材料成形性能对空心曲轴内高压成形模拟结果的影响

中国机械工程第17卷增刊2006年10月材料成形性能对空心曲轴内高压成形模拟结果的影响林俊峰1苑世剑1韩笑峰21.哈尔滨工业大学,哈尔滨,1500012.哈尔滨学院,哈尔滨,150001摘要:用数值模拟的方法研究材料成形性能对空心曲轴内高压成形结果的影响,分析了管材的厚向异性系数与硬化指数的变化对壁厚分布的影响,结果表明,内高压成形件的壁厚分布与材料的硬化指数n值、厚向异性指数r值密切相关,n值越大,壁厚分布越均匀,r值越大,壁厚减薄率越小,可减小破裂的可能性。关键词:材料成形性能;内高压成形;空心曲轴;数值模拟中图分类号:TG394文章编号:1004—132X(2006)S2—0048—03TheInfluenceofMaterial’sMechanicalPropertyonSimulationofHollowCrankshaftHydroformingLinJunfeng1YuanShijian1HanXiaofeng21.HarbinInstituteofTechnology,Harbin,1500012.HarbinUniversity,Harbin,150001Abstract:Aninvestigationisconductedfortheinfluenceofthematerial’smechanicalpropertyonsimulationofhollowcrankshafthydroforming.Byanalysingtheeffectofnvalueandrvalueonthick2nessdistributions,itisfoundthatforthematerialswithbiggernvalue,wallthicknessdistributionismoreuniform,andtheminimalwallthicknessofthetransitionregionisincreased.Thewidthintran2sitionregionandthecenterregionandwallthicknessincenterregionisaccordinglysmaller.Keywords:materialproperty;hydroforming;hollowcrankshaft;simulation0引言近年来,随着计算机软硬件技术的高速发展,使得大容量的复杂计算在个人PC机上也可高效实现,再加上数值模拟软件的不断发展完善,使得材料成形过程的有限元模拟精度不断提高,在许多领域有限元模拟已可以代替实验研究。但在许多情况下模拟结果与实验仍有一些差距,其中有限元分析模型的材料力学性能和摩擦条件的设定与实际情况存在差异是主要原因[1,2]。另外,成形空心曲轴的管坯有多种材料,主要是不锈钢和碳钢,它们的材料力学性能不同。针对不同材料的应用,本文通过对非对称结构的空心双拐曲轴的模拟研究,分析了硬化指数n值、厚向异性指数r值对成形件壁厚分布的影响,对于提高材料成形的数值模拟水平和不同材料管坯的实际应用有着重要的指导意义。收稿日期:2006—08—15基金项目:华中科技大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室开放基金资助项目(05-7);哈尔滨工业大学校基金资助项目(HIT.2003.08)1零件特点和有限元模型图1所示为空心双拐曲轴的几何尺寸,长度220mm,拐部管径从63mm变化到86mm,上半周膨胀量62%,下半周膨胀量12%,非对称的特征非常明显。由于该零件具有非对称的外形和较大图1空心双拐曲轴零件图的单侧膨胀量,成形时一面不膨胀且壁厚还要增加,而另一侧膨胀量较大,因而在成形中控制壁厚相对均匀的难度很大,补料过多的一侧会发生起皱,补料不够的另一侧会产生破裂。初始管坯的·48·材料成形性能对空心曲轴内高压成形模拟结果的影响———林俊峰苑世剑韩笑峰尺寸为63mm×3mm,根据体积不变条件计算出理论补料量为80mm,所以管坯长度定为300mm。采用有限元分析程序DYNAFORM,与之配套的有限元求解器为LS-DYNA,从而实现了前后处理程序与求解器的无缝连接。图2所示为空心双拐曲轴内高压成形模拟模型,包括模具、坯料与左右冲头四部分。管坯采用中性层进行造型,划分为Belytschko-Tsay壳单元,单元数5680,全部是四边形单元。模具划分为刚体单元,单元数3787,其中四边形单元3707个,三角形单元80个。左右冲头为刚体单元,单元数均为926,其中四边形单元896个,三角形单元30个。3n值对成形的影响针对不同n值的模拟模型,采用图3所示的加载路径进行数值模拟,图4所示是不同硬化指数下内高压成形空心双拐曲轴的模拟结果,可以看出,成形区的壁厚值与材料的硬化指数密切相关。虽然材料n值不同,但壁厚分布总体规律基本相同,曲拐膨胀区中央最薄。沿环向曲拐两侧壁厚逐渐增加,至曲拐低端壁厚达到最厚。