CN113094845B - 一种环形锻件连续马架扩孔的模拟仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种环形锻件连续马架扩孔的模拟仿真方法，建立马架扩孔仿真模拟模型，构造各主要部件的载荷曲线，设定马架扩孔过程的参数，利用有限元模拟软件实现马架扩孔成形仿真模拟，其具体步骤为：本发明通过对马架扩孔仿真模拟参数的设计，实现了马架扩孔工艺过程有限元仿真，并可实现马架扩孔过程一火次多次锤击的自动、持续仿真，大幅度降低了马架扩孔过程的有限元仿真模拟的难度，最终实现了利用有限元软件对马架扩孔工艺的校验、对马架扩孔过程的预判及质量控制。

Description

一种环形锻件连续马架扩孔的模拟仿真方法

技术领域

本发明涉及一种环形锻件连续马架扩孔的模拟仿真方法。

背景技术

马架扩孔工艺方法是一种在快锻机或锻造液压机上利用上砧、马架、马棒等工装，让环形坯料产生内径增大的工艺方法，在马架扩孔过程中，还必须由辅助工人利用撬棒或锻造操作机让环件产生间断的旋转。

环形锻件在生产过程中经常采用马架扩孔工艺，用于扩大环形件镦粗冲孔后坯料的内径、外径，以便于环形件坯料能顺利穿过芯辊，从而在辗环机上进行环轧成形。这是由于直径偏小的芯辊尺寸不便于环件在环轧过程中的咬入及锻透，并且直径偏小的芯辊抗承载能力小，在环轧过程中，芯辊容易弯曲、甚至断裂，必须采用马架扩孔工艺增大环件内径，以便于采用较大直径的芯辊，从而适合环件咬入、锻透、芯辊使用寿命的技术及生产要求。对于某些航空厚壁环形锻件，马架扩孔工艺还存在良好的径向锻透能力。为此，马架扩孔工艺一直是环件成形的重要制坯或成形工艺方法。

在航空环形锻件马架扩孔工艺设计及实际生产中，工艺仅规定环形锻件马架扩孔后尺寸，至于马架扩孔的时长、每次锤击下压量、锤花宽度等，工艺基本不规定，全由生产工人凭经验控制。对于某些厚壁航空环形锻件，为获得良好的径向锻透效果，改善芯部晶粒度，工艺上也仅要求重滚圆1圈等类似要求。若马架扩孔过程中出现芯部晶粒度改善效果差、锤击过重导致坯料温升严重、马架扩孔时间过长导致环件温度偏低等质量问题，必定影响后续成形工序质量。

马架过程中，上砧需要做往复上、下运动及偶尔的停顿，辅助工人需要使用撬棒或锻造操作机进行间断的往复上、下运动，让环件产生间断的旋转动作，整个马架扩孔过程动作相当复杂。辅助工人在对环件转动的过程中，转动角度和速度无法准确的把控，为了提高生产效率，需要马棒自动转动对环件进行加工，现有的马架扩孔过程仿真模拟，只能对马架扩孔的单次锤击进行成形仿真模拟，对于整个马架扩孔的几十次不间断锤击过程，必须采用几十次耦合计算的方式进行实现，这无形中加大了马架扩孔成形仿真模拟的难度，基本上没有对马架扩孔全过程进行成形仿真模拟，导致马架扩孔工序质量不能使用计算机仿真方法进行有效预测及校验，只能通过现场产品实际生产进行验证。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种环形锻件连续马架扩孔的模拟仿真方法。

本发明通过以下技术方案得以实现。

本发明提供的一种环形锻件连续马架扩孔的模拟仿真方法，建立马架扩孔仿真模拟模型，构造各主要部件的载荷曲线，设定马架扩孔过程的参数，利用有限元模拟软件实现马架扩孔成形仿真模拟，其具体步骤为：

