CuNi90_10铜合金高...精辗成形数值模拟与试验研究_郑丛芳.pdf

第 48 卷 第 3 期Vol.48 No.3FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 3 月Mar.2023CuNi90/10 铜合金高颈法兰精辗成形数值模拟与试验研究郑丛芳,杨青云,周铁柱,马俊普,郁 炎(中国船舶集团有限公司第七二五研究所,河南 洛阳 471023)摘要:高颈法兰的颈部高度和底盘外径大,采用锻造后机加工的方法制作生产效率较低。为提高生产效率,通过对现有辗环工艺进行分析,借助有限元软件建立了高颈法兰精辗模型,并对典型规格的外径 159 mm 的高颈法兰轧制成形过程进行了仿真分析,研究了驱动辊转速、芯辊进给速度、毛坯形式对高颈法兰轧制成形过程的影响。结果表明:增加驱动辊转速与芯辊进给速度可以减少轧制缺陷,同时采用锥形内孔可以避免内孔产生蝶型缺陷。最终确定了法兰内孔形式为锥形内孔、驱动辊转速=5 rads-1、芯辊径向进给速度 V=3 mms-1。最后设计配套模具进行试验验证,完成了典型规格高颈法兰的产品试制,验证了高颈法兰碾环成形工艺的可行性。关键词:铜合金;高颈法兰;辗环成形;驱动辊转速;进给速度;锥形内孔DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.03.018中图分类号:TG146.1 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)03-0132-07Numerical simulation and test study on precision rolling of CuNi90/10 copper alloy for high neck flangeZheng Congfang,Yang Qingyun,Zhou Tiezhu,Ma Junpu,Yu Yan(Luoyang Ship Material Research Institute,Luoyang 471023,China)Abstract:The neck height and the outer diameter of chassis for high neck flange are large,and the production efficiency is low by the method of machining after forging.Therefore,in order to improve the production efficiency,through the analysis on the existing ring rolling process,the precision rolling model of the high neck flange was established by finite element software,and the rolling process of the high neck flange with an typical specification of the outer diameter of 159 mm was simulated and analyzed.Then,the influences of rotation speed of drive roller,feed-ing speed of core roller and blank forms on the rolling process of the high neck flange were investigated.The results show that increasing the ro-tation speed of drive roller and the feeding speed of core roller can decrease rolling defects,and the use of tapered inner hole can avoid butterfly defects in the inner hole.Finally,the inner hole form of flange is determined as a tapered inner hole,and the rotation speed of drive roller=5 rads-1 and the feeding speed of core roller V=3 mms-1.Furthermore,a supporting die is designed for test verification,and the trial pro-duction of the high neck flange with typical specification is completed to verify the feasibility of the high neck flange rolling process.Key words:copper alloy;high neck flange;ring rolling;rotation speed of drive roller;feeding speed;tapered inner hole收稿日期:2022-05-05;修订日期:2022-08-11基金项目:国家重点研发计划项目(2021YFB3700700)作者简介:郑丛芳(1984-),女,硕士,工程师E-mail:lindy-fangfang CuNi90/10 白铜管材及管附件具有优良的耐腐蚀性能、抗海生物污损及其他综合性能,是替代紫铜、不锈钢等应用于海水环境的理想材料,在国内外造船业和海洋工程业中被大量采用1-4。高颈法兰又称对焊法兰,是管道工程常用的附件之一,如图 1 所示,为整体式法兰,其颈部的存在大大提高了法兰自身的刚性,适用于压力和温度波动大或高温、高压及低温的管道5。