通过FEM分析找出圆形自由锻造的最优方法.docx
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通过FEM分析找出圆形自由锻造的最优方法
通过FEM分析找出圆形自由锻造的最优方法
S.K.Choi,M.S.Chun,C.J.VanTyne,Y.H.Moon
摘要:
三维刚塑性有限元分析法FEM分析法已经被用来优化圆形制品的自由铸造。
当自由铸造圆形制品时,我们很难在工业环境中通过反复试验的方法获取最佳的工艺参数。
在本课题中,我们用FEM分析法来分析测试的自由铸造,我们应该关注通过设计实验何种进料速率和旋转角能得到最优铸造。
进料速率和旋转角的最优组合取决于制品的纵向方向和圆度上的量化圆径剖面。
通过对实验结果的分析,通过自由铸造法可以使最佳的工艺条件被用来获得圆形制品的最好的尺寸精度。
关键词:
FEM;自由锻造;圆棒料;进给率;旋转角度
1.引言
自由铸造是一种金属成型工艺,是当成型毛坯介于平的和一系列简单的褶皱毛边时使用的一种工艺手法。
工件在碰撞间中旋转着打磨着,特别是大型钢型制品中的小件圆柱形刚性制品,如涡轮机转子、轴承、需求量比较大。
为了尽量减小后续加工量,这些大的组件需要在自由锻造的压力下最终变形几何近似。
为了获得满意的变形,在制造这样的大件产品时候,自由铸造工艺只是初始制造步骤。
自由铸造使制品在反复的挤压和交替乱换中减少了制品横截面积并增加了工件的长度。
此工艺是逐步增加式的完成的;每个阶段只有一小部分的工件被处理变化。
这个工具的变形压力的设置时更具制品的弹性模量和弯曲模量来设定的,相比较于大型的批量型生产工艺模具,此工具是比较小的。
在同一时间里段里,部分工件铸造比完全工件铸造负荷小,这种减小负荷量的方法可以让更多的低功能的机械用于处理某些既定的工件部分。
这是一个渐进的工艺过程,最终目标是通过反复的压缩和铸造形成最终的符合要求的形状。
自由锻造质量取决于几个控制参数;例如,模具宽度、模具构型、模具重叠区及模具交错区、钢锭的形状、温度梯度、设计方案,完成时间等。
在先前,已有大量的自由锻造模具的研究课题。
Kiefer和Shah分析了模具宽度比例和高度减少之间的对使用模具的影响。
基于刚性塑料的规划设计,3D有限元分析法被Park和Kobayashi实现了。
孙等人使用了简化的3D元素来分析了一个3孔的平整棒,是在要点的横坐标中,任何材料的纵向速度是自由的这一假想下完成的。
为了更深一步了解在热处理中的微观结构进展,能够使用一台能够预测流速和微观结构的电脑模型来处理热锻过程也被Evans实现了。
在原先的圆形刚锻分析中,有限元仿真法已经被成功地运用到优化分析铁砧形状和预防刚锻冲击的轧制表。
本文分析,为了优化自由锻造如进给速度和正确轧制规程的旋转角度和尺寸精度,对于特定的模具已经运用了三维刚塑性有限元分析法(FEM)。
方形——>圆形
图1方形棒料锻造成圆棒料的工艺过程
图1显示了方形棒料如何锻造成圆棒料的工艺过程。
轧制规程是从近似方形到八角形再到圆形,每秒减少的比例都不同。
通过给定的高度降低将一个方形锻造成矩形截面,旋转90°然后使用相同的减少率和咬合率再次锻造,从而产生一个新的更小的方形截面。
这个新的方形棒料然后被锻造成一个介于方形和圆形之间的八角形的棒料。
最后,通过对八角形棒料的连续加工就形成了圆棒料。
图2方胚到圆棒料的整体锻造次序
图2显示了从方胚到圆棒料的整体锻造次序。
锻造一个圆形棒料,最重要的步骤是从八角形到圆形的产品质量视角。
因此,在这项研究中,运用了三维刚塑性有限元分析法来优化八角形棒料到圆棒料的锻造。
研究中运用了工业有效的三维有限元序,3D变形。
重点是进给率和转角对最佳锻造过程设计的影响。
纵向的半径分布和棒料的圆度决定了产品的质量。
进给率和旋转角度的各种组合进行了模拟,模拟完成后得到半径分布和圆度。
结果看出,锻造条件的提出为了制造一个具有良好尺寸精度的圆棒料。
2.有限元分析
2.1分析条件
表1显示了分析条件对于研究自由锻造参数对圆形产品质量的影响。
2.2工件和网格系统
通过比较运行结果,工业锻造提供了工件的几何形状和材料性质。
图3显示了八角形棒料的网格形状,计算中运用了收敛判则。
表2显示了工件材料AISI-H13的材料特性。
经过实验得出变形抗力,Km,作为应变功能H13的工件的温度是:
其中ε是有效塑性应变,T是温度。
工件向外界散失的热量可简化为具有更高的对流热传递系数的对流损失占辐射损失的比率。
图3八角形棒料的网格形状
2.3模具配置
图4显示了模拟中使用的圆形成形模的示意图。
在指定的速度下装入凸模和凹模,工件通过模具和工件之间的接触发生形变。
图4模拟中使用的圆形成形模的示意图
3.结果与讨论
3.1减少量的测定
八角形棒料锻造成圆棒料的材料减少量可近似等于:
其中S是八角形内切圆的直径,D0为靶面直径。
图5八角形内切圆横断面形状
图5显示了一个八角形内切圆横断面形状。
要制造一个直径为250mm的圆棒,其减少量由公式
(2)计算得20.6mm。
如果切圆直径大于250毫米,要达到250mm的靶面直径所需的减少量也会变大,这个减少量可由公式
(2)计算得出。
