鍛壓技術(shù)：基于有限元法的螺旋定子外高壓脹形優(yōu)化
2022-11-15【作 者】王樹強(qiáng);陳昊雷;喬金夢(mèng);陳釗;周游
【前 言】
等壁厚螺旋定子螺桿鉆具因具有較長(zhǎng)的工作壽命、 優(yōu)秀的散熱性能， 被廣泛應(yīng)用于石油工業(yè)［１－５］。傳統(tǒng)螺旋定子與等壁厚螺旋定子的對(duì)比如圖 １ 所示，傳統(tǒng)螺旋定子由固化成形的不等厚橡膠與金屬外殼貼合而成， 橡膠層壁厚變化大、 鉆具散熱不均勻；而等壁厚螺旋定子的金屬外殼與橡膠外廓緊密貼合，散熱效果優(yōu)異。 等壁厚螺旋定子的成形方式主要有擠壓成形［６］、 內(nèi)高壓成形［７］、 分步成形等［８－１０］， 其中分步成形的方法具有零件內(nèi)表面質(zhì)量好、 大幅減少系統(tǒng)脹形壓力等特點(diǎn)［１１］， 因此針對(duì)分步脹形的研究對(duì)于流體介質(zhì)成形工藝的發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。 但分步脹形中外高壓脹形工藝參數(shù)匹配不當(dāng)將導(dǎo)致螺旋定子的成形精度降低， 造成脹形成品出現(xiàn)起皺、破裂等缺陷， 使零件報(bào)廢。 因此， 研究外高壓脹形各工藝參數(shù)的協(xié)同作用， 實(shí)現(xiàn)脹形參數(shù)優(yōu)化， 對(duì)于采用分步脹形成形螺旋定子的進(jìn)一步研究十分必要。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于分步脹形的研究起步較晚。 劉利軍等［１２］介紹了外高壓成形的基本原理、 優(yōu)點(diǎn)以及應(yīng)用前景； 鄧娟等［１３］建立了大長(zhǎng)徑比螺旋曲面金屬定子襯套外高壓數(shù)值模型； 崔曉磊等［１４］ 通過理論推導(dǎo)得到了內(nèi)外壓復(fù)合作用下管材的應(yīng)力－應(yīng)變曲線；Ｓｉｅｇｅｒｔ Ｋ 等［１５］對(duì)外高壓成形進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)， 得出外高壓成形壓力大幅低于內(nèi)高壓成形壓力的結(jié)論。 本文利用有限元模擬結(jié)合響應(yīng)面優(yōu)化的方法， 對(duì)等壁厚螺旋定子分步脹形中的外高壓脹形工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化， 通過對(duì)外高壓脹形進(jìn)行單因素有限元仿真， 并以成品的壁厚最大減薄率為目標(biāo)， 以脹形時(shí)的脹形壓力、 螺旋導(dǎo)程、 摩擦因數(shù)為優(yōu)化因素， 得到最佳的外高壓脹形參數(shù)， 并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為等壁厚螺旋定子的精確成形奠定了基礎(chǔ)。
【結(jié) 論】
利用響應(yīng)面優(yōu)化方法中的 Ｂｏｘ?Ｂｅｈｎｋｅｎ 方法對(duì)螺旋定子的外高壓脹形進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)， 得到了壁厚最大減薄率與定子螺旋導(dǎo)程、 外高壓脹形壓力、 摩擦因數(shù)的回歸方程， 并以壁厚最大減薄率為目標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化， 得到的優(yōu)化參數(shù)滿足實(shí)際脹形要求且得到了壁厚均勻的定子零件。
對(duì)比使用優(yōu)化參數(shù)得到的螺旋定子壁厚最大減薄率仿真值與實(shí)驗(yàn)值發(fā)現(xiàn)： 實(shí)驗(yàn)值大于對(duì)應(yīng)點(diǎn)的優(yōu)化仿真值， 所有測(cè)量點(diǎn)誤差率均小于 ２. ００％， 且壁厚最大減薄率均小于 ２５. ５０％， 所獲得的螺旋定子零件滿足脹形工藝要求。
以下是正文：
