以圆柱体摆辗为例解释摆辗成形中的蘑菇效应

Journal of Materials Processing Technology 151 (2004) 178182以圆柱体摆辗为例解释摆辗成形中的蘑菇效应G. Liu , S.J. Yuan, Z.R. Wang, D.C. ZhouSchool of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, P.O. Box 435, Harbin 150001, PR China摘要摆辗是一个渐变的锻造过程,可从圆柱形坯料形成各种回转体零件。然而,在某些情况下,圆柱坯在摆辗中容易形成蘑菇形,而不是镦锻为一个鼓形。三维刚塑性有限元法被用于模拟摆辗过程以揭示蘑菇形状工件的变形机制。它能显示整个过程中工件不同时间不同位置的应力、应变速率和应变分布，还能详细的分析出变形区的变形模式。关于为什么 H0 /D = 0.51 .0 (初始高径比)会形成蘑菇形状的结论是：这些不均匀变形产生的原因是工件在偏心载荷的影响下在不同高度沿切线方向的变形度不同。然而,这种效应却可以用来制造圆柱法兰的一部分,而不是视为一个缺陷。 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.关键词:有限元法;旋转锻造;蘑菇效应;不均匀变形1. 简介摆辗的突出优势是降低成形载荷,因为随着进给坯料只有一部分在和摆头成形 1, 尤其是各种由圆柱形坯料成形的轴对称零件 2. 然而,众所周知,在摆辗的过程中有严重的不均匀变形3 5 . 在摆辗一个 H0 /D = 0.51 .0 (初始高径比)的圆柱体的过程中，工件很容易产生蘑菇形状，如图 1 所示。这种现象被称为“蘑菇效应”6，并明显不同于两个平整模具间的圆柱镦锻，尽管工件也有平整的顶部表面和底部表面。类似工件的镦锻，因为摩擦力的影响，上表面和下表面的变形(图 2)通常会比中间位置(区 II 和 III)更难，所以最后看起来像一个中间部分直径较大的鼓。了解了有趣的变形特性和机理，那么变形模拟过程由有限元模拟分析软件 DEFORM-3D 完成。根据应力和应变率的结果,分析并绘制旋转锻造的变形模式。2. 圆柱体旋转锻造的有限元模型圆柱体摆辗的有限元模型如图 3 所示，模具被假定为刚体，工件假定为刚塑性不可压缩材料，无温度的影响。模拟材料的力学性能已经通过材料库被定义。采用恒定的剪切摩擦系数模型，模拟摩擦系数为 0.3。摆头的 3摆角的运动可以被描述为摆头绕机轴的公转和摆头绕模轴的自转两种转动的合成运动，这和被用于实验的实际摆辗机械的运动一致。下模有沿着机轴向上的平移运动()。摆头围绕机械轴转动的角速度()为 31.21 rad / s，进给速度为 0.65 毫米每转。工件的尺寸是 60 毫米40 毫米(H0/D = 0.67)，所以每转相对进给速度为 S/H0 = 0.0163。在这个实验中，工件的最终形状是一个蘑菇形状，如图 1 所示。图 1. 工件摆辗形成的蘑菇形 图 4. 模拟结果产生的蘑菇形图 2. 镦锻形成的鼓形: (I) 金属不变形; (II) 金属轻微变形; (III) 金属严重变形 图 5. 变形区子午面的位置: (AB) 退出摆辗接触位置；(CD) 摆辗接触位置中部; (EF)进入摆辗接触位置.图 3.圆柱坯料摆辗的有限元模型.3. 蘑菇效应形成机理的分析3.1. 仿真结果在摆头摆辗 15 圈后，轴向压缩率是 25%，工件的有限元模型形成蘑菇形状，顶部部分较大，底部较小，如图 4 所示，采用相同的初始条件得到的结果和图 1 类似。在模拟过程中，摆辗的应力和应变率是可以计算的，并且可以用来分析整个过程的形成机理。分析工件的变形模式，图 5 所示的 3 个典型的变形部分被视为分析对象。阴影区域是摆头和工件之间的接触区域。切线()方向,径向()方向和轴向方向(z)( 请参见图 6(a)这三个方向被假定应力和应变率的主要方向。因此,任何点在沿着这些主要方向上三个压力在数值上存在 1 2 3，而应变速率顺序是1 2 3。因为摆头顺时针方向旋转运动(代表运动的角速度),直线 AB 代表接触区域的出口位置,直线 CD 代表中间部分,直线 EF 代表进口位置。当摆头的转数为 4 的时候，根据压力和应变率的顺序，这三个变形区 图 6. 接触区域三个部分的应力和应变率:(a)AB 部分; 域的变形情况的分布可以在图 6 中表(b)CD 部分;(c)EF 部分。 达出来。另一方面,在工件顶部表面的变形区可分为四个区域,如图 7(a)所示,底部表面的变形区可分为两个区域如图 7(b)所示。3.2.塑性变形区变形情况的分析从图 6 可以看出,工件的变形区域看起来像一个蘑菇,在工件的下部还有一个锥形的固定区域。从图 6(a)可以看出，在直线 AB 退出变形的区域，区域 I 和 II 是承受 3d 压应力的主要变形区(即.轴向、径向和切向方向 ),但是不同区域的压力大小不用。在区域 I，径向应力的绝对值大于切向应力,他们都是非常小的,因为这部分位于退出接触区域。在区域 II 切向应力的绝对值高于径向压力。应变率和压力有着一致的变化，并且材料变形区沿轴向方向缩短,但沿着径向和切向方向拉长。