的工件没有切削加工的余地，基 本上成为废品。所以起偏是精密辗扩工艺中一个非常恶劣的缺陷，一经发生 会造成极大的材料浪费。文中研究了起偏发生的内在原因，指出起偏是由摩 擦扭据引起的，从而对坯料进行了预改进。预改进后的毛坯在辗扩中不发生 起偏，但是制坯难度很大在综合考虑了起偏控制和制坯难易程度这两个因 素后，作者又提出了两个改进方案二，三经模拟发现方案二又因为产生不 共线作用力，也引起了起偏而且其制坯难度也较高，在预制坯料达不到要 求时还将引起抱死和折叠方案三很好的避免了起偏的发生。且没有其它伴 随缺陷发生，芯辊受力状况也得到了很大的改善 1 5 3 精密辗扩工艺变形规律的研究 精密辗扩过程中充满顺序和芯辊进给速度是影响精度的两个重要参数。 l 、文中分析了辗扩中的充满顺序，研究了其对辗扩件精度的影响，模 拟求得了轴向间隙和径向间隙的取值范围。 2 、合适的芯辊进给速度能保证坯料以较稳定的速度长大，保证辗扩过 程平稳进行，提高锻件精度。文中探求了长大速度与辗扩精度的关系，最后 基于计算机有限元模拟，并采用反向最小余量法对芯辊进给速度曲线进行了 优化。 山东大学硕士学位论文 第二章三维刚塑性刚粘塑性有限元基本理论及方法 2 1 引言 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 起源于5 0 年代中期，在当时由于计 算过程过于复杂，因此并没有得到广泛的应用。后来随着计算机技术的兴起 和发展，有限元法的优势才显现出来，并在力学、电磁学、热传导、流体力 学和材料科学等领域被广泛应用。在金属塑性加工领域的应用，也得到迅速 而深入的发展。金属塑性成形数值模拟过程中最常用的有限元法为刚( 粘) 塑性有限元法和弹塑性有限元法。刚塑性有限元法适于冷加工，刚粘塑性有 限元法适于热加工及应变速率敏感性材料的塑性变形过程在实际的金属塑 性变形中，弹性交形部分远小于塑性变形部分，尤其对于体积成形来说，可 以忽略弹性变形的影响，采用刚塑性冈0 粘塑性材料模型进行求解，不仅能 够得到令人满意的精度，还可以大大简化有限元列式和求解过程。同时，与 弹塑性有限元法相比较，可采用较大的时间增量步长。在保证足够的工程精 度的前提下，可提高计算效率。此外，由于刚塑性硐q 粘塑性有限元法采用 率方程表示，这样材料变形后的构形可通过在离散空间对速度的积分而获 得，从而避开了应变与位移之间的几何非线性问题。所以刚塑性刚粘塑性 有限元法自2 0 世纪7 0 年代提出以后发展迅速，尤其在塑性加工领域的应用 更是如此。目前，它已成为对金属塑性成形过程进行数值模拟的重要手段n o 1 3 l 2 2 刚塑性刚粘塑性有限元基本方程 2 2 1 刚塑憎- 刚粘塑性材料基本假设 金属塑性成形过程中，材料塑性变形的物理过程相当复杂。为此必须作 出一些假设，即把变形中某些过程理想化，以便于从数学上进行处理。对刚 ， 山东大学硕士学位论文 塑性粘塑性材料的基本假设如下： ( 1 ) 忽略变形材料的弹性变形： ( 2 ) 材料均质，各向同性； ( 3 ) 材料体积不变； ( 4 ) 不计体力和惯性力： ( 5 ) 材料的变形流动服从l e v y - m i s e s 流动法则； 2 2 2 塑性力学基本方程 刚塑性粘塑性材料发生塑性变形时，应满足下列基本方程组： ( 1 ) 平衡微分方程( 运动方程) 唧j = o ( 2 - 1 ) 、( 2 ) 速度一应变速率关系方程( 几何方程，协调方程) 1 e # = 鼍如u + u i o ( 2 - 2 ) ( 3 ) l e v y - m i s e s 应力应变率关系方程 岛= z ( 2 - 3 ) 五：娶(2-4) 2 i i 热言= 虿为等效敲样孑= 荔为等效眈 ( 4 ) m i s e s 屈服准则 。三吒吒“( 2 - 5 ) 式中，七：；，对于理想刚塑性材料，詹为常数。 