模环旋压成形过程的数值模拟与工艺优化

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大连理工大学顼士学位论文摘要筒形件强力旋压塑性成形方法被广泛地应用予卫星、导弹、航空、军械等工业部门。箭形{牛是应用于航空、航天、兵器等领域的一类重要零件。筒形件强力旋压生产中工艺参数的确定主要依靠工艺试验和技术人员的经验，有可能影响产品的研制、生产周期，导致成本增加，所以追切需要了解和掌握筒形件强力模环旋匿成形机理及规律，这是研究和发展该技术迫切需要解决的关键性问题。本文基于弹塑性有限元平台MSC．Marc，筒形件模环旋压为研究对象，采用数值模拟和理论分析相结合的方法，研究建立了该过程的三维有限元分析模型，并分析了模环旋压成形机理发工艺参数对其成形过程的影响规律。主要研究内容和结果如下；对筒形件模环旋压有限元计算孛的几何建模、鼹格划分、边界条俸和载衙的定义进行了分析，提出了适合筒形件模环旋压的处理措施。简述旋压成形有限元模拟相关的弹塑性有限元基本理论，包括虚功方程、增曩方程、弹塑性本梅方程以及有限元求解方程等。本文对模环旋压过程中的应力、应变进行了分析，研究了模环旋压中工艺参数的影响。研究了旋轮成形角、旋轮圆角半径、牵引速度、减薄率等对筒形件模环旋压中旋蘸力的影响。计算分析了旋压变形时的应力分布，并对旋压加王中的隆起现象进行了分橱，计算了旋压力，得到了工艺参数对隆起及旋压力的影响关系。计算结果表明，对于本文所描述的加工工艺条件下，采用成形角为20--25度，减薄率为25％-一30％，旋轮圆角半径为4．5mm～6．Omm，牵引速度为0．4mm／s．-4)．6mm／s范围时，成形工件质量较高。数值计算结果与试验结果吻合较好。该模拟计算为模环旋压工艺参数的确定与优化，提高产品质量提供了依据。关键词：篱形件；模环菔压；有限元；计算机仿真 模环旋压成形过程的数值模拟与工艺优化FEAnalysesonProcessofMouldRingPowerSpinningandOptimizationofTechniquesAbstractInthispaperFEMsimulationmodelwasfoundedaccordingtothecharacterofthedieandmouldringpowerspinningformationprocess．nleprocesshadbeenanalyzedbasedonathree—dimensionalelastic—plasticfiniteelementmodel．11leeffectsofprocessparametersanddeformingtheoryareinvestigated．nlecontentoftheprojectandmainresultsareasfollows：Tubepowerspinningisacomplexplasticvolumeformingmethodwidelyusedtoproducepartsinsatellite，missile，aviationetc．Cylinderareakindofveryimportantparts，widelyusedinaerospaceandmilitaryindustry，etc．111espinningprocessparametersthatwereusedneedtobedeterminedthroughprocesstestsandexperienceofengineers．Peoplespendmuchtimeonstudyingthetheoryintubepowerspinning．Researchonthedeformationmechanismanddeformationlawsoftubepowerspinning．Dieandmouldringpowerspinningisakeyproblemurgentlytobesolvedfortheresearchanddevelopmentoftubepowerspinning．Thegeometrymodelbuilding，meshing，refining，boundaryconditionandapplyingloadareanalyzed．Compatiblemethodsareappliedtothepowerspinning．TheElastic—plasticfmiteelementtheoryinterrelatedtospinningprocessisexplained，includingvirtualworkequation,incrementequation，Elastic-plasticconstitutiveequation，equationoffiniteelementsolution．乃砖stressandstraininspinningprocessareanalyzed．砀einfluenceofprocessparametersonspinningformingisalsoanalyzed．ThroughtheFEMmodel，theaffectionsofrollerformingangle，rollerangleradius，pullingspeed，reductionsofwallthicknessareduringdieandmouldringpowerspinningprocess．