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1、中国机械工程第17卷增刊2006年10月材料成形性能对空心曲轴内高压成形模拟结果的影响林俊峰1苑世剑1韩笑峰21.哈尔滨工业大学,哈尔滨,2.哈尔滨学院,哈尔滨,摘要:用数值模拟的方法研究材料成形性能对空心曲轴内高压成形结果的影响,分析了管材的厚向异性系数与硬化指数的变化对壁厚分布的影响,结果表明,内高压成形件的壁厚分布与材料的硬化指数n值、厚向异性指数r值密切相关,n值越大,壁厚分布越均匀,r值越大,壁厚减薄率越小,可减小破裂的可能性。关键词:材料成形性能;内高压成形;空心曲轴;数值模拟中图分类号:TG394 文章编号:1004—132X(2006)S2—0048—03TheIn
2、fluenceofMaterial’sMechanicalPropertyonSimulationofHollowCrankshaftHydroformingLinJunfeng1 YuanShijian1 HanXiaofeng21.HarbinInstituteofTechnology,Harbin,1500012.HarbinUniversity,Harbin,150001Abstract:Aninvestigationisconductedfortheinfluenceofthematerial’smechanicalpropertyonsimulationofhollowcr
3、ankshafthydroforming.Byanalysingtheeffectofnvalueandrvalueonthick2nessdistributions,itisfoundthatforthematerialswithbiggernvalue,wallthicknessdistributionismoreuniform,andtheminimalwallthicknessofthetransitionregionisincreased.Thewidthintran2sitionregionandthecenterregionandwallthicknessincenter
4、regionisaccordinglysmaller.Keywords:materialproperty;hydroforming;hollowcrankshaft;simulation0 引言近年来,随着计算机软硬件技术的高速发展,使得大容量的复杂计算在个人PC机上也可高效实现,再加上数值模拟软件的不断发展完善,使得材料成形过程的有限元模拟精度不断提高,在许多领域有限元模拟已可以代替实验研究。但在许多情况下模拟结果与实验仍有一些差距,其中有限元分析模型的材料力学性能和摩擦条件的设定与实际情况存在差异是主要原因[1,2]。另外,成形空心曲轴的管坯有多种材料,主要是不锈钢和碳钢,它们的材
5、料力学性能不同。针对不同材料的应用,本文通过对非对称结构的空心双拐曲轴的模拟研究,分析了硬化指数n值、厚向异性指数r值对成形件壁厚分布的影响,对于提高材料成形的数值模拟水平和不同材料管坯的实际应用有着重要的指导意义。收稿日期:2006—08—15基金项目:华中科技大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室开放基金资助项目(05-7);哈尔滨工业大学校基金资助项目(HIT.2003.08)1 零件特点和有限元模型图1所示为空心双拐曲轴的几何尺寸,长度220mm,拐部管径从63mm变化到86mm,上半周膨胀量62%,下半周膨胀量12%,非对称的特征非常明显。由于该零件具有非对称的外形和较大
6、图1 空心双拐曲轴零件图的单侧膨胀量,成形时一面不膨胀且壁厚还要增加,而另一侧膨胀量较大,因而在成形中控制壁厚相对均匀的难度很大,补料过多的一侧会发生起皱,补料不够的另一侧会产生破裂。初始管坯的·48·材料成形性能对空心曲轴内高压成形模拟结果的影响———林俊峰苑世剑韩笑峰尺寸为<63mm×3mm,根据体积不变条件计算出理论补料量为80mm,所以管坯长度定为300mm。采用有限元分析程序DYNAFORM,与之配套的有限元求解器为LS-DYNA,从而实现了前后处理程序与求解器的无缝连接。图2所示为空心双拐曲轴内高压成形模拟模型,包括模具、坯料与左右冲头四部分。管坯采用中性层进行造型,划分为
7、Belytschko-Tsay壳单元,单元数5680,全部是四边形单元。模具划分为刚体单元,单元数3787,其中四边形单元3707个,三角形单元80个。左右冲头为刚体单元,单元数均为926,其中四边形单元896个,三角形单元30个。3 n值对成形的影响针对不同n值的模拟模型,采用图3所示的加载路径进行数值模拟,图4所示是不同硬化指数下内高压成形空心双拐曲轴的模拟结果,可以看出,成形区的壁厚值与材料的硬化指数密切相关。虽然材料n值不同,但壁厚分
