带轮旋压成形新工艺的有限元模拟分析

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1、第一章绪论1．1引言金属塑性加工是利用金属的塑性即金属产生塑性变形的能力，使金属材料在外力作用下成形的一种工艺方法[1l。塑性加工不仅生产效率高、原材料消耗少，而且可以有效地改善金属材料的力学性能和组织。塑性加工作为制造业的一个重要分支，广泛地用于工业制造中。据统计，全世界75％的钢材经过塑性加工，在汽车行业生产锻件和冲压件的数量约占零件总数的60％以上，在冶金、航空、船舶和军工等工业生产行业也都占有很大比重【21。通过与计算机技术的紧密结合，数控加工、激光成型、人工智能、材料科学和集成制造等一系列与塑性加工相关的技术快速发展，开发研制出越来越多的塑性加工新工艺和新设备，把握塑性加工技术的现状

2、和发展前沿有助于我们及时研究、推广和应用高新技术，推动塑性加工技术的持续发展【3’4】。旋压是一种先进的少无切削加工工艺，是塑性加工的一个重要分支，具有柔性好、成本低等优点，适合加工多种金属材料，是一种经济、快速成形薄壁回转体零件的方法。与其它冲压方法相比，由于它能制造出形状多样、尺寸各异的产品，特别在结合高效、精密的数控技术后，更具有明显的优越性。因此，不仅在兵器、航空、航天、民用等金属精密加工技术领域占有重要地位，而且在化工、机械制造、电子及轻工业等领域也得到了广泛应用[5-71。汽车空调离合器带轮是带法兰盘的双筒形零件，是汽车空调离合器的重要零件。用常规的旋压方法(普旋和强旋)是旋制不出

3、这样复杂的零件的，研究人员经过反复试验研究出一种能直接从平板毛坯上旋制出双筒形的旋压方法，这种新型旋压方法定义为“铲旋"。用这种新的工艺旋制的产品，整体性能好，能广泛的应用到汽车及其它行业。铲旋旋压成形机理复杂，旋轮运动轨迹和成形工艺参数对成形规律、成形质量以及加工效率都有极其重要的影响。因此铲旋技术需要从理论上研究旋轮运动轨迹、金属流动规律以及工艺参数优化等问题。宽平皮带轮是通用的机械传动零件，它应用于汽车、拖拉机、农用机械、家用电器、工业自动化系统和纺织机械等各种传动设备上，用途十分广泛【8j。旋压宽平皮带轮具有广阔的应用前景19】。但实际生产中遇到的问题是旋轮寿命不长，易于磨损。如何运用

4、科学理论方法改善工艺、改进旋轮结构并延长旋轮使用寿命也是一个迫切需要解决的技术难题。1．2旋压的定义和分类旋压是利用旋轮对旋转坯料施加压力，使之产生连续的局部塑性变形而成形所需空心回转零件的塑性加工方法。通常是先将金属平板毛坯或预制毛坯卡紧在旋压机的芯棒上，由主轴带动芯棒和坯料旋转，然后旋轮(或擀棒)以一定的轨迹，一定的移动速率对毛坯施加压力，使毛坯产生连续、逐点的塑性变形，从而获得各种母线形状的空心旋转体零件‘10,11】。旋压工艺的加工原理见图l·1。1一芯棒2一毛坯3一尾顶4～旋轮图1．1旋压示意图根据加工过程中毛坯厚度的变化情况，一般将旋压工艺分为普通旋压和强力旋压两大类。1．2．1普

5、通旋压普通旋压简称普旋。传统观点认为，普旋过程中毛坯的厚度基本保持不变，成形主要依靠坯料沿圆周方向的收缩以及沿半径方向上的伸长变形来实现，其重要特征是在成形过程中可以明显看到坯料外径的变化。普旋的基本加工方式有三种：拉深旋压、缩径旋压和扩径旋压，如图1-2。拉深旋压类似于冲压加工中的拉深变形，将毛坯由板料旋压加工成回转壳体，毛坯弯曲塑性变形是它的主要的变形方式。缩径旋压是利用旋轮(或摩擦块)将回转体空心件或管状毛坯进行径向局部旋转压缩以减小其直径的成形方法。扩径旋压与缩径旋压相反，是利用旋压工具使空心回转体容器或管状毛坯进行局部(中部或端部)直径增大的旋压成形方法。(a)拉深旋压(b)缩径旋压

6、(c)扩径旋压图卜2普通旋压2普旋工艺属于板料成形范畴。由于利用局部塑性变形代替了零件的整体变形，它不但可以大幅度降低加工时的变形抗力，降低设备功率，从而降低设备成本．而且还可以充分利用毛坯每一部分的变形能力，达到节省原料的目的。普旋工艺在中小批量生产和母线较复杂的回转体零件的生产中较一般冲压加工手段具有更明显的优势。1．2．2强力旋压强力旋压简称强旋。强旋工艺主要依靠坯料厚度的减薄来实现成形，坯料外径基本保持不变。根据变形规律和成形零件形状的不同，强旋又可分为两类：锥形件剪切旋压和筒形件变薄旋压，如图卜3。前者用于加工锥形、抛物线形和半球形等异型件，而后者用于筒形件和管形件的加工j有时两种方

7、法联合运用，加工各种复合形零件。按照旋压过程中金属的流动方向，强力旋压可以分为正向旋压(正旋)和反向旋压(反旋)。正旋时材料的流动方向与旋轮的进给方向一致，反旋时材料的流动方向与旋轮的进给方向相反。如图卜4。‘弋么(a)剪切旋压图1．3强力旋压(b)变薄旋压由于强力旋压减小毛坯的壁厚，因而旋压面积增大，在一次旋压中允许较大的变形量，故而强力旋压的生产效率大大高于普通旋压。(a)正旋图卜4流动旋压示