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不锈钢筒形件的温差拉深数值模拟研究

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-12-10  浏览次数:15 选择视力保护色:

[摘要]  中华不锈钢网今日新闻:不锈钢的屈服点高、硬度高、冷作硬化效应显着,与普通低碳钢拉深相比,不锈钢薄板拉深所需变形力大、塑

  中华不锈钢网今日新闻:不锈钢的屈服点高、硬度高、冷作硬化效应显着,与普通低碳钢拉深相比,不锈钢薄板拉深所需变形力大、塑性变形剧烈硬化、容易破裂和起皱。如果不锈钢零件采用拉深成形,通常采用冷成形的方式,需要多道工序才能完成。而采用温差拉深,可以生产更精密、更复杂形状的零件,减小残余应力和加工硬化,减少所需的后续加工次数,提高产品的合格率,降低制造成本。
  
  不锈钢薄板的腐蚀不锈钢是含铬量12%以上的特种钢,具有表面华丽、耐蚀性强的特点。主要成分的Cr在钢表面形成薄而致密的Ci2()3钝化保护膜(20~30Um),起着防止氧侵入金属基体内的作用,所以具备不易生锈的特性。因此,不锈钢可在易发生腐蚀的环境下使用。但在一定的工况条件下(如介质、环境、保护等)不锈钢也可能发生腐蚀。如:酒罐在焊接及使用过程中会产生以下4种腐蚀,即:均匀腐蚀、晶间腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀及应力腐蚀。
  
  ⑴均匀腐蚀:不锈钢的失效与碳钢不同,很少会由于均匀腐蚀而失效腐蚀余量“对不锈钢没有意义。
  
  ⑵晶间腐蚀:不锈钢酒罐在制造和焊接时,加热温度和加热速度在不锈钢敏化温度区域(约450~800°C)时,材料中过饱和碳就会在晶粒边界首先析出,并与铬结合形成碳化铬C%C6,此时碳在奥氏体内的扩散速度比铬扩散速度快,铬来不及补充晶界由于形成碳化铬而损失的铬,结果晶界的铬含量就会随碳化铬的不断析出而不断降低,形成所谓的贫铬区。如果该区恰好露在焊缝表面并与腐蚀介质接触时,则将产生晶间腐蚀。在制造过程中,做好焊前及焊后表面处理,如:焊前用丙酮清洗,杜绝与碳钢工具的接触;焊接时减少焊接热输入量,采用小电流、快速焊、小焊道;焊后将焊道打磨平整,酸洗、中和并抛光。以去掉焊缝表面的贫铬区。
  
  ⑶点腐蚀和缝隙腐蚀:本腐蚀的发生是在金属上的薄弱点,区域不大,表面钝化膜局部破坏。一旦形成起始点,便在此点选择性地进行下去。点腐蚀的成长速度很快,而且在常温下进行。表面现象为焊接时未焊透,在焊缝区产生点腐蚀。在对接部位有残留缝隙,尤其人孔、接管等对接部位,焊接气孔产生蚀坑、结构死角,焊接死角上堆积的污物,使之产生点和缝隙腐蚀。
  
  ⑷应力腐蚀:影响奥氏体不锈钢焊接接头应力腐蚀的因素有焊接区的残余拉应力、焊缝结构组织以及在接头区的碳化物析出等。奥氏体不锈钢焊接制品应力腐蚀的统计结果表明,焊前各种冷加工(如冷弯成型、切削、打磨以及划伤等)和焊后冷、热加工(如冷热矫形、焊后热处理等)不当引起的残余应力,破坏表面钝化膜,尤其是酸洗处理或随意在母材上引弧等都对产生应力腐蚀有重要影响。另外,由于结构原因在焊接接头区存在局部浓缩和积沉的介质,也是引起奥氏体不锈钢焊接接头应力腐蚀的原因。在焊接过程中,应采取以下措施防止应力腐蚀,如:焊接接头避免“死区”、“死角”,焊缝布置避免应力集中。焊接时采用合理的焊接顺序和方向,也可有效地防止应力腐蚀,如:先焊收缩量较大的焊缝,使焊缝能自由地收缩;先焊对接焊缝,后焊角焊缝;先焊错开的短焊缝,后焊直通的长焊缝,使焊缝有较大的横向收缩余地;先焊在工作时受力较大的焊缝,使内应力合理分布;焊缝接触介质的一面应最后施焊;焊道整形,对焊道形成压应力,等等,都可以防止应力腐蚀的发生。
  