msector’SdistributionofspinningstressoninnersurfaceWasobtained．ThephenomenonofbuildupduringspinningprocessWasanalyzed，andspinningforceWasalsocalculated．nleeffectsofprocessparametersonbuildupandspinningforceweredemonstrated．Workpiecehashighqualityonprocessparametersofrollerformingangle：20-25degrees，milerangleradius：4．5mm---6．0mm，pullingspeed：0．4mm／s--0．6mm／s，andreductionsofwallthickness：25％～30％．111eresultsofsimulationagreewellwiththespinningexperiment．nleresultprovidesacertaintechnicalsupportandparameteroptimizationfordieandmouldringpowerspinning．Keywords：Cylinders；DieandModdRingPowerSpinning；FEM；CompmerSimulation 独创性说明作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理工欠学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 模环旋压成形过程豹数僮模拟与工慧优化大连理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师究全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使月规定’’，同意大连理工大学保留并岛国家有关部f_】或规构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。作者签名；趟导师签名： 大连理工大学硕士学位论文引言金属塑性加工技术是指金属坯料在模具的外力作用下发生塑性变形，被加工成棒材、板材、管材以及各种机械零件等技术，具有悠久的历史，是制造业的一个重要分支。随着国际市场竞争、知识经济和绿色制造的兴起，作为传统制造业的塑性加工面临着新的挑战，发展先进塑性加工技术已成为时代的需要。为适应当今社会的发展，迫切需要塑性加工的零件制造向强韧化、轻型化、优质、高效、低耗、精密的方向发展；要求工艺分析由定性走向定量，工艺设计由经验走向科学，这就要求塑性加工技术要不断吸收机械、材料、能源、计算机技术、信息技术和自动化技术等领域的成果。当前塑性加工的关键技术包括研究塑性成形规律和塑性加工过程模拟、用高新技术改造传统塑性加工技术以及新型加工方法的研究开发等【l捌。旋压成形技术是一种综合了锻造、挤压、拉伸、弯曲、环扎、滚压等工艺特点少无切削加工的先进工艺。它作为金属塑性加工学的一个分支出现在科学技术领域。旋压被认为是制造薄壁筒形件最有效的工艺方法之一，在加工大直径高精度薄壁筒体方面有着无可比拟的优势，在国民经济许多重要部门，特别是在航空、航天、兵器等金属精密加工技术领域占有十分重要地位。同其它加工方法相比，旋压成形的工件，可消除纵向焊缝，减少环向焊缝，提高综合质量。旋压加工具有节省材料、产品精度高、综合性能好、材料利用率高和高的表面质量等优点，具有广阔的应用领域。与国外相比，我国旋压技术尚存在较大差距，仍不能满足我国国民经济和工业发展的需要，因此加强旋压成形技术的深入研究是非常必要的p巧J。 模环旋压成形过程的数值模拟与工艺优化1绪论1．1塑性成形中有限元法的发展概况有限元法在金属塑性加工领域的应用最早始于20世纪70年代。30多年来，塑性有限元法已发展成为方法种类较为齐全、软件功能丰富、工程应用广泛的分析方法。金属塑性成形是一个非常复杂的三维弹塑性变形过程，既是物理非线性的，又是几何非线性的，而且边界条件很复杂，也是非线性的。从理论上讲，塑性有限元法可以模拟分析各种塑性成形工艺。但是，塑性有限元法的这种分析能力，除了与计算机硬件和相关的软件技术有关外，还取决于模拟大变形过程中的若干共性技术或关键技术。这些关键技术对塑性有限元模拟复杂问题的能力、模拟精度、计算收敛性和可靠性以及通用性起着至关重要的作用。它们包括任意形状模具的几何描述及其边界条件处理、牛顿—拉普森法迭代时初始速度场确定和减速系数优化、模拟过程中工件与模具接触边界的动态变化处理、大变形有限元的网格自动重分及其数据转换等。1982年，奥(S．I．Oh)提出了二维问题任意形状的模具边界条件处理方法及其刚塑性有限元法中初始速度场的自动生成算法。随后，小林史郎等对该算法做了进一步改进使之完善，称为直接迭代法，它大大提高了有限元模拟中速度场的牛顿一拉普森迭代法的收敛性。从20世纪80年代中期开始，许多研究者如奥库普、监凯维奇等，在弹性有限元网格自动划分技术的基础上，针对塑性大变形有限元模拟的特点，从二维有限元网格失效判断到网格重划分技术再到新旧网格数据转换，做了大量工作，取得了良好效果。