在退出接触区域，区域 I 和 II 的应变率比其他部分更小,所以他们对变形结果不发挥主要作用。在接触区域的中间部分(CD)的变形是最严重的。在区域 I 和 II(图 6(b)材料受到 3d 压应力的影响。因为切向压应力的绝对值大于径向应力，所以区域 I 的主要变形是径向伸长 ,区域 II 则正好相反。异乎寻常的是,切向拉应力出现在区域 III,因为材料的切向伸长在区域 II。在入口部分(EF),区域 I 也是一个 3 d 压应力区,但主要的变形情况是切线方向的伸长。在区域II，材料受到沿着径向和切向两个方向的拉伸应力。在 CD 和 EF 部分，从上到下,应力和应变率的绝对值明显减小，底部的最大值约是顶部的10%。在接触区域的变形，可以看出工件的主要变形区域在顶端，主要变形模式是切向伸长。根据图 7(a),工件顶部表面的变形模式可以划成四个部分。可以看出,在顶面的应力-应变率的状态是非常复杂的。在区域 I，施加沿径向和切向方向的拉伸应力以及产生的主要变形是切向伸长。在区域 II 和区域 III，区域 II 在 3 d 压应力下的主要变形是径向伸长,而在区域III，主要变形是切向伸长。在区域 IV 的边缘，材料受到比其他三个区域绝对值较低的切向方向的拉应力和径向方向的压应力。从图 7(b)可以看出，底部表面的变形情况比顶部表面的简单。此外,工件底部表面的塑性变形区和应变率的绝对值都比顶部表面更小。在整个塑性区域，三个主应力都是压应力。区域 I，径向的伸长大于切向方向,而相比之下,区域 II 的切向应变率略大于径向应变率。3.3. 分析典型位置的应变变化在截面上提取六个典型的点的切向和径向压力来定量地描述变形过程和结果。六个点的位置如图 8 所示。从图 9 所示的径向应变 的变化过程可以看出点 1 的 远远高于其他点，点 5 的 有 图 7. 工件顶部和底部表面的应力和应变率变化：较低的值。其他点的值 几乎相同,并 (a) 顶部表面; (b) 底部表面。且增加缓慢。因此，顶部表面中心金属严重的径向伸长是产生蘑菇效应的原因之一。从图 10 所示的切向应变 的变化过程可以看出点 1 和点 2 的 远比其他点大，并且点 5 和点 6是最低的。从顶部到底部， 的值逐渐减小，因此顶部的切向应变大于底部：更加严重的切向伸长在工件形成蘑菇形的过程中发挥重要作用。图 8. 工件变形截面的典型点. 图 11. 摆头 23 转后对称截面的切向应变一般来说,因为部分载荷通过摆头的圆锥面沿着旋转方向被施加在工件顶部，所以在顶部表面的接触区域更容易产生塑性变形，但是底部的材料就不是那么容易产生塑性变形了。从顶部到底部，受到压力的材料区域逐渐增加以致于个方向应力的绝对值减小，然后从顶部到底部的主要塑性变形区域减小。在接触区域的中部，径向伸长是首要的主应变，然而，在大多数塑性变形区域，因为摆头锥形面的辗压效应使得切向伸长扮演主要角色。最后，经过摆头 23 圈的摆辗后，上表面的直径比下表面的更大，以致于工件的形状看起来像一个蘑菇，然后在顶部表面的切向应变远远大于在底部(见图 11)。在某种意义上,变形不均匀是一种缺陷,然而,这一现象也可以用来制造圆柱法兰7,8。因此，在摆辗中的蘑菇效应应该被视为摆辗工艺的一个特殊的优势。图 9. 典型点的径向应变. 图. 10. 典型点的切向应变4. 总结当 H / D 的比值的范围为 0.5 到 1.0 时，在工件上很容易形成蘑菇效应。因为部分载荷通过摆头施加在工件上，底部的接触面积远远大于顶部，这样，底部的材料就更不容易变形。从顶部到底部，受到压力的材料面积逐渐增加以致于不同方向的应力绝对值减小，然后从订不到底部的主要塑性变形区域减小，特别是工件底端有一个不变形区域。在大部分塑性变形区域，因为摆头锥形面的辗压效果使得主要变形是切向伸长：上表面的切向应变远远高于底部是导致工件产生蘑菇效应的主要原因。参考文献1 P.M. Standring, C. Tintelecan, Incremental forging, in: Proceedings of the Ninth International Cold Forging Congress, Solihull, UK, 1995, pp. 275281.2 P.M. Standring, Academic/industrial collaboration in rotary forging, in: Proceedings of the Fourth ICTP, Beijing, 1993, pp. 13791386.3 G. Liu, S.J. Yuan, Z.R. Wang, FEA on non-uniformity of rotary forging of a cylinder, J. Harbin Inst. Technol. 32 (4) (2000) 114116.4 M. Nakamura, K. Kudo, Y. Hirai, A study of inhomogeneous defor-mation in rotary metal working processes, J. JSTP 24 (270) (1983) 730736.