基于deform-3d的异形截面机匣环件冷胀形工艺分析与优化

基于deform-3d的异形截面机匣环件冷胀形工艺分析与优化

2219铝合金是al-cu族。它是一种可加热的变形铝。由于其强度高、耐腐蚀性好、焊接性好、可靠性高等，在航空航天领域的飞机结构零件中得到了广泛应用。根据环件的形状和尺寸设计胀形模具，并制定胀形工艺参数，利用Deform有限元数值模拟的方法来探究环件在胀形过程中的变形规律，并在此基础上优化环件胀形工艺。有利于在实际生产中指导胀形工艺，避免产生局部应变过大的现象，从而获得组织性能优异的环件。1环件膨胀工艺和变形特点1.1接触环件冷胀形模拟环件胀形工艺如图1a所示，通过对锥杆施加竖直向下的力，使锥杆以一定的速度向下运动，带动分瓣模向周向运动，从而使环件直径变大、壁厚减小，达到使环件胀形的目的。研究环件在胀形过程中的变形规律及应力状态有利于指导生产实践、获得性能优良的环件。根据对称原理，取1/12的环件和一个瓣模进行模拟，研究环件胀形的变形规律以及环件变形过程中的应力状态。在本模拟中，采用库伦摩擦类型，摩擦系数取0.1。材料模型选择2024铝合金模型，进给方式为瓣模沿着半径方向以恒定的速度5mm·s模拟时在如图1b所示的A-A截面和B-B截面的中心部位各选择3个点，进行应力分析，图2为两个截面上所选点的分布图。确定环件冷胀形时各点的应力状态，为后续的工艺优化做理论准备。提取A～F这6个点在变形过程中的等效应变，其中，A-A截面上A、B和C点的等效应变如图3所示，而B-B截面上D、E和F点的等效应变接近0，因此，A-A截面上3个点的等效应变要远远大于B-B截面上3个点的等效应变，在两个截面上的变形极不均匀。对选取的6个点进行应力分析，确定各个点的应力状态及大小，如图4所示，其中σ由图4分析得出:在与瓣模边界接触的A-A截面上的3个点的最大主应力σ1.2环件与瓣模接触弧长变化的特征在胀形过程中，瓣模沿着半径方向运动，使环件的半径增大，在胀形过程中与瓣模接触部分的弧长也增加，其胀形过程如图6所示。引入r表示瓣模半径，n表示瓣模个数，θ表示瓣模角度，v表示瓣模沿半径方向移动的速度，x表示瓣模在t时刻移动的行程。从而，在胀形开始t=0时刻，环件与瓣模接触的弧长L为:当瓣模向半径方向运动时，环件与瓣模接触部分的弧长增加，即增加后的弧长L式中:ΔL为环件在t时刻增加的弧长。故可推导出t时刻与瓣模接触的环件的角度α，此即为环件胀形过程中t时刻的变形程度:由式(3)可得出结论，当环件尺寸一定时，环件胀形时的变形程度与环件和瓣模的接触弧长有关，即与瓣模的个数有关，瓣模个数越多，与瓣模接触部分的环件的变形程度越小、环件变形越均匀。2瓣模中心位置环件的应变在实际的环件胀形中，环件各部分应变的不均匀性将导致环件性能的不均匀性，从而影响到环件的性能和寿命。因此，优化胀形工艺，使环件各部分的应变均匀是提高环件性能的重要途径之一。由图5可知，胀形过程中环件存在一个变形范围，超过这个变形范围的环件将无法产生应变。在本案例中要求环件的变形量控制在3%以内，环件各部分的应变应控制在0.03～0.05范围内。由上述的结论可知，在瓣模的边缘位置的环件产生的应变较大，而在瓣模中心位置的环件的应变几乎为0。并结合式(3)，可对环件胀形工艺做如下优化:在瓣模无偏转时，对环件进行变形量较小的预变形，将瓣模顺时针偏转15°，使瓣模边缘作用在1/12环件的中心并进行一定量的变形，然后将瓣模按照顺时针偏转7.5°并进行一定量的变形，然后再将瓣模按照逆时针偏转15°并进行一定变形量的变形，然后再将瓣模逆时针偏转3°并进行一定量的变形，最后将瓣模顺时针偏转19.5°进行一定变形量的变形。按照上述步骤依次进行变形，使环件达到较为均匀的变形，从而使各部分的应变量达到0.03～0.05。具体工艺步骤的示意图如图7所示。在本案例中，利用Deform-3D对优化方案进行模拟，其摩擦类型及摩擦系数设置、瓣模进给速度等参数设置均与上述一致，瓣模沿着半径方向以恒定速度进给。并合理设置每一个工艺步骤的进给量，以确保环件变形后各部分的应变均匀。表2给出了本案例中每个工艺步骤的瓣模的进给量。根据图8所示的模拟结果，环件各个部分的应变量相比原方案有了很大的提升。从图8的等效应变云图可以看出，等效应变基本均小于0.0365，说明优化方案对于提升环件各个部分应变的均匀性是有效的。3优化方案前后应变均匀性由原有方案环件各部分的应变分布和优化方案环件各部分的应变分布进行对比。原有方案的环件的应变均集中在每个瓣模接触的边缘外截面，而在其与瓣模中心接触的内截面上的应变基本为0;而优化方案环件各部分的应变均控制在0.03～0.05范围内，相比原有方案的环件，工艺优化后的环件各部分的应变在环件整个部分都均匀分布，应变的均匀性有了很大的提升。将优化后的胀形工艺进行工艺试验，图9为胀形试验的模具装配效果，环件胀形过程中按照上述优化工艺方案每进给一定量对环件进行一定角度的转动，分6次转动角度成形，使得环件的应变达到均匀化。图10为胀形试验后的环件，其胀形后环件各部位的形状一致，在圆周方向圆度分布均匀，验证了胀形方案的可靠性。4胀形优化措施(1)原有胀形方案的环件中心部位的应力无法产生塑性应变，环件变形极不均匀。(2)经分析，环件胀形的变形特点为环件胀形时变形主要集中在两个瓣模的间隙处，而远离两个瓣模间隙的环件基本没有应变产生，导致胀形后环