同时，经过深入的研究，形成了基于运动学的自由点接触几何计算方法和接触点脱模的应力检验判据，以及接触点嵌入和偏离模具表面几何修正算法来解决工件与模具动态接触问题。上述各种关键技术的进步极大促进了塑性成形理论的发展，推动了塑性有限元软件及其应用的发展。模拟理论及其技术的日益成熟，为有限元模拟软件的商品化创造了条件，使软件从实验室开始走向企业，用于实际产品的开发和质量控制中。其中比较著名的商用软件有ANSYS、MARC、LS．DYNA、DEFORM等，这些商品软件除了对塑性成形问题分析功能较强外，还有良好的前后处理功能，用户界面比较友好。它们的出现和推广，极大地降低了人们进入有限元模拟领域的门槛、方便了人们的使用、大大促进了有限元模拟技术的应用睁‘71。随着数值模拟技术和软件技术的逐步发展，弹塑性有限元法在金属成形中的应用向着深度和广度发展，分析的问题几乎覆盖了所有成形工艺，分析对象的复杂程度也在不断增加。并且更加结合实际、面向生产，体现在以下几个方面： 大连理工大学硕士学位论文(1)通过对塑性成形工艺过程的模拟分析，确定各主要工艺参数对金属毛坯成形的影响，从而达到优化工艺参数的目的。(2)通过模拟实现对成形工艺及模具设计合理性的监测与评价，并能对产品的成形缺陷进行预测。(3)将有限元模拟与金属材料微观组织的变化结合起来，预测和控制热塑性变形过程中材料的微观组织。1．2国内外变薄旋压加工有限元分析现状及发展趋势长期以来，旋压生产通常依靠经验，反复试验，才能够确定合理的工艺参数、如旋轮成形角、旋轮运动轨迹、进给比等。随着有限元数值模拟技术在旋压成形中的应用，使研究从以试验为主转为计算机数值模拟与试验相结合，这将减少试旋的次数，降低成本，提高生产效率，完善旋压工艺。通过有限元软件建立三维有限元模型进行筒形件变薄旋压加工的有限元模拟，能够获得动态加工过程中毛坯的各向应力应变情况，能够观察任意时刻毛坯变形程度，能够得到不同工艺参数的改变对旋压加工结果产生的影响，预测在一组工艺参数的生产中可能存在的成形质量问题，具有很好的实践指导意义【8．9】。当前，采用数值模拟对旋压成形过程进行分析已成为旋压技术发展的重要手段。近十几年来，许多学者尝试用有限元法对旋压成形过程进行了分析。在筒形件变薄旋压加工有限元研究方面主要涉及到以下方面：文献【l㈦3】分别使用数值模拟和实验研究多道次旋压各加工道次对产品质量的影响及旋压成形过程中壁厚减薄问题，旋轮运动轨迹曲线做了深入研究，得到并确定了使用较大旋轮圆角半径和较小的进给比时可以提高工件质量，避免成形中缺陷的产生。文献【14】分析计算了封头旋压中间道次变形过程，假设旋压局部变形为小变形物理非线性问题，并初步探讨了封头件旋压的成形机理。文献Il孓16】采用显式动态有限元LS．DYNA3D和ANSYS软件对薄壁筒形件收口旋压变形和对缩口旋压变形过程进行了有限元模拟分析。文献【l”建立了筒形件强力旋压的平面应变力学模型，采用刚塑性有限元方法，模拟正旋和反旋成形过程。文献【17之o】采用三维刚塑性有限元方法，考虑了旋轮的几何轨迹，旋轮与毛坯的接触界面的形状，以及毛坯随芯棒的旋转运动，对筒形件反旋加工进行了模拟分析，得到旋轮作用区周向两侧存在两个产生切向收缩变形的区域，当两侧区域的收缩变形大于旋轮作用区的切向伸长量时，就产生了缩径，反之则产生了扩径。文献【2M列采用三维弹塑性有限元，以三旋轮筒形件强力旋压为研究对象，取毛坯的变形区域建立有限元模型，考虑旋轮与毛坯及毛坯与芯模的接触问题，通过给定旋轮初始位移进行加载，对反旋成形过程进行数值模拟，得到了变形区应力与应变场的基本分布规律，得出 模环旋压成形过程的数值模拟与工艺优化筒形件强旋时，与旋轮接触的坯料径向被压缩而沿轴向和切向伸长。文献[26-271应用ABAUQS软件，运用弹塑性有限元法，计算分析了强力旋压成形过程中残余应力的分布问题。文献【2¨1】采用数值计算方法分别研究了筒形件正旋和反旋时的旋压力，系统分析了旋轮工作角、旋轮圆角半径、减薄率、进给比、旋轮直径及毛坯原始壁厚等工艺参数对旋压力的影响。文献【32’33】用有限元对旋压过程进行了分析，得到了不同阶段下的网格畸变图及等效应变分布。文献【34】采用ADINA非线性有限元分析软件及改进的Kirchhoff等参单元对普通旋压工艺的不同阶段进行了数值模拟，并据此对普通旋压变形机理进行了分析研究，得到了正旋和反旋时不同截面上旋轮作用区及相邻区域的应力分布、应变分布、节点位移及节点力的分布规律，并分析了工艺参数对变形的影响。这些研究结果表明：减薄率、进给比、旋轮工作角、毛坯壁厚、材料性能等因素都影响旋压成形工件的质量和力学性能。在这些研究中，还存在着较多的局限和不足，如没有考虑旋压变形过程中的局部加载卸载问题。到目前为止，虽然有很多学者就旋压的变形机理、各工艺参数对旋压的影响、残余应力以及旋压力等进行了多方面的模拟计算，取得了很多成果。但关于旋压工艺数值模拟的研究仍存在问题。建立的有限元模型作了较大简化，使有限元模型与实际旋压情况相差较大，例如有的简化成平面变形问题，有的简化成轴对称问题，有的尽管采用三维弹塑性模型，但网格划分很粗，不能真实的反映出成形区域的变形情况。算法方面的问题旋压过程是动态非线性的，载荷和运动都是非线性的，而一般的有限元模拟软件采用的是静态隐式算法。其次对旋轮圆角半径，旋轮的进给运动都进行了简化处理。1．