1)借助有限元仿真模拟软件，建立仿真模型；

2)设计上砧打击周期性载荷曲线，设定马棒转动周期T_砧：

上砧打击周期性载荷曲线表示为v_砧＝f(t_砧)，且f(t_砧+T_砧)＝f(t_砧)，上砧的打击周期T_砧计算公式为：

T_砧＝T_砧-打击+T_砧-回程+T_砧-停顿

T_砧-打击为上砧打击时长，T_砧-回程为上砧回程时长，T_砧-停顿为上砧停顿时长；

S_砧＝S₀+ΔH

带入式

S_砧为上砧打击或回程过程中的单次行程，S₀为上砧与环坯外径面初始距离，ΔH为每次上砧锤击变形程度；

3)计算马棒周期旋转角速度工艺参数，

马棒旋转周期性载荷曲线可以表示为：

ω_马＝f(t_马)，且f(t_马+T_马)＝f(t_马)

得出马棒的旋转周期T_马计算公式为：

T_马＝T_马-旋转+T_马-停顿

由于上砧打击期间马棒停顿，上砧回程期间及上砧停顿期间马棒旋转所以

T_马-停顿＝T_砧-打击

T_马-旋转＝T_砧-回程+T_砧-停顿

T_砧-打击为上砧打击期间的时间，T_马-停顿为上砧停顿期间的时间，T_马-旋转为马棒旋转的周期时间，T_马-停顿为马棒停顿周期的时间；

设定θ为锤花角，R为环坯外径半径，r为环坯内径半径，R_马为马棒半径，θ_马为马棒旋转角度则

由于马棒和环胚的转动弧度相同，则

θ_马R_马＝rθ

得出

在马架扩孔过程中，前后两锤的锤花存在部分重叠，重叠的区域占锤花面积比例设定为K，则

得出马棒的旋转速度ω_马公式为：

4)将步骤2-步骤3中的工艺参数在有限元仿真模拟中进行载荷的加载，完成该产品马架扩孔工艺的仿真模拟。

所述上砧的打击速度V_砧，在t-nT_砧≤T_砧-打击时，v_砧＝v_砧-打击。

所述上砧的打击速度v_砧，在T_砧-打击＜t-nT_砧≤T_砧-打击+T_砧-回程时，v_砧＝-v_砧-回程。

所述上砧的打击速度v_砧，在t-nT_砧＞T_砧-打击+T_砧-回程时，v_砧＝0。

所述马棒的旋转速度ω_马，当t-nT_砧≤T_砧-打击时，ω_马＝0。

所述马棒的旋转速度ω_马，当t-nT_砧＞T_砧-打击时，

本发明的有益效果在于：通过对马架扩孔仿真模拟参数的设计，实现了马架扩孔工艺过程有限元仿真，并可实现马架扩孔过程一火次多次锤击的自动、持续仿真，大幅度降低了马架扩孔过程的有限元仿真模拟的难度，最终实现了利用有限元软件对马架扩孔工艺的校验、对马架扩孔过程的预判及质量控制。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是本发明的结构示意图；

图4是本发明的结构示意图；

图5是本发明的结构示意图；

图中：1-马架扩孔环坯，2-上砧，3-马棒，4-马架，5-支撑架，6-操作工人，7-撬棒，8-锻造设备。

具体实施方式

下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。

以快锻机采用马架扩孔工艺生产环坯为例，马架扩孔生产过程如图2所示，将加热完成的环坯套在马棒上，马棒在马架中进行简要固定，当完成一次锤击(即上砧在快锻机的驱动下，完成一次打击)后，操作工人使用撬棒让环坯完成一定角度的旋转，支撑架为撬棒提供撬动的支点；环坯旋转完成后，进行再次的锤击，直到环件内径、外径尺寸达到工艺要求。