高颈法兰的传统生产工艺主要有铸造和锻造两图 1 高颈法兰结构图Fig.1 Structure diagram of high neck flange种方式:铸造法兰组织疏松,容易产生气孔、夹杂、裂纹等缺陷,难以保证法兰成品的力学性能;锻造法兰组织致密,力学性能优良,但其所需压机吨位高,占用人员多,模具损耗率高,且毛坯形状不规则,模腔成形容易产生折叠、裂纹、黑皮等缺陷,为了保证法兰成品质量,需要增大加工余量,故而材料利用率低下(50%65%)。辗环(又称轧环、环件辗扩或扩孔),是一种环保、节材、高效的塑性加工技术6。利用辗环机使坯料产生连续的局部塑性变形,迫使坯料的壁厚减薄、直径扩大,通常用于无缝环形机械零件成形,辗制工艺的金属晶粒排列致密,生产效率高,设备能耗小,毛坯形状规则,表面质量好,材料利用率高。高颈法兰属于典型的异形截面环件,开展高颈法兰的一次精密辗制成形研究,能够显著降低材料成本、提升产品质量,具有理论意义和工程应用价值7-8。1 高颈法兰辗环工艺流程金属塑性变形遵循体积不变定律,变形时金属沿最小阻力方向流动,辗制过程中法兰坯料以内、外径增大为主变形,高度方向变形很小。因此,只要提供合适的初始坯,且辗环工艺合理,就能够实现高颈法兰的精密辗制成形。高颈法兰碾环采用直径为 145 或 245 mm 的实心铸锭作为原材料,生产的基本工艺流程如图 2 所示。图 2 法兰精密辗制工艺流程Fig.2 Flow of precision rolling process for flange高颈法兰辗制过程主要包含 3 个步骤。(1)制坯。制坯的作用是便于扩孔时金属更好地充满型腔,可有效减少金属回流、折叠等缺陷,保证了产品质量。从外形上将高颈法兰分为底盘和颈盘两部分,按照金属塑性变形体积不变的原则,保留加工余量,对底盘和颈盘的体积进行分配,确定了初始坯的尺寸,制坯采取电液锤胎模成形方式,根据初始坯尺寸设计相应的锻模工装,胎模制坯相当于进行一次模锻,有助于细化组织、提高性能,冲孔在锻模内完成,不仅能保证初始坯的外形尺寸,还能进一步压缩晶粒。(2)冲孔。冲孔是将实心锻件转变为环形锻件的重要步骤,将坯料加热至一定温度后利用实心冲头冲出圆孔。(3)扩孔。扩孔是在芯辊直线运动和驱动辊旋转运动的作用下,使坯料在封闭模腔内产生连续塑性变形的过程。直径不断扩大,当坯料与控制轮产生接触后表明已到达指定外径,辗环行为终止。扩孔辗环的具体原理如图 3 所示,其中,u 为辗压辊作为驱动辊的主动旋转运动转速箭头端运动方向。图 3 辗环原理图1.辗压辊 2.芯辊 3.导向轮 4.工件 5.控制轮Fig.3 Principle diagram of ring rolling辗扩比 K 为辗扩前毛坯的壁厚与辗扩后锻件的壁厚之比,即:K=Dm-dmDn-dn(1)式中:Dm为毛坯外径,mm;dm为毛坯内径,mm;Dn为锻件外径,mm;dn为锻件内径,mm。辗扩比直接影响锻件的尺寸、成形质量、生产效率等指标,选择合适的辗扩比主要依据辗环机尺寸、制坯方式、辗扩温度、芯辊强度等因素,本文采用轴向数控辗环机,故选择 K 为 1.251.309。2 有限元模型的建立随着计算机技术的发展和有限元数值模拟的广泛应用,采用有限元数值模拟方法研究高颈法兰的辗制过程,优化坯料形状,制定辗制工艺,对于保证辗制过程的平稳顺利、确保成形质量具有重要意义。2.1 几何模型的建立本文选用 EEMUA2342016 10中规格外径为159 mm、壁厚为3.5 mm、压力等级为2.0 MPa 的高颈法兰作为研究对象,基于有限元软件对高颈法兰辗制过程进行数值模拟。CuNi90/10 铜合金是以镍、铁、锰为主要添加元素的一种白铜合金,其化学成分如表 1所示,材料的流变应力本构方程如式(2)所示11。=1.405 1012sinh(0.0135)7.728exp(-305194/RT)(2)式中:为应变速率,s-1;为真应力,MPa;R为摩尔气体常数,取为 8.314 J(molK)-1;T 为热力学温度,K。331第 3 期郑丛芳等:CuNi90/10 铜合金高颈法兰精辗成形数值模拟与试验研究 表 1 CuNi90/10 铜合金的化学成分(%,质量分数)Table 1 Chemical compositions of CuNi90/10 copper alloy(%,mass fraction)NiFeMnPSCZnCu10.0 11.01.5 2.00.5 1.00.020.020.050.2余量 根据式(2)新建了 CuNi90/10 铜合金的材料模型。根据热成形模具结构,在 AutoCAD 中分别绘制坯料和辗压轮的二维图形,导入分析软件旋转生成三维实体,芯轴直接在软件中输入直径和高度生成实体12。设置坯料为塑性体,辗压轮、芯轴为刚体,输入网格控制参数自动生成网格,网格大小设置为 25000,根据成品尺寸定义毛坯的最终外径为290 mm,毛坯网格划分如图 4 所示。图 4 毛坯网格划分示意图Fig.4 Schematic diagram of mesh generation for blank2.2 环件轧制模拟参数设置环件轧制过程中需要确定各工件与坯料的接触匹配关系,驱动辊作为主动轮,带动坯料做旋转运动,坯料带动芯辊做旋转运动。基于以上匹配关系进行环件轧制模拟参数即摩擦因数和接触面的设置。2.3 环件轧制终止条件设定环件轧制模拟过程的终止条件可以通过设置轧环外径、芯辊移动距离和总的轧制过程持续时间来确定,终止条件设定完成后软件会自动计算轧制模拟的步长及增量。扩孔前坯料剖面图及有限元模型如图 5 和图 6 所示。图 5 扩孔前坯料剖面图Fig.5 Section diagram of blank before reaming图 6 辗制有限元模型Fig.6 Finite element model of rolling3 模拟结果与分析3.1 轧制变形的影响因素高颈法兰轧制的主要影响因素包括制坯尺寸、驱动辊转速、芯辊进给速