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大型筒体翻孔工艺及参数优化的数值模拟

大型筒体翻孔工艺及参数优化的数值模拟 2011年12月04日 来源： 摘要：采用DEFORM3D软件对径向尺寸和壁厚分别为4390mm和390mm的大型厚壁筒体翻孔工艺进行了模拟研究。研究表明：该翻孔成形具有弯曲与扩孔的复合变形特点，并通过对五种不同预加工孔径及三种不同孔型下翻孔过程的模拟分析，得出优化的孔径尺寸及孔型分别为平均直径φ40mm的反锥型孔。上述结果为该工艺的工程应用奠定了科学基础。关键词：翻孔 厚壁筒体 数值模拟 预加工孔目前，随着石油、煤炭等化石燃料的开发和储量的日益减少，核电作为一种经济、清洁的替代能源已经成为世界各国的共识，核电产业发展迅速。然而在核电大锻件的设计和制造等方面还存在着一些问题。尤其核电设备的部件尺寸大、壁厚、质量要求严格，在厚壁（壁厚远大于10毫米）的核电锻件上进行翻孔的研究还没有涉及到。以前国外主要对厚薄板料的研究，如日本K.T等从冲头形状、坯料厚度对厚板料的变薄翻孔的影响，以及对平面、圆柱面、球面形三种类型的坯料从不同角度分析翻孔成形特征，但研究的厚板料仅10毫米的厚度，此外还涉及了双层金属的翻孔成形[1-4],而我国的研究现状，仅局限于薄壁件翻孔、预冲孔形状及翻孔开裂等的研究[5-6]。基于此，本文采用DEFORM3D软件对该核电厚壁筒体接管热翻孔过程进行了计算机数值模拟，优化热成形过程中的工艺参数，确定较好的工艺方案。这在很大程度上可为该工艺的工程应用奠定坚实的科学基础。1 翻孔工艺模拟过程以1:5试验模型为对象,采用DEFORM3D软件进行计算机模拟。筒体锻件实体尺寸如图1所示：

图1 核电筒体锻件示意图

1.1 计算条件初始温度：坯料850ºC，模具200ºC；材料模型：采用AISI-1035钢热力模拟试验曲线；冲头压入速度：10 mm/s；摩擦系数：0.3；根据模拟试验的要求，工件预加工孔径d五种尺寸分别为φ30、φ40、φ45、φ50、φ60 mm，现取φ50mm孔径为例，考虑对称性，工件与模具均取1/4部分进行研究。1.2 模拟结果与分析图2表示接管成形过程有限元网格图,从中可以看出，该成形过程大致可以分为弯曲和扩孔两个阶段。第一阶段为弯曲变形阶段，随着翻孔针球头部分逐渐压入工件，位于球面接触部分及周围区域的材料向下弯曲，其塑性流动主要沿翻孔针运动方向（即接管轴线方向），到整个球头完全压入工件为止；第二阶段为扩孔阶段，翻孔针球头由完全进入工件至全部离开工件，包围球头部分的材料随翻孔针运动逐渐向两侧翻出成形。 金属流动主要沿接管径向方向，并且沿轴向向下流动内壁材料速度较大，由内向外逐渐减小，成形后接管端面较不平整，内壁长、外壁短，其原因是翻孔针扩孔阻力与接触摩擦力作用所致。

图3为接管成形工艺有限元模拟的成形力与行程曲线，由图3可知成形力随着行程的开始增加逐渐增大，当行程为60.00mm左右时，成形力达到最大值，而后随着行程增加成形力逐渐减小，直到变形过程结束。对照图2和图3分析可知，最大成形力处为弯曲与扩孔两个变形阶段的分界点，当成形力为零时表示翻孔针球头刚好脱离接管体。

2 工艺参数的优化2.1 工件预加工孔径预加工孔径是接管成形工艺的主要参数，在φ50mm预加工孔径成形模拟的基础上，以下分别模拟分析φ30、φ40、φ45、φ60mm预加工孔条件下接管成形后的尺寸差异，以期得到较优的孔径。图4为接管成形后的示意图，其中筒体壁厚78mm。为比较方便，采用图示的几个参数反映接管尺寸，如下所示：

hf —— 成形高度hi —— 变薄高度 δ——接管最小厚度 ξ——接管不同横截面上的厚度经测量计算，φ50mm条件下，由模拟得出hf=74.773mm,hi =54.773mm,δ=29.539mm;与锻件图要求比较( h=60 mm;δ=28 mm)，成形后hi 值达不到要求，δ值较好。图5表示当预加工孔径为φ50mm时，接管各横截面厚度随成形高度的变化情况。可见ξ有一个最小值，在翻孔过程中发生了变薄翻孔。