3选题的目的和意义强力旋压是一种无切屑加工工艺，强力旋压过程中，旋轮对坯料逐点压下，近似点接触，因此接触面小。单位接触压力高，适合加工高强度的难变形材料，并且所需总变形力较小，从而使功率消耗降低。旋压变形作为塑性加工的一个重要分支，尤适用于薄壁筒形件及回转体工件的加工。筒形件强力旋压由于具有加工变形力小、节约原材料、生产效率高、产品质量好、可改进工件的刚度和强度等优点，被广泛地应用于航天、航空等工业部门。筒形件强力旋压是一种复杂的塑性变形过程，变形机理非常复杂，既存在物理非线性，又存在几何非线性。旋压零件的成形和成形精度受多种因素和工艺条件的影响，成形工艺的制定和优化一直是该领域的一大难题。实际加工中对变形机理分析比较困难，目前理论分析的假设过于简化，旋压过程中塑性变形的信息较难获得。一4一 大连理工大学硕士学位论文计算机硬件的发展，为有限元软件的发展提供了条件。1970年H．D．Hibbit矛lJ用Lagrange描述提出大变形弹塑性有限元列式以来，大变形弹塑性有限元不断完善，解决了一些实际问题，为筒形件强力旋压有限元模拟提供了可行的手段。通过模拟可以对金属加工过程中金属流动过程进行分析，从而得到流动规律、应力应变分布，预测金属成形过程中可能出现的缺陷，及对工艺参数进行优化。强力模环旋压方法是在内旋压基础上的改进技术，模环旋压相比其他种类的旋压方法，其模具制造成本较低，可以使用同一模具生产出不同内径和不同长度的工件，加工工件的表面具有较高的硬度和表面光洁度。旋压成形工艺参数的影响因素较多，新品研制通常需依靠经验，反复试验，才能够确定合理的工艺参数。利用计算机数值模拟方法，将对旋压成形前的工艺优化和工件质量预测，具有重要的指导意义。近年来，虽然许多学者曾尝试用有限元方法分析旋压的成形过程，对外旋成形和应力分布进行了分析和研究，但就模环旋压成形过程的数值模拟却少见报道。1．4课题主要研究内容1)根据模环旋压工作原理图建立符合实际情况的几何模型，在保证模型符合实际加工情况条件下做到模型的合理简化，建立三维有限元模型。2)有效而合理的单元划分，以及合理制定出工件、旋轮、模环之间的接触条件和工件的运动边界条件和材料参数。3)通过对工艺过程和模拟结果分析，掌握模环旋压变形过程应力场、应变场、旋压力等工艺参数的分布规律，并对隆起、扩径、扭转等缺陷进行分析，解释筒形件旋压的变形机理和缺陷产生的原因。4)得出制订合理工艺参数，进行试制。 模环旋压成形过程的数值模拟与工艺优化2模环旋压成形加工介绍2．1旋压成形加工简介现代金属塑性加工是介于原材料生产与最终产品制造之间的零件加工与生产的重要方法之一，是制造业的一个重要组成部分，其依靠塑性变形实现工件形状和尺寸变化。金属的塑性成形不仅原材料消耗少、生产效率高、产品质量稳定，而且还能有效地改善金属内部的组织性能等特点，现已成为当今先进制造技术的一个重要发展方向。制造部门的广泛需求及当今科学技术的发展为塑性加工的新工艺和新技术的发展提供了强大支持和机遇，发展先进塑性加工技术已成为当今时代的需要。旋压成形作为塑性加工的一个重要分支，在加工大直径高精度薄壁筒体方面有着无可比拟的优势，在航空、航天、兵器等金属精密加工技术领域占有重要地位。它是一种综合了锻造、挤压、拉伸、弯曲、环轧、横轧和滚压等工艺特点的少无切削加工的先进工艺，旋压成形技术是利用旋压工具对旋压坯料施加压力，使之产生连续的局部塑性变形而成形为所需要的空心回转体零件的塑性加工方法。旋压成形技术是制造薄壁回转体零件常用的一种工艺方法，可以完成拉深、缩径、翻边、卷边、收口等多种不同的成形工序。旋压成形同其它加工方法相比，旋压成形件具有产品精度高、综合性能好、材料利用率高等优点。目前，国内外的旋压技术己日臻完善，不论在工艺研究、设备设计与制造，还是理论研究和应用等方面都有很大的发展。旋压技术发源于中国，公元前殷商时代曾使用旋轮制作陶瓷制品，唐代的银器有普通旋压成形的痕迹。13世纪旋压技术传入欧洲后又传入美国，世界上第一个金属旋压技术专利于18世纪出现于德国。作为近代塑性加工中的一个新工艺，20世纪60年代以后世界各国学者先后对普旋和强力旋压进行了理论分析和试验研究。我国在20世纪60年代初期，北京航空工艺研究所开始了强力旋压的工艺研究，并研制出SY系列强力旋压机床。此后，多家科研院所都开始对旋压工艺进行研究。一些科研成果为旋压设备设计、制造、旋压工艺制定、旋压产品加工后处理等提供了理论依据，许多自行设计和制造的新型、高精度、高自动化程度的旋压设备及各种专用旋压机不断涌现。目前，强力旋压已获得了较大的发展，在旋压工艺、设备设计制造、理论研究及技术推广等方面都取得了很大的成绩。强力旋压以其独特的优异性能已被广泛应用于我国的卫星、导弹、航空、航天、舰艇、军用机械、冶金、通讯等各工业部门。一6一 大连理工大学硕士学位论文但是我国旋压技术的发展状况与国外先进水平相比无论是在产品种类、尺寸精度、设备能力和自动化程度等方面，还是在工艺理论研究方面，都有较大差距。诸多科技工作者正在致力于该项研究工作。2．2筒形件强力旋压分类及特点2。2．1筒形件强力旋压分类旋压是利用旋压工具对旋转毛坯施加压力，坯料产生连续的局部塑性变形从而得到所需的回转体成形工件的塑性加工方法。旋压成形过程为：用尾项将毛坯夹紧，芯模和毛坯在主轴带动下一起旋转，旋轮做进给运动，并在摩擦力的作用下白转，使得毛坯连续逐点地变薄并贴靠芯模而成为所需的工件。旋压分为普通旋压和强力旋压，以及各种派生旋压法。