图6圆锻(a)和终锻(b)制造直径为250mm圆棒料的最少减少量
图6(a)显示了运用有限元方法将一个内切圆直径为250mm的八角形棒料做成直径为250mm的圆棒的材料减少量。
当圆形模具完全接触变形的八角形表面时减少量就确定了。
从初始阶段(进给量=0mm)开始,八角形棒料减少11mm,旋转90°然后再减少22mm,旋转90°后再减少17mm,最后,旋转90°后再减少6mm。
此时,八角形棒料轴向移动了150mm而且经过4次90°旋转。
减少量在20.6mm之间的差异可由公式
(2)得出,每次传递时由有限元分析得出不同的减少量,主要是由于自由锻造的递增性质。
在各个阶段中工件只有少部分发生变形。
由于模具的宽度要小于八角形棒料的总长度,之前的伸展量和非均匀变形的减少直接影响之后的工序。
图6(b)显示了运用有限元方法锻造一个直径为250mm的圆形锻件的减少量。
当圆形模具完全接触变形的八角形表面时减少量就确定了。
从初始阶段(进给量=0mm)开始,八角形棒料减少6mm,旋转45°然后再减少10mm,旋转45°后再减少9mm,最后,旋转45°后再减少3mm。
此时,八角形棒料轴向移动了70mm而且经过3次旋转。
类似图6(a)所示的圆锻造,锻造时的减少量受到之前的伸展量和非均匀变形的减少的影响,但是要小于那些圆形锻件。
最佳的减少量应在考虑之前的工序中非均匀变形的影响后决定。
3.2进给率的影响
图7进给率为150mm的圆锻形状
图7显示了八角形棒料锻造成圆棒料的部分形状。
图7所示的是在进给间隙为150mm每次进给旋转90°状态下的变形产品的例子。
冲压机和机械手之间的最佳配合,重要的是要知道被两个平底凹模挤压的棒料不仅宽度伸长,而且长度也伸长了。
机械手的进给或咬合是分析锻造工艺的所有计算中一个重要的因素。
进给速度必须保持在最小公差以确保预先计算的伸展量是正确的。
图8圆锻的(a)纵向剖面半径和(b)半径变化
图8显示了圆形锻造次序的每一步后旋转90°时不同进给率下的半径纵向剖面。
如图所示,当纵向半径随着进给率的增加时,最初锻造区的剖面视图是一样的,与进给率无关。
图8所示的纵向半径变化是量化计算的。
正如图8所示,进给率为120mm和150mm的变化是一样的,当进给率超过180mm时的变化很明显。
因此,为了在高生产率下的高质量锻造,150mm的进给率是可取的。
更全面的表述是,可取的进给率是目标直径的0.6倍。
图9终锻的(a)纵向剖面半径和(b)半径变化
图9(a)显示了圆形锻造次序的每一步后旋转45°时不同进给率下的半径纵向剖面。
纵向半径的变化如图9(b)所示。
从图中可见,半径随着进给率的增加而增加,终锻的变化水平明显低于圆形锻造。
3.3旋转角度的影响
图10和图11都显示了横截面形状的变化是圆棒料锻造过程中的旋转角度的一个功能。
图10和图11也分别给出了旋转角度为90°和120°时的变形形状。
棒料最终的圆度强烈依赖于旋转角度。
旋转角度为90°和120°时的圆度已经确定。
图12显示了旋转角度为90°时的圆度。
如图12所示,原来的八角形外形连续加工为圆形。
为了探讨旋转角度对圆形棒料的圆度的影响,图13中旋转角度为90°和120°时半径的变化进行了比较。
图10旋转角90°的变形形状图11旋转角120°的变形形状
图12旋转角度为90°时的圆度图13圆锻时不同旋转角度的半径变化
在图13中,90°旋转角的圆度要优于120°的。
旋转角120°的圆度要差些是由于如图11所示的非均匀变形。
因此,在圆形锻造序列中旋转角度为90°是最可取的。
旋转角45°、90°、120°的圆度已经确定了。
图14为45°旋转角时的圆度。
为了探讨旋转角度对圆形棒料的圆度的影响,图13中旋转角度为45°、90°和
120°时半径的变化进行了比较。
图1445°旋转角时的圆度图15终锻时不同旋转角度的半径变化
图15显示了锻造过程中旋转角度分别为45°、90°和120°时半径的变化。
旋转角为90°时在第五道工序之后的半径变化要高于45°、120°的,是因为在连续加工时径向凸起的地方可以有效的被去掉。
对于45°和120°旋转角,其半径没有明显的变化在第四道工序之后。
这些结果表明经过四道工序足以锻造出圆棒料,即使是使用45°和120°旋转角。
FEM研究结果表明计算机化工艺控制程序的逻辑控制已经在圆棒料锻造生产车间里实施了。
自从研究结果实施以来,高质量的圆棒料的生产率已经增加。
生产率和质量的提高说明研究结果的工业重要性,也间接地验证了FEM研究的结果。
计算机控制程序中的应用逻辑控制流程图如图16所示。
图16逻辑控制流程图
4.结论
三维刚塑性有限元分析法用于模拟和优化制造圆形棒料的自由锻造工艺。
这项研究的重要发现归纳如下:
(1)最佳的减少量应在考虑之前的工序中非均匀变形的影响后决定。
(2)纵向半径随着进给率的增加而增加,最佳的进给率是目标直径的0.6倍,最佳进给率使产品的生产率和质量达到平衡。
(3)90°旋转角的均匀变形为圆棒料锻造工艺提供了很好的圆度。
(4)在锻造工序中,四道工序使用45°和120°旋转角可以生产出最少工序下足够圆度的棒料。
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