基于DEFORM的坯料尺寸对法兰锻压性能影响的有
法兰连接失效造成的经济损失或重大事故时有发生[1-2],对法兰锻压成形进行数值模拟,探索合理的锻压工艺具有重要意义。锻压成形数值模拟最有效的是有限元法[3],而DEFORM软件是求解塑形体积成形问题较成熟的专业有限元软件,广泛应用于塑形体积成形领域[4-5]。本文运用有限元软件DEFORM研究了坯料尺寸对法兰锻压性能的影响,数值模拟结果与金属塑性理论相吻合,从而缩短了工艺研发周期,提高了生产率。 1.1 有限元模型的建立 法兰坯料选择两个体积相等、直径和高度不同的圆柱体,图1为法兰锻件示意图。本文运用pro/e建立法兰坯料与上下模具三维模型,保存为stl文件并导入DEFORM得到其有限元模型,如图2所示。坯料为旋转体,为节省模拟工时选择其1/4为模拟对象。通过合理设置软件模拟边界条件,可保证模拟结果的正确性。 1.2 模拟参数设置 各毛坯尺寸及模拟参数设置如表1所示。 表1 各毛坯尺寸及模拟参数设置毛坯1毛坯2直径/高度/mm4524步长设置步长0.225mm;运行200步步长0.120mm;运行200步材料45钢;选用AISI_1045号材料模拟参数设置公制(SI);坯料和模具初始定义为接触状态;接触容差值0.0401;选择“symmetryplane”,选中毛坯对称面,约束对称面上的点只在该平面上运动;考虑热传导,激活“deformation”和“heattransfer”温度/℃1000锻压速度/mm·s-1150摩擦条件有润滑;摩擦系数0.3网格设置相对网格划分;网格个数 锻压成型中间阶段各毛坯锻件温度对比图如图3所示。毛坯1,即细长毛坯仍处于镦粗阶段,模具对锻件作用力较大,做功较多,工件中心部位有较高的温度分布。毛坯2,即短粗的毛坯已经进入了成型阶段,一部分材料开始流入型腔进行成型,工件热量随材料流动分散与流失,工件中心部位没有过高温度分布。 锻压成型中间阶段各毛坯锻件等效应力对比图如图4所示。 由于毛坯2已经进入充型初期,材料流动性较大,此时工件中心部位有较大的应力集中。毛坯1仍然处于镦粗阶段,工件整体应力分布较小,而且比较均匀。此结论与材料塑性成形基本理论很好的吻合。 由上述分析可知,毛坯1比毛坯2镦粗阶段持续时间长,由毛坯到工件成型,材料变形较大,这样有利于行程材质均匀的工件,且工件内部不易由应力集中。并且细长毛坯在成型中间阶段工件最大温度与应力分布都要低于短粗毛坯中间成型阶段最大温度与应力。 锻压成型最后阶段各毛坯锻件温度对比图与等效应力对比图分别如图5、图6所示。由图可知,两种毛坯成型锻件尺寸一样,但是,毛坯1成型锻件最高温度与最高等效应力均低于毛坯2成型锻件。锻件成型后温度过高,可能会造成工件组织高温灼伤,造成锻件缺陷。此外,锻件过高的应力分布,会带来后续较为复杂的热处理工艺或者造成工件工作中失效。 锻压成型最后阶段各毛坯模具载荷对比图如图7所示。各毛坯载荷均随模具行程而增加,并且在靠模阶段,载荷会急剧增高。在选取毛坯1时最后的模具载荷为1?920KN,毛坯为毛坯2时,模具最终的载荷为1?990?KN。在毛坯1即细长的毛坯条件下载荷小,毛坯2即粗短的毛坯条件下载荷大。虽然细长的毛坯镦粗阶段时间长,但是在镦粗完成后,大部分材料同时进入模具型腔开始成型阶段。而粗而短的材料进行锻压时在一部分材料刚刚进行镦粗时,甚至还没有产生形变的时候,一部分材料就开始流入型腔进入塑性成形阶段,同时还有一部分材料已经进入到最后的靠模阶段,材料的同步率非常低。 结论:若要减小工件的成型应力,就要使工件在成型的最后阶段,尽可能地同时进入靠模阶段,即保证工件与模具的接触的均匀性。做到这一点和坯料的形状有一定关系,根据上面的分析选用细长的毛坯即可。 1)运用有限元软件DEFORM对法兰锻压成型过程进行数值模拟,结果与金属塑性成形理论能够很好的吻合;采用DEFORM软件对锻压成型数值模拟可有效缩短锻压成型工艺周期。 2)细长毛坯与短粗毛坯相比,镦粗阶段持续时间长,由毛坯到工件成型,材料变形较大,有利于形成材质均匀的工件,且工件内部不易由应力集中。细长毛坯在成型中间阶段工件最大温度与应力分布都要低于短粗毛坯中间成型阶段最大温度与应力。 3)在工件成型最后阶段保证工件与模具的接触的均匀性可减小工件的成型应力。做到这一点和坯料的形状有一定关系,选用细长的毛坯即可。
文章来源:《锻压技术》 网址: http://www.dyjszzs.cn/qikandaodu/2020/1024/362.html
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