普通旋压(不变薄旋压)：在旋压过程中，只改变毛坯的形状，直径增大或减小，而其厚度不变或有少许变化的称为普通旋压。普通旋压的基本方式主要有：拉深旋压(拉旋)、缩径旋压(缩旋)、扩径旋压(扩旋)三种。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，如图2．1(a)所示。扩径旋压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，如图2．1(b)。缩径旋压与扩径旋压相反，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，如图2．1(c)所示。 模环旋压成形过程的数值模拟与工艺优化证)a)拉深旋压b)缩径旋压c)扩径旋压图2．1普旋压示意图Fig．2．1Sketchmapoffingspinning强力旋压(变薄旋压)：在旋压过程中，不但改变毛坯的形状，而且显著地改变(减薄)其壁厚的旋压方式称为强力旋压。按照旋压时金属流动的方向，筒形件挤出旋压分为正旋压和反旋压，如图2．2所示。‘a)反旋b)正旋图2．2强力旋压示意图Fig．2．2Sketchmapofpowerspinning正旋压时，已旋压金属处于拉应力状态，而未旋压部分则处于无应力状态，并随同旋轮向进给方向流动。扭矩是由芯模经毛坯底部和已旋压而变薄的壁部与芯模之间的摩一8一 大连理工大学硕士学位论文擦来传递，最后传到旋轮上。反旋压时，未旋压部分的毛坯处于压应力状态，而已旋压的金属则处于无应力状态。在旋轮进给推力作用下，由此接触端面间摩擦力，并经未减薄的原始壁部来传递扭矩。旋轮从另一端开始旋压，被挤出的金属向着旋轮进给方向相反的方向流动。正旋压常用于筒形件成形，优点是：旋压力小，工件贴模性好，产生扩径和金属堆积较小。反旋压常用于管形件成形，优点是：工件长度不受芯模长度和旋轮纵向行程的限制，固定坯料的夹具较简单。正旋压的优点正好可弥补反旋压的不足，而反旋压的优点又正好可弥补正旋压的不足。不过，在相同条件下，正旋压的极限变薄率较反旋压的高，因而正旋压时旋轮接触角和进给比的选择范围比较大。按工件外形不同，可分为锥形件强力旋压(包括凸、凹形曲母线回转体件)、筒形件强力旋压以及异形件强力旋压三类。锥形件强力旋压需采用板坯或较浅的预制空心毛坯，筒形件强力旋压则须采用短而厚、内径基本不变的筒形毛坯，异形件是指兼有锥形和筒形段的工件。另外根据变形中材料流动性质的区别，称锥形件强力旋压为剪切旋压(ShearSpinning)，称筒形件强力旋压为流动旋压(ExtrudeSpinning)。按旋压时加温与否可分为冷旋与热旋，通常情况下采用冷旋，即在室温下强力旋压，特殊情况下(材料冷态塑性差、设备能力不足)则采用热旋，即加温强力旋压。按旋压工具不同可分为滚珠旋压与滚轮旋压，滚珠旋压一般限于薄壁等截面直筒，用于加工波纹管管坯及其它薄壁件，实际旋压生产中多采用滚轮强力旋压。按轮数的不同，可分为单轮和多轮(二轮、三轮等)旋。按旋轮及芯模与毛坯的相对位置，可分为外旋和内旋，通常相对于毛坯而言，旋轮在外，芯模在内称为外旋；旋轮在内，芯模在外称为内旋，在有特殊要求时，如工件直径较大，则采用内旋的加工方式。2．2．2筒形件强力旋压优缺点由于强力旋压具有自身加工的优越性，因而近几十年来一直在不断的发展与革新，并日益扩大着其应用范围。与其他成形工艺相比，强力旋压主要有以下几个特点：(1)强力旋压属无屑加工，因而材料利用率高、省工时、成本低。(2)强力旋压过程中，旋轮对坯料逐点压下，近似点接触，因此接触面小。单位接触压力高，适合加工高强度的难变形材料，并且所需总变形力较小(1～100吨)，从而使功率消耗大大降低。(3)强力旋压属轴向拉延(区别于拉深成形等径向拉延方式)。变形区的材料处于二向或三向的压应力状态。(4)强力旋压属稳态逐点变形。瞬时成形范围小，未成形部分不易失稳。尤其适一9一 模环旋压成形过程的数值模拟与工艺优化于加工相对深度大的整体空心件。(5)强力旋压的变形方式便于采用局部加热进行热旋，可用来成形稀有金属、超高强度钢、粉末压制或特种铸造的坯料。(6)强力旋压属半模成形，因而不需要成套模具。(7)强力旋压成形时，坯料沿整个厚度上产生剧烈塑性变形，相当于对毛坯材料进行一次检查。毛坯中的严重夹渣、杂质、分层及不合格的焊缝都会因旋裂而暴露。(8)坯料的金属晶粒在三向变形力(切向变形力、径向变形力、轴向变形力)的作用下，沿变形区滑移面错移。晶粒的伸长随着变形量的增加而增加，滑移面各滑移层的变形方向与变形方向十分一致，因此，金属纤维保持连续完整，由于金属晶格结构中的应变，致使旋压制品的强度提高，即制品硬度、抗拉强度和屈服极限增加，强力旋压后材料晶粒细化。(9)强力旋压属于精密压力加工，在旋压过程中，旋轮不仅对被旋压的金属有压延的作用，而且还有整平的作用，制品表面粗糙度低，具有很好的光洁度，在良好的旋压条件下，旋压件外表面的粗糙度可达1．6．0．8，经多次旋压的外表面粗糙度最好可达0．4。尺寸精度高达士O．0254．0．127毫米。(10)工艺和装备简单、所需设备吨位小强力旋压中，在变形区由于有利的应力状态，一道次毛坯厚度变形可达25％一70％，与拉伸相比，成形次数可以减少3～5次。而且旋压变形工序之间一般不需要进行热处理等中间工序，所以与其他工艺相比，工序数少，工艺装备也大为简化。