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彎頭知識

三通管接頭多向模鍛成形有限元建模

作者:孟村弯头 时间:2019-07-19 09:27
1、幾何模型
      根据多向模锻基本原理和三通管接頭的热锻件尺寸,运用Pro/E三维建模软件,建立用于有限元模拟的几何模型,包括可分凹模、垂直冲头、水平冲头和坯料,如图3-2。垂直冲头和水平冲头的形状根据热锻件的内孔型腔尺寸确定。可分凹模分为两个半模,根据热锻件的外轮廓尺寸确定其模腔尺寸,并根据锻件的几何形状选其几何对称面作为分模面。根据三通管接頭的形狀特點,選用圓柱形坯料。此外,爲避免在Deform-3D模擬軟件中進行繁瑣的裝配工作,將上述所建的幾何模型在Pro/E軟件中進行合理的裝配。由于在有限元模擬過程中不考慮可分凹模的合模過程,故將可分凹模裝配爲合模狀態。根據文獻的研究結論,將圓柱坯料按平行于水平沖頭的方向放入可分凹模型腔。裝配完成後,通過Pro/E三維建模軟件的導出功能,將各組建導出爲STL文件,再將STL文件導入Deform-3D有限元模擬軟件,從而完成在有限元模擬軟件中的幾何模型的建立工作。
等径三通管接頭多向模锻有限元模型
2、網格劃分
      本文采用刚塑性有限元法研究三通管接頭多向模锻成形工艺。为保证有限元模拟结果的准确性,节约有限元运算时间,需选择合理的网格划分方式和网格重画分技术。本文中将坯料设置为塑性体,采用绝对网格划分方式和四面体网格类型,对坯料进行网格划分,初始网格总数为43444(最小网格尺寸0.8mm,尺寸比4)。同时采用整体重划分网格技术,防止因网格畸变严重而导致运算不收敛。此外,不考虑模具在成形过程中的弹性变形,将模具设为刚体。但为了实现坯料与模具间温度场的合理计算,对冲头与可分凹模进行网格划分。文中采用相对网格划分方式和四面体网格类型进行网格划分,网格数分别为:垂直冲头-30000,水平冲头-30000,可分凹模-40000。
3、材料模型
      本课题所研究的三通管接頭的材料为AISI-1025钢,其材料参数从Deform-3D软件的材料库中导入。由于采用热锻工艺成形三通管接頭,故需将坯料加热到可锻温度内,同时为有效减小成形力,故需将坯料的加热到可锻温度的高温区,其始锻温度为1150℃。由于模具在使用前需要进行良好的预热,从而保证模具的使用性能和使用寿命,故在有限元模型中将模具初始温度设为300℃。
4、邊界條件
      为建立准确的三通管接頭多向模锻成形的有限元热力耦合模型,需定义合理的摩擦条件和热交换条件。由于三通管接頭多向模锻成形过程为大塑性金属成形过程,因此其摩擦条件选用大塑性变形常用的剪切摩擦,其表达式为公式(2-2)。此外,坯料与模具的存在热传导,坯料与周围环境之间也存在热传导,以及坯料本身因塑性变形而产生功热转换,因此需在有限元模型中设置相应的参数。该有限元模型的基本的模拟参数如表3-1所示。
有限元模型的基本的模拟参数
5、沖頭運動路徑方案
       根据三通管接頭的鍛件形狀及模具結構,制定了三種沖頭運動路徑的工藝方案:三向同步運動路徑,三向異步運動路徑,雙向同步運動路徑。三種工藝方案的沖頭運動過程分別爲:
       三向同步运动路径:垂直冲头沿纵向方向(z轴),两个水平冲头沿着横向方向(x轴)同时同速运动,并同时到达最终冲头位置,其加载速度为30mm/s。
       三向异步运动路径:第一阶段为水平冲头1和水平冲头2沿横向方向(x轴)同时同速对坯料进行挤压,达到最终冲头位置后停止运动,加载速度为30mm/s,此过程中垂直冲头不对坯料施加载荷;第二阶段为水平冲头1和水平冲头2固定不动,垂直冲头沿纵向方向(z轴)对坯料进行挤压并到达最终位置,加载速度为30mm/s。
       双向同步运动路径:由于上文所设计的模具结构、坯料尺寸和坯料的摆放方式,使得垂直冲头能够通过空载运动先到达最终位置,因此整个成形过程中垂直冲头位置固定,成形过程仅为侧向冲头1和侧向冲头2沿着坯料轴线方向(x轴)同速加载,加载速度为30mm/s。