由图2及马架扩孔实际操作过程，可以看出，

①、上砧需要对环坯进行间断的周期性打击，则上砧的打击曲线为周期性打击载荷曲线；

②、环坯需要进行间断的旋转运动，现有的生产过程中，旋转运动由操作工人使用撬棒撬动环件实现；

③、马架对马棒位置及运动方式进行简易限定，马棒可以做旋转运动，不能做上、下或左、右移动。

上砧的周期性打击载荷由设备驱动，在有限元仿真模拟软件中，可以直接对上砧施加周期性打击载荷，则可以在模型中去掉锻造设备。

由于环件的旋转是由操作工人使用撬棒撬动来实现，操作工人撬动的力量、幅度等都很难清晰界定，很难从现有的马架扩孔模型中提出环件转动的运动控制参数。经查询相关资料，大型环件马架扩孔制坯过程中，环件旋转是通过马棒旋转实现的。为此，可以让环件旋转的驱动方式由操作工人撬动变更为马棒旋转方式，而马棒旋转可以设定马棒的周期性的旋转角速度载荷曲线，从而实现了环坯旋转工艺参数的设定，则可以在模型中去掉支撑架、撬棒、操作工人。

在有限元仿真模拟软件中，可以仅设定马棒的旋转运动，则马棒的上、下或左、右移动便自动完成了限定，为此，可以去掉马架工装。

由此，马架扩孔操作过程可以简化成如图1所示的简易模型，需要对上砧施加周期性的打击载荷，对马棒施加周期性的旋转角速度载荷曲线。

(1)上砧打击周期性载荷工艺参数设计

上砧打击周期性载荷工艺参数由t_砧(上砧的打击时间)及v_砧(上砧的打击速度)构成。由马架扩孔操作过程可知，上砧在一个打击周期内，需完成一次向下打击、一次向上回程、一次悬空停顿，则上砧打击周期性载荷曲线可以表示为v_砧＝f(t_砧)，且f(t_砧+T_砧)＝f(t_砧)，上砧的打击周期T_砧计算公式为：

T_砧＝T_砧-打击+T_砧-回程+T_砧-停顿   (1)

式(1)中，T_砧-打击为上砧打击时长，T_砧-回程为上砧回程时长，T_砧-停顿为上砧停顿时长。

另外，在实际马架扩孔过程中，上砧打击速度v_砧-打击、上砧回程速度v_砧-回程分别均为恒定速度，速度大小根据实际生产经验给定，上砧停顿时长T_砧-停顿也根据实际生产经验给定。

则，T_砧-打击、T_砧-回程，有

式(2)、(3)中，S_砧为上砧打击或回程行程，且有

S_砧＝S₀+ΔH    (4)

式(4)中，S₀为上砧与环坯外径面初始距离，ΔH为每次上砧锤击变形程度。

则对于任意时刻t，上砧周期性打击速度v_砧

时；

v_砧＝0，当t-nT_砧＞T_砧-打击+T_砧-回程时；    (5)

式(5)中，n为自然数，n＝{0，1，2，3，...}。

(2)马棒周期旋转角速度工艺参数设计

马棒旋转载荷工艺参数由t_马(马棒的旋转时间)及ω_马(马棒的旋转角速度)构成。由马架扩孔操作过程可知，马棒在一个旋转周期内，需完成一次旋转、一次停顿，则马棒旋转周期性载荷曲线可以表示为ω_马＝f(t_马)，且f(t_马+T_马)＝f(t_马)，马棒的旋转周期T_马计算公式为：

T_马＝T_马-旋转+T_马-停顿   (6)

根据马架扩孔实际操作可知，上砧打击期间马棒停顿，上砧回程及上砧停顿期间马棒旋转，则

T_马-停顿＝T_砧-打击   (7)

T_马-旋转＝T_砧-回程+T_砧-停顿   (8)

建立如图3所示的马架扩孔的几何模型，θ为锤花角，R为环坯外径半径，r为环坯内径半径，R_马为马棒半径，θ_马为马棒旋转角度则

假定马棒旋转过程中，马棒与环坯之间不存在相对滑动，则锤花对应的环坯内径弧长与马棒旋转弧长相等，则

θ_马R_马＝rθ   (10)