3 ( 5 ) 体积不可压缩条件 以= 乞岛= 0 ( 2 6 ) ( 6 ) 边界条件 边界条件分为力面边界条件和速度边界条件，分别为： 山东大学硕士学位论文 在力面品上， o 0 n j = e ( 2 7 ) 在速度面品上，约= 瓦( 2 8 ) 2 3 刚塑性刚粘塑性有限元变分原理 设变形体的体积为矿，表面积为s ，在品上给定面力只，在品上给定 速度瓦，在满足几何条件式( 2 - 2 ) ，体积不变条件式( 2 6 ) 和边界条件式( 2 8 ) 的一切动可容速度场中，真实速度场使泛函 石。茹尉矿一l 鼻“，嬲 ( 2 9 ) 取极小值，上述原理称为m a r k o v 变分原理。 利用m a r k o v 变分原理对变形体进行数值求解，欲求既满足速度边界条 件，又满足体积不可压缩条件的速度场比较困难，而仅满足边界条件的速度 场则比较容易找到。因此，在实际求解时，往往采用l a g r a n g i a n 乘子法或罚 函数法将体积不可压缩条件引入泛函( 2 9 ) 中，得到新泛函。 采用l a g r a n g i a n 乘子法构成的泛函为： 7 1 - - - - i v b - - 考d v i t 曩u d s + 0 糙( 2 - l o ) 式中，a 为l a g r a n g i a n 乘子 采用罚函数法构成的泛函为： 石= j 黟矿一工，c u , d s + i o c ”勺毛y d v ( 2 - 1 1 ) 式中，口为惩罚因子 罚函数法不需额外增加求解未知数和半带宽，可以节省内存和计算时 间，而且收敛速度快。罚函数法着眼于数学角度来处理体积不变条件。 l a g r a n g i a n 乘子旯具有明确的物理意义：五= 巳( 静水压力) ，这在分析 应力场时尤为重要。而罚函数法只能求出应力偏量，无法求得平均应力，但 可以证明平均应力o r m = 口套。 山东大学硕士学位论文 j i e g = j = | g = ! ! e 目e _ ，e ! _ e e _ s | e e 自e 自s 目_ _ e - | e j _ g _ _ _ _ s 目目_ | g _ | ! _ 目_ _ _ 自目目_ _ | g _ 皇 2 4 刚塑性刚粘塑性有限元求解过程 刚塑性刚粘塑性有限元的求解过程与一般有限元一样，都需经过离散 化处理，在单元分析的基础上建立单元刚度方程，然后组装成总体刚度方程 组，不同的是刚塑性刚粘塑性有限元法组装成的总体方程组为非线性方程 组，还需进行线性化处理和采用n e w t o n r a p h s o n 迭代法进行速度场迭代求 解。 变形体经离散化后，能量泛函就成为各节点速度的函数，能量泛函取驻 值的条件是： 参。手舞，= 。 弘均 式中，o ) 表示第_ ，个单元，为节点编号。 为了求解上述非线性方程，采用n e w t o n - r a p h s o n 方法进行迭代，把式 ( 2 1 2 ) 用t a y l o r 级数在v - - - v o ( 初始值) 展开，忽略二阶以上的高阶微量，保留 线性部分得： 嘲，+ 矧哪晔。 乃是对速度的一阶修正，式( 2 1 7 ) 又可以写成如下形式： 一 k a v = f ( 2 - “) 式中，五为刚度矩阵；f 为节点力矢量。 当速度的修正值a v 求得后，就可用+ a d v 对进行修正，其中口是 一个介于l 之间的数，称为衰减因子。如此迭代下去t 直到速度修正量小 到可以忽略。初始假设的速度值应接近于真实解，否则会出现迭代不收敛。 常用直接迭代法求解初始速度场。 判断迭代收敛的常用方法有多种。本文主要采用其中的两种：一种准则 是速度的相对误差范数怯y l l l i y 4 余量公差余量公差余量公差 + 1+ o 5 8 0333+ 1 5 0 52 8 0 1 2 0 + i + o 5 3 - 3 3+ 1 5 1 8 02 2 0_ 0 5- 2 1 8 0 2 2 0 3 5 + 1 + 0 5+ 1 5 4 3 6 2 5 03 5 04 5 1 2+ 1 5 3 0 0 3 5 0 + 1+ l + 2 5 5 95 85 8 5 0 05 5 013+ 2 + 2+ l+ 4 5 0 05 5 01 09l o 2 _ 4+ 4 + 2+ l+ 4 5 5 06 0 0 1 21 0l l 2 - 4+ 4 + 3+ l+ 4 6 0 06 5 01 4 1 21 2 3 - 4+ 4 + 3+ l+ 5 6 5 07 0 0 1 61 41 3 3 - 4+ 5 + 3+ l+ 5 7 0 0 8 0 01 81 6 1 5 i 3 4+ 5 表3 - 1 锻件余量与公差 3 2 2 辗扩比k 的选择原则 辗扩比k 是辗扩前毛坯壁厚与辗扩后锻件壁厚之比，即： 山东大学硕士学位论文 k = 糟 t ， 式中： d 矿一毛坯外径( n u n ) ； d 矿毛坯内径( n u n ) ： d 广锻件外径( n u n ) ； d 。