由于强力旋压是逐点渐进变形，因而旋轮对工件的加压面积非常小，尽管单位压力很大，但总压力并不大。因此，为完成同样的变形量，所需旋压机的吨位仅是一般压力机吨位的十分之一至二十分之一。‘(11)有自动检测的功能强力旋压时，沿整个厚度上产生剧烈变形，相当于对毛坯材料进行了一次检查。毛坯中的严重夹渣、杂质以及不合格的焊缝等都会旋裂而暴露。和所有的工艺方法一样，强力旋压也存在着一系列局限性：(1)除了薄壁回转体零件外，其它复杂形状的零件用旋压法生产往往是不经济或难以加工的，而且旋压的坯料厚度不能太大。(2)旋压工件的内形(外旋时)或外形(内旋时)需平整以利材料流动。(3)旋压件需有一定长度以保证经济上的合理性。(4)毛坯材料需有一定的可旋性，如普通铸造材料就不能旋压。(5)影响产品质量的工艺因素较复杂，对旋压设备和操作技术的要求较高，需采用一定复杂程度的专用旋压机。 大连理工大学硕士学位论文(6)需有适宜批量。一般来说强力旋压适于年产数十至上万件的批量生产，但有时也适于更大或相对较小批量的生产。有时即使是单件生产也可由强力旋压来完成。(7)在许多情况下，要与冲压、锻造、焊接、机加工、热处理和整形技术配合才能制造出所需零件。2．3模环旋压简介旋压按旋轮的位置可分为外旋压和内旋压。筒形件内旋压以带内筋筒形件为主，坯料外壁紧贴模套内壁，依靠内旋轮与模套内壁的间隙控制工件壁厚，内旋压工艺主要用于较大直径、外表面要求较高的质量和带端框或内加强筋的工件成形，该工艺方法在航天工业弹舱类结构件应用广泛。筒形件强力内旋压成形原理如图2-3所示。2卜模具2一坯料3一旋轮图2．3筒形件强力内旋压示意图Fig．2．3Sketchmapoftubeworkpiece’Sinternalspinning模环旋压是内旋压成形方法的技术革新，模环旋压法在工件上也施加外载荷，但改变了原来内旋压过程中成形模具、工件和旋轮的相对运动及变形力量分配，形成新的旋压成形技术。模环旋压原理如图2．4所示。 模环旋压成形过程的数值模拟与I：艺优化1一牵引结构2一模环3一旋轮4一坯料图2．4模环旋乐示意图Fig．2．4Sketchmapofdieringspinning旋轮和成形模具在轴向相对位置保持不变，坯料在机床主轴的带动下转动，同时在端面拉力和推力的作用下，材料通过旋轮和成形模具之间的间隙时产生塑性变形，实现旋压变形。由于成形模具相对其它旋压成形模具长度尺寸较短，基本为厚壁圆环，所以称为模环旋压。2．4模环旋压机介绍2．4．1旋压机概况随着旋压设备的发展，液压与电器的有机结合控制了旋压机的运行程序，在计算机自动控制的基础上发展了数控与逯返系统。由于航空、航天、导弹、火箭技术的发展，旋压技术由手工普通旋压发展为CNC数控强力旋压，提高了旋压成形的技术水平。旋压机的结构和运动方式与仿形车床相似。它一般由床身、主轴箱、旋轮座及尾座等主要部件组成。并能完成旋转运动和进给运动二项主要动作。旋压机的主要特点：(1)旋轮座具有足够的轴向和径向拖动力以克服较大的轴向和径向分力。在大、中型旋压机中常采用2．3个旋轮同时工作以平衡径向旋压分力的作用，减少成形模具的挠度与跳动并改善主轴轴承受力状况；(2)主轴具有足够的传动功率以满足在较高转速下承受一定的扭矩的需要；(3)床身、主轴、旋轮座和尾座等主要受力部件具有足够的刚度，以减少机床的弹性变形和振动，保证旋压成形质量； 大连理工大学硕士学位论文(4)尾座做为动筒具有足够的压紧力，以防止毛坯相对成形模具转动，提高机床转动部分的系统刚性：(5)机床主轴采用重型滚动轴承以承受旋压力和尾顶力的作用；(6)机床的电气、液压系统，尤其是控制系统中的同步系统能够保证旋压时各项动作的完成并满足一定的精度要求；(7)机床具有零件项出装置、背压轮装置、旋轮及旋轮架装置等为旋压成形服务的特殊装置。2．4．2旋压机分类和特点随着旋压技术的发展旋压机也迅速发展，目前旋压机向着系列化和多功能化等方向发展。旋压机种类和数量也越来越多，按照其特点可分类为：1．按照运动方式(1)主轴旋转，旋轮座轴向往复运动，径向仿形运动。这是应用最普遍的一种旋压机形式。(2)主轴旋转，同时作轴向往复运动，旋轮座只作径向仿形运动。这种形式的主轴结构比较复杂，刚性较差。(3)主轴往复运动，旋轮座旋转。该形式主要用于中小型立式旋压机，用于不带加强筋及台阶的直管。(4)主轴旋转，旋轮及其驱动油缸装在一个可绕一固定轴线摆动臂上。转臂的摆动可实现半球形的仿形运动又可实现旋轮攻角恒定的要求。2．按照主轴方位(1)立式旋压机：立式旋压机占地面积小，大型模具不会因自重而偏离中心位置，便于装卸模具。但是受刚性限制，旋轮轴向行程不能太大，要求厂房高度较高。在多个旋轮的情况下，工作开敝性差，操作不方便。(2)臣1-式旋压机：卧式旋压机的床身和旋轮座导轨等牢固地固定于地基上，机床刚性好，能用于较长工件旋压。3．按照旋轮数量(1)单旋轮旋压机：它开敞性好，操作方便。但径向旋压力不平衡、主轴受弯矩。适合于旋压力不大的粗短工件。(2)双旋轮旋压机：由于其旋轮对称分布，径向旋压力得以抵消，具有较宽的适用范围。但要求旋轮和模具的中心完全在同一直线上时，才能实现模具受力平衡。由于模具和旋轮制造及其安装误差等因素影响，模具容易偏离平衡位置而产生弯曲和跳动。 模环旋压成形过程的数值模拟与工艺优化(3)--旋轮旋压机：三旋轮旋压机的旋轮配置有均布和不均布两种形式。其中三个旋轮呈120。