汽車排氣管法蘭成形數(shù)值模擬與工藝改進(jìn)

1、汽車排氣管法蘭成形數(shù)值模擬與工藝改進(jìn)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(jìn)行數(shù)值仿真。實(shí)驗(yàn)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(jì)算時(shí)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(gè)新的關(guān)于毛坯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(kuò)孔，是在專用輥軋機(jī)上將環(huán)形毛坯壁厚減薄、使內(nèi)外徑同時(shí)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(diǎn)，廣泛應(yīng)用于矩形和法蘭型等截面的軸承環(huán)、齒

2、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(jìn)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(shí)擴(kuò)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(jì)算機(jī)模擬環(huán)件軋制成形過程，優(yōu)化環(huán)扎工藝，在實(shí)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(jìn)行仿真研究得到了許多關(guān)注。對于環(huán)形軋制存在運(yùn)動學(xué)和力學(xué)等復(fù)雜研究，文章運(yùn)用DEFORM軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，使得計(jì)算效率提高。1

3、有限元前處理1.1 環(huán)軋仿真模型根據(jù)環(huán)扎機(jī)實(shí)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(jì)算量，因此假設(shè)各個(gè)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(gè)環(huán)件輾環(huán)的時(shí)間并不長，大約在1-2min之間，在這段時(shí)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(jì)算誤差，

4、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(jì)算過程中網(wǎng)格重劃的狀態(tài)參數(shù)傳遞的時(shí)間就越久，因此導(dǎo)致計(jì)算機(jī)計(jì)算的時(shí)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(jì)算精度以及計(jì)算時(shí)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)數(shù)是27360。1.2 環(huán)件軋制工藝（1）主輥與芯輥的進(jìn)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(jìn)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

5、壁厚減薄、內(nèi)外直徑同時(shí)擴(kuò)大，上、下錐輥?zhàn)鲎赞D(zhuǎn)運(yùn)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(jìn)給，并不是勻速進(jìn)給，因?yàn)殚_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(shí)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(jìn)給的速度來保證環(huán)件變形的精確，圖2是芯輥的速度-時(shí)間變曲線圖。（2）錐輥的進(jìn)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(kuò)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(jì)算準(zhǔn)

6、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(shí)，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(shí)間環(huán)軋經(jīng)過的網(wǎng)格比較多，計(jì)算模擬的耗時(shí)最多，影響計(jì)算效率；當(dāng)主輥的轉(zhuǎn)速為150rad/s的時(shí)候，軋制效果相對較好，效率也較高，計(jì)算機(jī)計(jì)算的時(shí)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(jìn)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

7、要調(diào)整好主輥和芯輥的速度，芯輥的進(jìn)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(jìn)行劃分，分別取個(gè)數(shù)為50000，130000，200000，因?yàn)樵摿慵獗砻婕庸ず笞冃纬潭容^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(shí)，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(jì)算速度快，有利于粗略分析各輥的轉(zhuǎn)速，并且及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。取個(gè)數(shù)為200000時(shí)，計(jì)算的步長減少了，但計(jì)算的時(shí)間又增長了許多，因此最佳個(gè)數(shù)取130000。2.3 環(huán)軋成

8、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(gè)數(shù)為130000對環(huán)件進(jìn)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(gè)動態(tài)過程，并可以看到在整個(gè)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(shí)各輥基本進(jìn)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(jìn)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(shí)的反應(yīng)了環(huán)扎機(jī)生產(chǎn)環(huán)件的整個(gè)成形過程，與實(shí)際的環(huán)扎相比，模擬計(jì)算可以大大的減少成本，并提高效率，減少了實(shí)際做實(shí)驗(yàn)的時(shí)間和精力，只需要通過電腦的運(yùn)算就可以得到整個(gè)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(gè)人電腦計(jì)算速度有限，需要針對計(jì)算的精度、穩(wěn)定性、計(jì)算時(shí)間進(jìn)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(jì)算機(jī)在仿真時(shí)候的計(jì)算速度，通過計(jì)算機(jī)的數(shù)值模擬和工藝改進(jìn)，對于確保環(huán)件在實(shí)際生產(chǎn)過程中環(huán)扎的順利進(jìn)行，和環(huán)扎效率的提高有著重要的意義。文章是根據(jù)計(jì)算機(jī)的模擬和仿真對汽車法蘭的環(huán)扎工藝進(jìn)行研究，并進(jìn)行工藝的改進(jìn)，但由于實(shí)驗(yàn)條件有限，不