基于优化的金属环件冷辗扩成形数值模拟研究

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1、上海交通大学硕士学位论文基于优化的金属环件冷辗扩成形数值模拟研究姓名：张鹏飞申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：邢渊20050101基于优化的金属环件冷辗扩成形数值模拟研究摘要本文将新兴的多学科综合设计优化方法与新型的冷辗扩加工工艺相结合从优化的角度分析冷辗扩主要加工参数对环件成形精度的影响为生产工艺参数制定提供一定理论依据环件冷辗扩是一种连续局部变形的塑性成形新技术能够大大提高环件力学性能和使用寿命具有节能节材生产率高成本低等特点目前被广泛应用于轴承套圈的生产冷辗扩成形规律与热轧有很大不同目前对冷辗扩的研究还处于数值模拟和试验阶段没有形成较完善的理论体系环件加工过程中经

2、常出现的问题是:(1)难以确定芯辊的进给速度(2)导向辊的运动轨迹不合理(3)宽展变形难以控制芯辊进给速度过大环件圆度达不到要求反之则辗不透还会出现粘料的情况冷辗扩变形的复杂性导致无法通过理论公式计算出导向辊的轨迹曲线严重影响环件的形状精度宽展变形量也是无法预期的会影响环件的成形本课题的研究就是为了解决以上出现的问题本文采用弹塑性有限元方法对金属环件冷辗扩成形过程进行数值模拟计算利用多学科设计优化方法对成形关键工艺参数进行优化以芯辊的进给速度加工时间和环件毛坯尺寸作为冷辗扩工艺主要的设计变量冷辗环件的圆度作为主要目标参数根据有限元的计算结果得到设计变量与目标参数之间的耦合关系然后根

3、据优化设计的探索算法找到设计变量的最优化组合主要研究内容包括以下几个方面1考查现有冷辗扩加工工艺及冷辗扩设备根据具体的轴承套圈生产工艺建立环件冷辗扩有限元模型采用弹塑性材料模型和显式动力学有限元方法充分考虑实际加工过程中的材料非线性几何非线性边界非线性编制C++应用程序读入有限元分析的结果计算出冷辗扩后环件的圆度误差和其他参数2根据实际需要确定需要优化的冷辗扩工艺参数和优化要达到的目标并据此设计优化系统的数学描述和控制流程建立环件冷辗扩工艺优化系统优化系统集成了有限元分析程序C++程序和公式模型等子系统优化系统提供这些子系统的输入数据自行控制它们的运行并接受它们的输出通过优化算法建

4、立设计变量和目标变量的耦合关系搜索设计变量的最优化结果3从优化系统输出的结果分析主要工艺参数对环件成型精度的影响主要分析芯辊进给速度对环件圆度误差环件直径和宽展变形的影响阐述导向辊对环件精度的影响并设计出优化导向辊轨迹曲线的方法关键字环件冷辗扩多学科设计优化数值模拟圆度THEFEMANALYSISANDOPTIMIZATIONONTHEPROCESSINGPARAMETERSOFCOLDROLLINGFORMINGABSTRACTInthispaper,theintegrationofcoldringrollingwithmultidisciplinedesignoptimizat

5、ionwascarriedouttodescribetheeffectofprocessingparametersofcoldrollingonringroundness.Theseoptimizedprocessingparameterscanprovidetheoreticaldesigndatafortheprocessofmetalringcoldrolling.Coldringrollingisanadvancedformingtechnologywithcontinualandpartialringdeformation,whichsignificantlyimprov

6、esmechanicalperformanceandoperationallifespanofring.Thisformingtechnologyhasthecharacteristicthatreducematerialandimproveproductivity.Currentlycoldringrollingwaswidelyemployedformanufacturingbearingringsduetoitsadvantages.Coldringrollingwasdistinguishedfromhotringrolling,andonlysomeexperiments

7、andnumericalsimulationweredoneinthefieldofcoldrolling.Thefollowingthreeareproblemsthatfrequentlyappear:(1)It’shardtodeterminethefeedvelocityofidlerroll;(2)Thepathofguiderolldisplacementisunreasonable;(3)Unabletocontrolsidespreaddeformat