对称分布可以使模具所受的径向力完全平衡，是比较普遍采用的形式。4．按照旋轮运动轨迹控制方式按照旋轮轨迹控制方式，旋压机分为手工操作、机械仿形、液压仿形和数控四种，这四种控制方式也标志着旋压机发展的四个阶段。(1)手工控制旋压机：它是旋压机的最早形式，其加工能力受人工体力及技术熟练程度的限制，但在某种情况下是自动化机床不能代替的。(2)机械仿形旋压机：它在自动化程度和加工能力上有所提高，但由于仿形机构的爬升角有限、靠模力大和调整复杂等因素，用途有限。(3)液压仿形旋压机：它以压力油为动力推动旋轮，以液压或电液仿形系统控制旋轮轨迹，这种控制方式应用比较广泛。‘(4)数控旋压机：将数字控制技术应用于旋压机，可以实现精确控制，多轴联动，信息传输，是目前旋压机普遍采用的控制方式。2．4．3模环旋压机工作原理旋压机的工作方式为：主轴旋转，带动传动套筒及模环模具一起旋转。虽然工件毛坯外表面与模环模具之间具有小间隙，但是通过顶料缸、键、端面齿盘带动工件毛坯与模环模具一起旋转。旋轮在数控系统控制下由伺服电机实现径向进给，同时通过纵向进给轴带动纵向滑体沿着机床导轨纵向运动，实现旋轮轴向进给。数控系统控制纵向进给轴带动牵引机构沿着机床导轨纵向运动，实现工件的牵引运动，从而实现模环旋压运动。2．5模环旋压变薄旋压加工成形原理2．5．1模环旋压变形力学分析模环旋压过程中，整个工件可以分为三个区域：旋轮与工件相接触的变形区，旋轮工作行程后的已变形区以及前方的未变形区，如图2．5所示。 大连理工大学硕士学位论文卜已变形区2一变形区3一未变形区图2．5模环旋压工件上三个区域示意图Fig．2．5Sketchmapofthree8xea8011dieringspinning’Sworkpieee在旋轮工作行程前的未成形区域，材料承受轴向推力和变形区材料变形抗力，传递机床主轴扭矩，该区域内材料受力状况如图2．6(a)所示。在该区域内所有材料质点的受力情况是相同的，在所选取的坐标系内，任一质点的应力状态如图2．6(b)所示，可以表达为：吒2磊at万t=0％=0M2M％2砀2—27rr—t*r2—，rd—2t乞=乇=％=TOr=0其主应力可表达为：q=詈+厚Wq5j+√彳+％‘吒=詈一√ff2+ra,2吒。j一正=0(2．1)(2．2)(2．3)(2．4)(2．5)(2．6)(2．7)(2．8) 模环旋压成形过程的数值模拟与工艺优化主应力方向如图2．6(C)所示。a)。毋Tgz嘎自b)c)图2．6未变形区应力分析图Fig．2．6Sketchmapofstressinlm—deformedarea在旋轮与工件相接触的变形区域，材料在轴方向上承受未变形区域界面的推力，承受已变形区域界面的拉力，旋轮接触界面在轴向的推力以及摩擦力，工件与模环之间的摩擦力。在直径方向承受旋轮接触界面的正压力分力和模环对工件的抗力。在圆周方向上承受旋轮接触界面的正压力分力，模环与工件之间的摩擦力。在旋轮行程后的已成形区区域内，材料主要承受轴向拉力作用，由于工件转动产生的扭矩远小于其它方向力量，可以忽略。2．5．2模环旋压变形时材料流动场分析在模环旋压工程中，材料在牵引力的作用下以一定速度通过旋轮和成形模具之间的间隙在轴向延伸变形。由于牵引力是被动的，牵引速度是可以控制的，而且牵引速度与材料性质、旋压压下量、旋轮角度等密切相关，也就是决定于材料变形流动场。当旋轮相对成形模具在轴向不作进给运动时，牵引速度就相当于筒形件强力旋压时的轴向进给速度。因此，牵引速度是模环旋压工艺中的重要工艺参数。由于旋压过程中旋轮连续局部以螺旋线方式加载，材料在成形模具旋转方向产生数值不大的偏转，在厚度方向工件的内外层之间亦有数值不大的轴向偏转，如图2．7所示。这些偏转相对材料轴向流动变形，数值很小，因此可以忽略偏转，采用平面应变的假设分析模环旋压过程中材料的流动和变形情况。 大连理工大学硕士学位论文a)。{萎oz侈图2．7已变形区应力分析图Hg．2．7Sketchmapofstressi11def．o咖edarea如图2．8所示，将整个流动场划分为未成形区I、成形区II和已成形区III三个区域。在未成形区和已成形区中，质点分别以流动速度vo和vf平行于z轴流动。在成形区中，各质点都向着O点流动。在以O点为圆心，半径为r的圆弧上，各质点的流动速度是相等的。图2．8模环旋压的材料流动区域Fig．2．8Mat萌Mflowfiddofdie血gspinlliIlg在图2．8中还存在着下列几何关系：丛：鱼：二l—yflf、一Vt‰：÷D_sinQ口乃2南(2．9)(2．10)(2．11) 模环旋压成形过程的数值模拟与工艺优化在式中?。是表达变形程度的厚度减薄率，可以表达为：纠专旺㈣按照塑性流动连续性的要求：Voto2Uflry=—voroc—osO，．(2．13)(2．14)式中v为沿一定角度?(??>?>0)向0点流动的质点在一定半径r(r0>r>rf)处的流速。由此可见在II区中，越靠近内层和越接近III区，流动速度v越快。综合上式还可以变化出Vo=吩(1一％)(2．15)以上各式中的vo、v、Vf各值都是流动场中各区材料对旋轮的相对速度。以进给。在模环旋压工艺过程中，进给率可以用牵引速度f表示，则：y，=f(2．16)Vo=l，，(1一％)=f(1-{f，，)(2．17)这样，如已知毛坯厚度to、工件厚度tf和己成形区质点流动速度Vf(即牵引速度)，可以确定在不同时间T，某质点在?