汽车排气管法兰成形数值模拟与工艺改进

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摘 要：应用有限元DEFORM商业软件，对环件建立轧制过程三维动态仿真模型，对截面为法兰型的环形轧制成形过程进行数值仿真。实验结果显示不同的轧制参数和划分网格，可以缩短软件计算时间，这一过程的模拟准确地展现了汽车法兰轧制成形过程，针对传统成形过程提供了一个新的关于毛坯结构设计和加工工艺的研究途径。

关键词：DEFORM；环形轧制；数值仿真；轧制工艺

环形件辊轧简称环轧，又称环形件扩孔，是在专用辊轧机上将环形毛坯壁厚减薄、使内外径同时增大的一种压力加工工艺。环轧工艺具有加工质量好、生产效率高、生产成本低、材料利用率高等优点，广泛应用于矩形和法兰型等截面的轴承环、齿轮环、法兰环等的生产。环轧的工作原理为：主轧辊是驱动辊，以角速度w沿圆周方向连续旋转，芯辊是加压辊，按规定的速度V向主轧辊方向不断进给，并在与环坯接触面摩擦力的带动下旋转，主轧辊和芯辊之间的环坯在厚度方向受压力并在圆周方向延伸使壁厚减薄、内外直径同时扩大，导向辊通过向坯料施加弯曲力来确保环件的圆度，起定心作用，端面轧辊在轧制过程中限制坯料沿高度方向展宽。利用计算机模拟环件轧制成形过程，优化环扎工艺，在实际生产中具有重要意义。

近年来，以有限元数值模拟为基础对环件轧制过程进行仿真研究得到了许多关注。对于环形轧制存在运动学和力学等复杂研究，文章运用DEFORM软件进行数值模拟，使得计算效率提高。

1 有限元前处理

1.1 环轧仿真模型

根据环扎机实际尺寸建立仿真模型（图1）。

各轧辊在DEFORM中的2D编辑中成型，在模拟的过程中，为了减少计算量，因此假设各个轧辊为刚体，在辗轧过程中不发生任何变形，环件的材料是SUS430不锈钢，采用刚塑性材料本构关系，轧制的温度在500-900℃之间，由于一个环件辗环的时间并不长，大约在1-2min之间，在这段时间内温度变化并不明显，因此可以假设环件在辗环过程中未恒温状态，温度为600℃，具体模具及棒料的几何参数和性能参见表1。

网格划分对于有限元分析的前处理是最重要的工作。对于辗环工艺来说，其变形主要在毛坯的外侧部分，并集中在主辊和芯辊的挤压侧。为了减少计算误差，材料破坏区域的网格越小越好，也越精确，但也有缺陷，如果网格单元数量越多，则在计算过程中网格重划的状态参数传递的时间就越久，因此导致计算机计算的时间变长，并且增加了所需要的存储空间。为了能合理地调整存储空间、计算精度以及计算时间，需要合理划分网格，在变形大的部分，网格尺寸尽量小一些。本实验的毛坯网格形式是六面体网格，3D网格的单元数是137820，节点数是27360。

1.2 环件轧制工艺

（1）主辊与芯辊的进给。主轧辊是驱动辊，以角速度w沿圆周方向连续旋转，芯辊是加压辊，按规定的速度V向主轧辊方向不断进给，并在与环坯接触面摩擦力的带动下旋转，主轧辊与芯辊之间的环坯在厚度方向受压力并在圆周方向延伸使壁厚减薄、内外直径同时扩大，上、下锥辊做自转运动，锥辊之间的距离在开始便设定好，以控制在轧制过程中限制坯料沿高度方向的展宽。

芯辊的进给，并不是匀速进给，因为开始的毛坯变形并不大，芯辊可以采用较快的速度，以加快模拟的速度，随后速度随时间的变化而减小，这是由于随后环件的变形程度越来越大，需要降低进给的速度来保证环件变形的精确，图2是芯辊的速度-时间变曲线图。

（2）锥辊的进给。上下锥辊的自转速度为300（rad/s），高速是为了使环件能更好的在高度方向上变形，使环件能够更好的扩展形态，并最终顺利归圆。

2 结果分析

根据有限元仿真模型，可设置不同的主辊转速、芯辊的移动速度，改变网格划分大小，在保证计算准确和精度要求情况下，在不同因素影响下，对仿真结果分析如下：

2.1 环轧速度的影响

采用分组仿真，设置主辊转速为50rad/s、150ad/s和300ad/s，结果看出，当主辊速度过低时，如图3是主辊转速为50rad/s的模拟，可以发现若主辊转速过低，坯料的上侧容易造成材料的堆积造成畸形。

又如果主辊速度较大，例如为300rad/s，那么单位时间环轧经过的网格比较多，计算模拟的耗时最多，影响计算效率；当主辊的转速为150rad/s的时候，轧制效果相对较好，效率也较高，计算机计算的时间也相对缩短了不少。另外如果轧制的速度过快的话，毛坯容易与主辊进行挤压而向上变形，呈凸起状态，为了避免这种现象的发生，需要调整好主辊和芯辊的速度，芯辊的进给速度不能过快，同样主辊的转速也不宜过快，综上所述按如图4三组当中150rad/s的转速效果最好，效率高。

2.2 划分网格对结果的影响

取上述转速为150rad/s，对网格单元进行划分，分别取个数为50000，130000，200000，因为该零件外表面加工后变形程度较大，因此取得网格数较高，也是为了增加精度，确保模拟的稳定性。当取50000时，网格较粗糙，轧制使得边缘凹凸不平，看起来比较“粗糙”，但计算速度快，有利于粗略分析各辊的转速，并且及时进行调整。取个数为200000时，计算的步长减少了，但计算的时间又增长了许多，因此最佳个数取130000。

2.3 环轧成形结果分析

对于上述最佳环轧速度、网格数量划分，最终以转速150rad/s，网格个数为130000对环件进行数值模拟。通过DEFORM仿真模拟，可以看到毛坯环轧的整个动态过程，并可以看到在整个过程中应力应变，及温度等变化。前期0-30s内，径向变化较慢，各网格流动不明显；30-100s内比较平稳，坯料主要向中心内凹处流动，圆环逐渐变大，100s时各辊基本进给完成，达到预定的尺寸，100-120s之间为归圆阶段，对最后的形状进行整形，在后处理中可观察环轧过程中位移及应力、应变图。

3 结束语

轧制过程的模拟真实的反应了环扎机生产环件的整个成形过程，与实际的环扎相比，模拟计算可以大大的减少成本，并提高效率，减少了实际做实验的时间和精力，只需要通过电脑的运算就可以得到整个环扎的过程，并可以等到应力应变，温度等等不同参数在环扎过程中的变化，但由于个人电脑计算速度有限，需要针对计算的精度、稳定性、计算时间进行合理的分配，并选择出最优的模拟方式以及性能参数。通过对毛坯网格划分的控制，可以调整计算机在仿真时候的计算速度，通过计算机的数值模拟和工艺改进，对于确保环件在实际生产过程中环扎的顺利进行，和环扎效率的提高有着重要的意义。文章是根据计算机的模拟和仿真对汽车法兰的环扎工艺进行研究，并进行工艺的改进，但由于实验条件有限，不能进行实际的法兰环扎生产实验，这也是接下来所需要解决的困难和问题。

参考文献

[1]郭正华，解春雷，李尚健.环件热轧动态过程有限元模拟[J].塑性工程学报，1999，6（2）：62-67.

[2]杨文兵.基于DEFORM环件轧制塑性成形过程数字仿真[J].华中科技大学学报，2006，23（2）.