通过对d为φ30mm、φ40mm、φ45mm、φ50mm、φ60mm时五种情况进行模拟, 将所得尺寸测量，绘制成图6。随着d的增加, 成形高度 hf 和hi 变小，同时δ由于较少的材料发生弯曲变形而明显增厚，但当d=φ50mm时hi有波动。在预加工孔径为φ40mm时接管尺寸较接近要求。

2.2 工件预加工孔型从上述分析可知，对于圆柱型孔型，其孔径d大小对成形后接管尺寸影响较大，并且φ40mm孔径结果最好，小于或大于该孔径时接管的高度或厚度尺寸都与要求相差较大。但是φ40mm时接管尺寸仍不满足要求，其最小厚度仅为27.399 mm，达不到实际要求的28mm。分析原因是由于翻孔过程中由于凸模与工件之间摩擦力的影响，随着预加工孔径的减小，尽管在弯曲阶段聚集了较多的材料，但在扩孔阶段开始时凸模底部被工件包着，在接下来的翻孔中，工件内壁被严重拉薄造成成形后接管高度满足但壁厚过薄。因此仅靠改变孔径大小仍不能成形出合格的尺寸，尤其是端部壁厚尺寸不够。综合孔径大小对接管成形两个变形阶段的影响，在筒体内壁孔径较大有利，而在筒体外壁由于是被翻出成形，直接影响变薄高度hi，则孔径较小为宜，为此提出了圆锥型孔型预加工孔结构。考虑到φ40mm孔径效果较好，故提出dmin=φ30mm, dmax=φ50mm的锥型孔型进行正锥和反锥模拟研究。同上分析，可以得到正锥和反锥孔型时的模拟计算结果，并与φ40mm时圆柱型预加工孔型计算结果相比，如表一所示。从表中容易得到反锥孔型较优，无论接管高度和壁厚都能达到理论要求，且翻孔最大成形力明显降低。原因是由于翻孔初期阶段凸模与工件接触面积大，接触摩擦力大，使得在弯曲阶段能够积聚较多的材料，而后扩孔阶段发生时凸模被较少量工件材料所包围，导致最大翻孔力降低。与此同时扩孔中筒体外壁预加工孔径小，在被翻出成形时，变薄翻孔不严重，所以壁厚在一定程度上也未被严重拉薄。

综合各因素，反锥时所得情况最好，接管高度和厚度尺寸均符合模拟要求。3 结论采用DEFORM3D对筒体接管成形热翻孔工艺的数值模拟，得到如下结论：(1) 核电大型厚壁筒体上翻孔成形，有两个阶段分为弯曲和扩孔；(2) 工件预加工孔径大小是该成形工艺的关键参数之一，研究表明：当孔径较小时翻孔阶段接管部分变薄严重造成壁厚δ较薄而接管高度hf 和hi较大，但当d=φ50mm时hi有波动。综合分析当孔径大小为φ40mm时较好，但最小壁厚δ仍不足；(3) 在预加工孔平均直径为φ40mm前提下，比较圆柱、正锥和反锥三种孔型，得出反锥孔型最好，其相应高度和厚度尺寸均能达到要求，且最大成形力较小。参 考 文 献1 Toshio.Kumagai. Hole Flanging with Ironing of Two-ply Thick Sheet Metals. Journal of Materials Processing Technology, 1999, vol.89-90: 50-512 Ryosuke IMASEKI. Forming Characteristics in Hole Flanging with Ironing on Thick Metal Plate. Journal of the JSTP, 2001, vol.42: 323-3273 Kumagain.T. Saiki.H . Forming Characteristic on Hole Flanging with Iron ing of Thick Sheet Metals(Effects of Blank Thickness). Journal of Kyushu National Industrial Research Institute, 1994, No.52: 3237-32424 R.Imaseki. Analysis of Hole Flanging with Ironing on Thick Metal Plate. Advanced technology of plasticity, 1999, vol.3: 2437-24425 周振宝.薄壁件翻孔工艺.模具工业, 2000,（1）: 28-296 肖小亭.确定曲面体翻孔预冲孔形状的图解法.模具工业, 1993,（9）: 6-9 (end)

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