  一般温差拉深,在压料板及凹模处安装加热装置,凸模采用冷却水加以冷却,板料在凸缘部位因加热使材料流入凹模的变形力降低。在凹模部分加以冷却,使凸模下的板料强度增加,变形减小,这样可提高拉深比,减少加工次数。
  
  中华不锈钢网今日新闻:为板料加热模拟结果。板料的初始温度为25*C,在压料板与凹模间加热5s后,才进行拉深。板料加热5s后,压料板及凹模间板料的温度上升至100*C左右,凸模下方板料温度为30 ~40*C,凹模外缘至压料板之间的板料温度为70*C左右。从成形后板料温度分布来看,可看到在凸模及凸模圆角处的板料接近常温,凹模圆角上方板料温度增加至100 *C.对板料在成形时的温度变化进行追踪,追踪点在所示的板料上,分别为凹模外缘、压料板外缘及压料板中3处。所示为观测点的温度变化,在5s以前为对板料加热,5s后进行拉深成形,从结果可看出,各点在成形前后的温度变化在10*C以内,上点2及点3都有一个明显温度上升的部分,这是由于该处板料流过凹模圆角时,弯曲应变能的增加使温度上升。
  
  1.2温差拉深模拟模型对于温差拉深成形性,使用三维有限元软件PAM-STAMP进行模拟分析。由于PAM-STAMP不具有加热分析功能,利用上述加热模拟结果,将板料分为3个区域,如所示,每个区域分别输入不同机械性质,使模拟分析的条件符合生产的实际情况。
  
  进行模拟分析的模型用PRO/E建立,然后通过IGES接口输出至DELTAMESH建立网格,用PAM-STAMP前置处理程序GENERIS读入进行前处理。对于模拟所使用的材料性质,则根据不同温度输入相应材料的机械性质。在进行分析时,拉深模具的基本参数如下:凸模半径25mm,凸模圆角3mm,凹模圆角5mm,模具间隙075mm,毛还厚度0 6mm,压料板压力1. 8~2MPa.本文主要探讨温度对不锈钢成形性的影响,因此以圆筒件引伸作为分析的对象,以减少复杂性。此外,因圆筒件具有对称性,取其1/ 4作模拟以减少模拟计算所花的时间。模具及板料网格如所示。
  
  2模拟结果与分析2.1温度对拉深深度的影响温度对拉深深度的影响包含凸模加以冷却和凸模不冷却两种模拟条件,即板料维持在均匀的温度状态。在凸模冷却、压料板与凹模加热的情况下,拉深深度随温度上升而增加,上升到100°c时为最大值,而后逐渐降低。而在均匀温度条件下,拉深极限呈现减小趋势。这主要是因为Cr18Ni9在温度增加时,屈服强度降低但延伸率减小所致。
  
  2.2温度对破裂模式与板料厚度变化的影响为在不同温度下拉深发生破裂时的破裂位置与板件厚度分布,图上箭头所指位置为破裂最早发生的位置。从可看出,在毛坯尺寸相同时,使用温差拉深成形后的筒形件底部厚度比常温拉深的底部厚度大。当拉深温度大于100°C时,其破裂点由凸模圆角处改变至凹模圆角下方。
  
  所示为不同拉深温度下破裂点的应变路径,由应变路径图可确认不同温度下的破裂模式,在100*C以下为拉裂,100*C以上为拉深破裂。
  
  破裂形式改变的原因,主要是由于凸模冷却时,凸模下的板料温度比凸缘处温度低,使凸模圆角处板料的强度较高,当温度高于100次应变,不同温度下破裂点的应变路径在拉深过程中凸模圆角处板料的强度比凹模圆角下方材料强度高,所以破裂发生在凹模圆角下方。
  
  3结论在相同的工艺参数情况下,使用温差拉深,在100*c左右可得到最佳的拉深深度。
  
  在温差拉深中,凸模应加以冷却,以提高凸模圆角处板料的抗应变能力;否则不能有效提高拉深性能。
  
  中华不锈钢网今日新闻:在相同的工艺参数情况下,常温拉深与温差拉深的破裂形式不同,常温拉深为拉裂,温差拉深为拉深破裂。

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