广锻件内径( n u n ) 辗扩比k 是设计辗扩预制坯尺寸首先要选择的参数。由于辗扩变形的轴 向宽展量比轴向延伸量小的多，所以在工艺计算中往往忽略轴向宽展。在确 定了辗扩比k 之后，就可以按式( 3 1 ) 和体积不变定律确定辗扩预制坯的 内、外径尺寸但是式( 3 1 ) 计算起来比较麻烦，实际设计中取： k ：立 以 ( 3 2 ) 轴向变界面的环件。如阶梯孔、外径为阶梯孔或者同在一体的锻件，则 应分别计算k 值的大小，即： k 1 鲁，k 2 = 老，k 3 等， c ，。， 辗扩比k 虽然是设计毛坯尺寸的重要参数，但辗扩比k 的确定尚且没有 严格的理论方法，确定时一般要考虑的因素为： 1 、锻件截面形状 简单截面形状的锻件，例如矩形截面，直接根据芯辊直径d 决定毛坯内 径鼬，辗扩比k 为定值。锻件内径或外径的大小直径差较大( 如阶梯孔、 锥孔、阶梯轴、锥轴等等) ，则必须使辗扩比足够大小才能满足变形的需要。 k 值的大小，需要根据工艺试验确定。 2 、制坯方式 如果毛坯几何形状的精度很低，则需要较大的辗扩变形才能使锻件尺寸 形状达到要求。锤或压力机上自由冲空：k 习5 ；压力机、平锻机或胎模挤 压机：k 2 1 1 3 、锻件质量 山东大学硕士学位论文 锻件质量包括尺寸形状精度及金相组织。一般说来，辗扩比愈大，愈能 改善金相组织和提高尺寸形状精度，如果要求有明显的轴向纤维，则需要 k 1 4 。 4 、生产率 辗扩比k 越大，则辗扩时间就越长。为满足生产节拍的需要，在保证质 量的条件下，适当取较小的辗扩比 5 、辗扩温度 热锻或温锻时，辗扩比k 大则辗扩的时间就长，因而温降就大不允许 使温度降到规定的终锻温度以下。是选择辗扩比k 要考虑的因素之一 6 、芯辊的刚度和疲劳强度 在辗环时芯辊局部处于高温的毛坯中间，在承受辗扩力的状态下高速旋 转，多次反复弯曲，所以工作条件恶劣。其刚度影响锻件精度，疲劳强度影 响它的使用寿命。当预制坯孔径小于l o o m m 时，应根据锻件精度提出对芯 辊的刚度要求进行设计，并需进行疲劳强度校验。热锻和温锻还需要考虑耐 热疲劳强度，这时： k ：! l d4-153(3-4) 内孔直径较大时，选择k 值不考虑芯辊的强度和刚度。 一 7 、制坯设备能力 锻件大，制坯设备的吨位小( 例如孔径为m 5 0 0 m m 以上的锻件) ，则应 选大的辗扩比，使得预制坯成形锻造的接触面积尽量小，能够实现预制坯成 形锻造如果采用铸造制坯，所选用辗扩比实现的变形量，应能够克服各种 铸造缺陷。6 1 2 2 1 3 2 3 毛坯尺寸形状的选择 决定毛坯尺寸形状的除了锻件的尺寸形状以外。还有辗环本身的特点 辗环不同于一般的锻造，它是连续地局部加压变形，类似于纵向异步轧制 与轧制的不同点是，辗环是高速连续的通过由高到底变化的单一孔型，坯料 山东大学硕士学位论文 不能翻转换向，坯料周而复始地多次通过变化着的单一孔型；环件变形过程 中始终给变形区的进出口端施加压力，可以看作压力轧制；大辊与小辊的直 径尺寸差别很大，并且小辊是靠坯料的接触摩擦力带动旋转。 辗环径向辗扩每转压下量很小，一般变形量e r b 7 匕 ( 5 - 1 ) 其中： v 一主动辊a 处线速度 v b 一主动辊b 处线速度 w 矿一主动辊转速 山东大学硕士学位论文 图5 - i 坯料摩擦力引起扭矩示意图 因此，若坯料和主动辊间没有发生相对滑动且完全在主动辊的带动下转 动，由式5 - 1 知主动辊上a 点处的线速度v a 大于b 处的线速度v b 。 ( 2 ) 从坯料角度求： = o = o ：r ) ，t 其中： v 卜主动辊a ，处线速度 v 一一主动辊b 7 处线速度 一 一w i 一主动辊转速 一一 一一 一一一一一一 由式5 _ 2 知坯料上点处的线速度v d , 于b 7 处的线速度v b ，。 a 、a 和b 、b 7 分别为主动辊和坯料瞬时的对应点。由式5 1 、5 2 知a 、b 两点必定发生相对滑动坯料在a 点相对于主动辊发生后滑，在b 点处必发生前滑对于台阶式高颈法兰，这两个相对滑动运动在坯料外侧上 会产生两个方向相反的摩擦力，这两个摩擦力将引起一个扭矩m i ( 如图5 - l 所示) 作用在坯料上，这是现有方案起偏发生的一个主要原因 山东大学硕士学位论文 5 2 预制坯方案的模拟优化 5 2 1 预改进方案及其优缺点 在模具型腔改进研究过程中( 图4 - 2 ) 发现，工件辗扩成型过程初期发 生起偏，然后逐渐加重，在坯料纵向充满主动辊型腔后起偏开始减轻，并最 终消失。由此可见在坯料完全充满型腔后，辗扩过程中主动辊内壁与工件间 会产生一轴向作用力，可以抑制工件发生起偏。 鉴于以上分析，采用改进后的模具型腔形状，取坯料截面形状如图5 - 2 所示，采用表4 1 所示的模拟参数。 图5 - 2 预改进方案的毛坯截面形式 从图5 3 所示的模拟结果可以看到模拟过程始终没有起偏发生，主要是 因为坯料在轴向充满型腔后，主动辊对坯料顶端产生一向下的作用力。如图 5 4 所示，该力正好产生一方向与起偏方向相反的扭矩，进而避免了起偏的 发生。 山东大学硕士学位论文 图5 3 预改进方案辗扩模拟过程图 山东大学硕士学位论文 端 面 接 璧图 力 不 思 端 m声 雾莛 物y 引 图5 - 4 端面应力和扭矩图 由于高径对焊法兰属于精密闭式辗扩，这就要求在加工前预制坯必须要 安装在主动辊型腔内。由于这一要求，在实际生产当中发现这种改进的毛坯 存在一定的缺陷，即对预锻坯料的轴向尺寸要求太高。如果出现预锻坯轴向 尺寸超差大于主动辊型腔的轴向尺寸，坯料无法装入型腔( 如图5 5 ) ，辗扩 过程无法进行给实际加工带来很大的不便。或者尺寸太小，坯料上端不能与 主动辊接触。给预制坯的加工带来很大的困难；另外即使坯料尺寸符合要求， 从主动辊寿命角度来看坯料顶端与主动辊型腔之间的作用力也是不希望有 的。因此，实际生产中这种坯料形状不易采用。 尺寸过大。无珐装毫 图5 - 5 轴向尺寸超差 5 2 2 优化方案的选择与模拟结果 由起偏原因分析( 5 1 ) 得知，作用在台阶式高颈法兰工件壁上的两个不 4 i 山东大学硕士学位论文 i 自| e ! 目! g 目e 自e 自e 目e 目自= | 目s ! 目g 目自| 日= e | ! e e ! e 目g 自e e s 自e g ! 目g | 一 同方向的摩擦力是引起起偏的一个主要原因因此要从根本上控制起偏的发 生，应避免坯料同时受两个摩擦力，即大小台阶处的外侧壁同时和主动辊接 触，因此应设计为其中一处与主动辊脱离，即留有间隙 由辗环工艺的工作原理知，坯料是在主动辊的摩擦力作用下做随动运动， 所以坯料形状设计必须能保证侧壁与主动辊接触或部分接触，以保证有摩擦 力产生为了避免爬辊等缺陷的产生，增大主动辊和坯料间的摩擦力，因此 设计坯料截面形状时外台阶的高度保持不变即i - i = h 0 = 8 0 咖。 由5 2 知坯料轴向尺寸要小于主动辊模腔轴向尺寸 考虑上面三方面原因后，设计了两个毛坯改进方案如图5 6 中方案二、 三所示，为了便于比较实际采用的毛坯形状也列入了其中( 方案一) 。模拟 中选用的参数如表3 3 所示。 坯料截面形状 l v 厂门 方案一 缌 e j ：形形= z 力l j；l , j 方案二 一撼一 ，j a i l 一 、 方案三 霎i 缀1 v ，7 a 、 j i ， l 图5 - 6 分析改进方案 4 2 一 山东大学硕士学位论文 方案一、二整个辗扩模拟过程示意图分别如图4 - 1 2 、5 - 7 所示。这两个 方案的辗扩模拟中有起偏发生。 图5 7 方案二辗扩过程 山东大学硕士学位论文 1 自目! g 目! ! ! ! ! ! ! ! ! 目e 自e e s e ! 目e = ! e | 目! ! = e | e 目= 自! e |