根据式(9)、(10)，可知

在实际环件马架扩孔过程中，前、后两锤的锤花存在部分重叠，假定重叠区域占锤花面积的比例为K，则式(11)修正为

马棒旋转角速度ω_马为

则对于任意时刻t，马棒旋转角速度ω_马

式(14)中，n为自然数，n＝{0，1，2，3，…}。

(3)对马架扩孔工艺进行有限元仿真模拟及分析

借助有限元仿真模拟软件，在模拟软件中建立图1的仿真模型，按照(2)、(3)步骤，结合实际产品锻造特性及锻造生产特点，设计上砧打击周期性工艺参数、马棒旋转角速度周期性工艺参数，并将上砧及马棒的工艺参数分别在有限元仿真模拟中进行载荷的加载，从而完成该产品马架扩孔工艺的仿真模拟，随后对仿真模拟结果进行分析，诸如温度场、应力场、应变场、外廓尺寸、金属流动矢量、变形抗力等，实现对该产品马架扩孔工艺的校验，完成对该产品马架扩孔过程的预测，最终达到对该产品马架扩孔过程质量控制的目的。

某航空环坯马架扩孔工艺参数设计实例：

(1)环坯尺寸、马棒尺寸及工艺要求

环坯尺寸Φ588±10mm×Φ304±10mm×410±5mm，马棒直径为Φ220mm。根据实际生产经验，确定上砧与环坯初始距离为14mm，每次上砧锤击变形程度为7mm，上砧打击速度为20mm/s，上砧回程速度为30mm/s，上砧每个打击周期的停顿时间为1.2s，锤花重叠区域占整个锤花区域的比例为15％。则，

S₀＝14(mm)   (18)

ΔH＝7(mm)   (19)

V_砧-打击＝20(mm/s)   (20)

V_砧-回程＝30(mm/s)    (21)

T_砧-停顿＝1.2(s)   (22)

K＝15％   (23)

(2)上砧打击周期性载荷工艺参数设计

根据式(2)，可知T_砧-打击为

根据式(3)，可知T_砧-回程为

根据式(1)，可知T_砧为

T_砧＝T_砧-打击+T_砧-回程+T_砧-停顿＝1.05+0.7+1.2＝2.95(s)

                      (26)

则对于任意时刻t，上砧周期性打击速度V_砧，图4为上砧周期性打击速度v_砧-时间曲线图，

V_砧＝0，当t-2.95n＞1.75时；   (27)

式(27)中，n为自然数，n＝{0，1，2，3，…}。

(3)马棒周期性旋转角速度工艺参数设计

根据式(12)，马棒旋转角速度ω_马为

则对于任意时刻t，马棒旋转角速度ω_马，图5为马棒周期性旋转角速度ω_马-时间曲线图，

式(29)中，n为自然数，n＝{0，1，2，3，…}。

本发明通过对马架扩孔场景的简化，构建了马架扩孔仿真模型，并提炼出马架扩孔工艺参数，即上砧打击速度V_砧、马棒旋转角速度ω_马，建立了马架扩孔几何模型，设计出v_砧、ω_马的周期性函数，完成了马架扩孔仿真模拟参数的设计，从而实现了马架扩孔工艺过程有限元仿真，并可实现马架扩孔过程一火次多次锤击的自动、持续仿真，大幅度降低了马架扩孔过程的有限元仿真模拟的难度，最终实现了利用有限元软件对马架扩孔工艺的校验、对马架扩孔过程的预判及质量控制。

Claims (6)

1.一种环形锻件连续马架扩孔的模拟仿真方法，建立马架扩孔仿真模拟模型，构造各主要部件的载荷曲线，设定马架扩孔过程的参数，利用有限元模拟软件实现马架扩孔成形仿真模拟，其具体步骤为：