(a)n=0.382实验方案图2数值模拟模型(b)n=0.30内高压成形是在内压和轴向补料联合作用下的复杂成形过程,影响因素比较多,如材料性能、摩擦、轴向进给、内压等,其中轴向补料与内压的关系称为加载路径,只有给出内压与轴向补料的合理匹配关系,才能获得合格的零件。在实际成形过程中,由于加载路径选取不当,常出现起皱和破裂等缺陷,加载路径影响零件截面的形状、厚度分布和最终的成形尺寸。本文模拟采用的加载路径如图3所示,初始补料压力为75MPa,补料量为40mm,补料结束压力为80MPa,整形压力为130MPa。在模拟中分别选取不同的n值和r值进行计算。(c)n=0.23图4不同硬化指数的模拟结果随着n值的不同,成形区的宽度和减薄率不同。20钢的硬化指数为0123,曲拐膨胀区中心处壁厚最薄为2139mm,宽度为36101mm,减薄率为2013%。某中碳钢的硬化指数为0130,曲拐膨胀区中心处壁厚最薄为2152mm,宽度为26112mm,减薄率为16%。不锈钢的硬化指数为0.38,曲拐膨胀区中心处壁厚最薄为2165mm,宽度为17122mm,减薄率为1116%,主要数据见表1。表1不同硬化指数的壁厚分布最小壁厚n值(mm)最薄区宽度(mm)最大减薄率(%)壁厚差(mm)0.232.393620.31.110.302.522616.00.98图3加载路径0.382.651711.60.85·49·中国机械工程第17卷增刊2006年10月从模拟结果来看,硬化指数小的材料,曲拐膨胀区中心处的壁厚较薄,宽度大,壁厚差大。而硬化指数大的材料,膨胀区中心处的壁厚较大,宽度小,壁厚差小。随着n值的增大,曲拐膨胀区中央最薄处的壁厚值增加,宽度变小,壁厚差变小,而最厚区的壁厚变化不大。当环向应变比n值稍大时,成形区的壁厚就会迅速减小。所以硬化指数高,材料的硬化能力强,较小的环向应变就能引起较大的应变硬化,而硬化指数低,材料的硬化能力低,较大环向的应变才能起到和高硬化指数材料相同的效果。3517%,壁厚差为1173;r值为110时,中心处壁厚最薄为2165mm,减薄率为1116%,壁厚差为0185;r值为116时,中心处壁厚最薄为2171mm,减薄率为916%,壁厚差为0182。可见,随着r值的增加,对成形区壁厚分布有一定影响,壁厚差呈减小的趋势。当r值由017增加到110时,减薄率降低24%,对壁厚分布影响较大,当r值由110增加到116时,减薄率仅降低2%,对壁厚分布的影响不大。可见,对于管件内高压成形而言,r值越大,管料在胀形处不易变薄,可减少破裂的可能性。4r值对成形的影响表2不同r值对壁厚分布的影响r值是材料宽度方向的应变与厚度方向的应最小壁厚r值(mm)最厚壁厚(mm)最大减薄率(%)壁厚差(mm)变之比,称作厚向异性指数,它反映了材料在宽度方向和厚度方向上由于各向异性而引起的应变能力不一致的情况,r值越大,表示材料越不易在厚度方向产生变形,即不易变薄也不易变厚。针对不同r值的模拟模型采用图3的加载路径进行数值模拟,图5所示是不同厚向异性指数下内高压成形空心双拐曲轴的模拟结果,可以看出,成形区的壁厚值与材料的厚向异性指数有一定的关系。随着r值的不同,成形区的最薄壁厚和减薄率不同。与n值不同,曲拐成形区的壁厚与r值的增加不是线性的关系。(a)r=0.7(b)r=1.0(c)r=1.6图5不同厚向异性指数的模拟结果表2为模拟后的结果,r值为017时,曲拐膨0.71.933.6635.71.731.02.653.5011.60.851.62.713.539.60.825结论(1)成形区的壁厚分布与材料的硬化指数n值密切相关。n值小的材料,曲轴成形区的壁厚较薄,曲拐中心最薄处宽度大,壁厚差较大。随着n值的增加,壁厚分布越均匀,曲拐成形区的壁厚增加,曲拐中心最薄处宽度变小,壁厚差变小。(2)材料的厚向异性指数r值对成形区的壁厚分布有一定的影响。随着r值的不同,成形区的最薄壁厚和减薄率也不同。r值越大,管料在胀形处不易变薄,可减小破裂的可能性。r值小于1.6时,对成形区壁厚分布影响较大,当r值大于116时,对成形区壁厚分布的影响不大。所以r值越大,管料在胀形处越不易变薄,可减小破裂的可能性。参考文献:[1]DohmanF,HartlC.TubeHydroforming:Re2searchandPracticalApplication[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,1997,71(2):1742186.[2]苑世剑,王小松.内高压成形机理研究及其应用[J].机械工程学报,2002,38(增刊):12215.(编辑苏卫国)作者简介:林俊峰,男,1972年生。哈尔滨工业大学材料科学与工程学院讲师。主要研究方向为管件内高压成形技术、塑性成形有限元模拟。发表论文20余篇。苑世剑,男,1963年生。哈尔滨工业大学材料科学与工程学院教授、博士研究生导师。胀区中心处壁厚最薄为1193mm,减薄率为韩笑峰,男,1970年生。哈尔滨学院数学与计算机学院讲师。·50·