304不锈钢滚珠旋压数值模拟研究

文/王长江·河南神州重型封头有限公司

张晶·大连现代辅机开发制造有限公司

严冰剑·沈阳理工大学

304不锈钢滚珠旋压数值模拟研究

文/王长江·河南神州重型封头有限公司

张晶·大连现代辅机开发制造有限公司

严冰剑·沈阳理工大学

304不锈钢小直径薄壁滚珠旋压成形是一个涉及材料非线性、接触摩擦非线性的复杂成形过程，易出现波纹、扩径等缺陷。本文描述了利用DEFORM-3D软件模拟304不锈钢薄壁滚珠旋压成形过程，分析研究减薄率、进给比、滚珠直径对管材成形过程中的等效应力和等效应变的影响，确定了合理的工艺参数，为实际生产中工艺参数的选取提供必要的参考。

王长江，生产管理部经理，主要从事压力容器大型封头的生产管理，获实用新型专利8项。

滚珠旋压技术综合了轧制、挤压等成形技术的特点，常用于加工具有一定厚度、轴对称、空心回转体零件。滚珠旋压技术具有材料利用率高、成形质量好等特点，特别适合加工直径较小，强度要求较高但表面粗糙度要求较低的薄壁件，广泛应用于航空、航天、机械等领域。但滚珠旋压过程中管坯的变形较复杂，影响成形质量的因素很多，如减薄率、进给比、滚珠直径等工艺参数，这些工艺参数选取是否合理直接关系着制件的成形质量。因此研究工艺参数对旋压过程的影响具有重要的意义。

影响旋压过程的工艺参数

滚珠旋压是一种变薄旋压，管坯变形必须尽可能均匀，如果变形不均匀会导致管材内的应力和应变不均匀，影响管件的表面质量和成形精度。影响旋压成形过程的工艺参数较多，其中主要有减薄率φ、滚珠直径Dp、进给比f。

减薄率可分为道次减薄率和总减薄率，它的选择是否合理直接影响到旋压力的大小、管件的成形质量等。减薄率的选择取决于材料的性能、管件的质量和精度要求以及选用的旋压设备等因素。

滚珠和管坯直接接触，滚珠直径的选择将直接影响到管坯材料变形的稳定性，如果变形不稳定，易出现起皮、隆起以及扩径等缺陷。

进给比反映变形的速率，进给比大生产效率高，管壁与芯轴贴合较好，但由于变形力较大，易产生波纹，表面粗糙度大等缺陷。

滚珠旋压有限元模型

该304不锈钢产品直径为15.2mm，壁厚为0.34mm，三维图如图1所示。根据计算和实际生产经验选取管坯尺寸为φ15.8×0.4mm。利用三维造型软件建立滚珠、芯模、管坯模型，导入有限元DEFORM-3D中，进行网格划分，共有81692网格单元。选择修正的剪切摩擦模型，定义滚珠和管坯、管坯和芯模之间的摩擦系数为0.15，采用反向滚珠旋压的成形方式，有限元模型如图2所示。

图1 304不锈钢产品三维图

图2 有限元模型

模拟试验方案

根据经验，道次减薄率一般选择10% ～45%，滚珠直径范围为4mm～7mm，进给比范围为0.2～0.7mm/r，各试验工艺参数见表1、2、3。

表1 减薄率对旋压过程的影响试验

表2 滚珠直径对旋压过程的影响试验

表3 进给比对旋压过程的影响试验

减薄率对旋压过程的影响

根据表1的试验数据利用DEFORM-3D软件进行模拟，研究不同减薄率对管坯等效应变和等效应力的影响，如图3所示。

由图3可知，当减薄率较小为10%时，管坯出现变形不足的区域，等效应力和等效应变都较小且分布不均匀。这是因为变薄率相对较小，旋压过程中受到的旋压力较小，管材未充分变形。减薄率增大到15%时，管材变形量增加且较均匀，未出现扩径等缺陷，成形质量较好。继续增大减薄率达到25%，此时等效应力和等效应变均增大，管材的变形较大，管壁出现材料褶皱等缺陷，同时出现扩径等现象。因此减薄率选择为15%较为合适。

滚珠直径对旋压过程的影响

根据表2的试验数据，研究不同滚珠直径对管坯等效应变和等效应力的影响，如图4所示。

图3 不同减薄率下的管坯等效应变和等效应力图

由图4可知，当滚珠直径较小为4mm时，管坯受到的挤压力较小，塑性变形不均匀，表面出现隆起和材料堆积等现象。增大滚珠直径为5mm时，塑性变形增加，变形较均匀，管件表面无明显的成形缺陷。当滚珠直径达到6mm时，塑性变形较大，部分区域的等效应力较大，管坯出现扩径现象。因此滚珠直径选取5mm较为合理。

进给比对旋压过程的影响

根据表3的试验数据，研究不同滚珠进给比对管坯等效应变和等效应力的影响，如图5所示。

由图5所示，当进给比为f=0.4mm/r时，管件变形不均匀，出现起皮等缺陷，这是由于进给量较小，滚珠和管坯的接触区域较小，管坯受力不均匀造成的。当进给比增大到0.5mm/r时，等效应变和等效应力较均匀，管件无明显缺陷。进给比增大到0.6mm/r时，等效应力明显增大，管件表面出现裂纹等缺陷。因此进给比选用0.5mm/r比较合理。

图4 不同滚珠直径下管坯等效应变和等效应力图

图5 不同进给比下管坯等效应力和等效应变图

结束语

利用有限元软件DEFORM-3D模拟小直径304不锈钢管材反向滚珠旋压成形过程，根据成形过程等效应力和等效应变变化，可知减薄率、滚珠直径和进给比对管坯成形质量的影响。随着减薄率和进给比的增大，等效应力和等效应变逐渐增大；而随着滚珠直径的增大，管材内的等效应力和等效应变有减小的趋势。