1)借助有限元仿真模拟软件，建立仿真模型；

2)根据上砧打击周期性载荷曲线，设定上砧的打击周期T_砧：

上砧打击周期性载荷曲线表示为v_砧＝f(t_砧)，且f(t_砧+T_砧)＝f(t_砧)，上砧的打击周期T_砧计算公式为：

T_砧＝T_砧-打击+T_砧-回程+T_砧-停顿    (1)

T_砧-打击为上砧打击时长，T_砧-回程为上砧回程时长，T_砧-停顿为上砧停顿时长，t_砧为上砧的打击时间，v_砧为上砧的打击速度；

S_砧＝S₀+ΔH    (4)

带入(1)式

S_砧为上砧打击或回程过程中的单次行程，S₀为上砧与环坯外径面初始距离，ΔH为每次上砧锤击变形程度，v_砧-打击为上砧打击速度，v_砧-回程为上砧回程速度；

3)计算马棒周期旋转角速度工艺参数，

马棒旋转周期性载荷曲线可以表示为：

ω_马＝f(t_马)，且f(t_马+T_马)＝f(t_马)   (5)

得出马棒的旋转周期T_马计算公式为：

T_马＝T_马-旋转+T_马-停顿      (6)

由于上砧打击期间马棒停顿，上砧回程期间及上砧停顿期间马棒旋转所以

T_马-停顿＝T_砧-打击         (7)

T_马-旋转＝T_砧-回程+T_砧-停顿  (8)

T_砧-打击为上砧打击期间的时间，T_砧-停顿为上砧停顿期间的时间，T_马-旋转为马棒旋转的周期时间，T_马-停顿为马棒停顿周期的时间，t_马为马棒的旋转时间，ω_马为马棒的旋转速度；

设定θ为锤花角，R为环坯外径半径，r为环坯内径半径，R_马为马棒半径，θ_马为马棒旋转角度则

由于马棒和环胚的转动弧度相同，则

θ_马R_马＝rθ     (10)

得出

在马架扩孔过程中，前后两锤的锤花存在部分重叠，重叠的区域占锤花面积比例设定为K，则

得出马棒的旋转速度ω_马公式为：

4)将步骤2)-步骤3)中的工艺参数在有限元仿真模拟中进行载荷的加载，完成该产品马架扩孔工艺的仿真模拟。

2.如权利要求1所述的环形锻件连续马架扩孔的模拟仿真方法，其特征在于：所述上砧的打击速度v_砧，在t-nT_砧≤T_砧-打击时，v_砧＝v_砧-打击，

t为任意时刻，n为自然数，n＝{0，1，2，3，...}。

3.如权利要求1所述的环形锻件连续马架扩孔的模拟仿真方法，其特征在于：所述上砧的打击速度v_砧，在T_砧-打击＜t-nT_砧≤T_砧-打击+T_砧-回程时，v_砧＝-v_砧-回程，

t为任意时刻，n为自然数，n＝{0，1，2，3，...}。

4.如权利要求1所述的环形锻件连续马架扩孔的模拟仿真方法，其特征在于：所述上砧的打击速度v_砧，在t-nT_砧＞T_砧-打击+T_砧-回程时，v_砧＝0，

t为任意时刻，n为自然数，n＝{0，1，2，3，...}。

5.如权利要求1所述的环形锻件连续马架扩孔的模拟仿真方法，其特征在于：所述马棒的旋转速度ω_马，当t-nT_砧≤T_砧-打击时，ω_马＝0，

t为任意时刻，n为自然数，n＝{0，1，2，3，...}。

6.如权利要求1所述的环形锻件连续马架扩孔的模拟仿真方法，其特征在于：所述马棒的旋转速度ω_马，当t-nT_砧＞T_砧-打击时，

t为任意时刻，n为自然数，n＝{0，1，2，3，...}。

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