角的流层中所处位置，当质点在I区时，其位置z=voT=1，，(1一％沙(2．18)当质点进入II区后，其距O点的距离，2％1+2cosO(1一cos口)一—2v：(1-V／,)c—ososinap丁气嗑卜训删+南[华一一]) 大连理工大学硕士学位论文按照以上各式可以确定任一毛坯质点在不同变形瞬间所处位置或是在某一瞬间网格的变形情况。图2．9是由上述分析得出的模环旋压理论变形图形。图2．9模环旋压的材料流动Fig．2．9Materialflowofdieringspinning 模环旋压成形过程的数值模拟与工艺优化3强力旋压有限元模拟基础3．1数值模拟方法金属塑性成形过程的有限元法，根据材料应变与位移以及应变与应力之间的关系不同，有限元法可分为小变形弹塑性有限元法、有限应变弹塑性有限元法、刚塑性有限元法和刚(粘)塑性有限元法[43枷】。“有限元法"这个名称，第一次出现在1960年，当时克拉夫(R．W．Clough)在一篇平面弹性问题的论文中应用过它。但是有限元法分析的概念却可以追溯到20世纪40年代。1943年，库兰特(R．Courant)第一次在他的论文中，取定义在三角形区域上的分片连续函数，利用最小势能原理研究了St．Venant的扭转问题：然而，此方法发展很慢，几乎过了十年再次有人用这些离散化的概念。1956年特纳(M．J．Tumer)、克拉夫(R．W．Clough)、马丁(H．C．Martin)和托普(L．C．Topp)等人，在他们的经典论文中，第一次给出了用三角形单元求得的平面应力问题的解答。他们利用弹性理论的方程求出了三角单元的特性，并第4次介绍了今天人们熟知的确定单元特性的直接刚度法。他们的研究工作随同当时出现的数字计算机一起打开了求解复杂平面弹性问题的新局面。1967年，P．V．Marcal和P．King用有限元法求解弹塑性问题，开始了有限元在塑性领域中的应用。1968年山田嘉昭Ⅳ．Yamada)等推导出了弹塑性小变形问题的应变矩阵显式，大大推进了小变形弹塑性有限元法的发展和应用。1970年，H．D．Hibbit等首次利用Lagrange描述法提出了建立在有限变形理论基础上的大变形有限元列式。70年代中期Osias，R．M．McMeeking等采用Euler描述法建立了大变形弹塑性有限元列式。此后，大变形弹塑性有限元法不断完善。弹塑性有限元法考虑包括弹性变形的金属变形全过程，它以Prandlt．Mises方程为基础，在分析金属成形问题时，不仅能按照变形的路径得到塑性区的发展状况、工件中的应力、应变分布规律和几何形状的变化，而且还能有效地处理卸载问题，计算残余应力。因此，弹塑性有限元法主要应用于弹性变形无法忽略的成形过程有限元模拟。但弹塑性有限元法要以增量方式加载，尤其在大变形弹塑性问题中，由于要采用Lagrange或Euler法来描述有限元列式，所以需要花费较长的计算时间，效率较低。在大变形的金属成形问题中，有时可以忽略其中的弹性变形，采用刚塑性材料模型。1971年德国的Lung与1973年美国的S．Kobayashi和C．H．Lee分别提出了基于变分原理的刚塑性有限元法，用Lagrange技术施加不可压缩条件，不象弹塑性有限元法那样用应力、应变增量求解。1979年，O．C．Zienkiewicz等给出了罚函数法刚塑性有限元法。刚 大连理工大学硕士学位论文塑性有限元法忽略了金属变形中的弹性变形，以速度场为基本量，形成有限元列式，这种类型主要有刚塑性有限元法和刚(粘)塑性有限元法。刚塑性有限元法虽然无法考虑弹性变形问题和残余应力问题，但计算程序大大简化，在弹性变形较小甚至可以忽略时，采用刚塑性有限元法可以达到较高的计算效率。刚塑性有限元法通常只适用于冷加工，对于热加工(在结晶温度以上)应变硬化不显著，而对变形速度有较大的敏感性，因此热加工时要用粘塑性本构关系，相应的发展了刚(粘)塑性有限元法。0．C．Zienkiewicz等把热加工时的金属流动视为非线性Newton型不可压缩(粘)性流体，导出了刚(粘)塑性有限元列式，S．Kobayashi和S．I．Oh在fliJ(粘)塑性材料变分原理的基础上，也导出了类似的刚(粘)塑性有限元列式，目前刚(粘)塑性有限元法是国内外公认的分析金属塑性成形问题最先进的方法之一【4&52l。1973年和1982年C．H．Lee和S．I．Oh等人将有限元方法用于模拟金属成形过程，为金属成形设计和生产提供了一种崭新的技术，这种技术在80年代中期被几家美国航空公司用于实际生产。我国自80年代末开始用有限元技术解决金属成形问题以来，取的了很大进展，但在软件开发方面起步较晚。目前，塑性加工领域的有限元模拟研究主要集中在板料成形和体积成形等方面。近几十年来，有限元模拟技术无论在板料成形(sheetfoming)方面，还是在体积成形(Bulkforming)方面，均取得了很大的进展。综观目前的现状，有限元数值模拟在金属塑性成形领域的应用主要有以下发展趋势【53-60]。1)对有限元模拟技术的不断丰富和完善有限元法的理论日臻成熟，但在算法上还需不断改进，对数学模型的建立还需探索更有效的方法；增加误差分析和控制能力；增加自身适应能力和求解过程参数优化功能以提高计算精度和计算效率。在具体实现的过程中会遇到诸多问题，如模型的建立、边界初始信息的自动生成、初始速度场生成、网格畸变后的重划分、迭代过程的选取、摩擦边界的处理、模拟结果后处理等等，许许多多的学者和工程技术人员对上述各种模拟技术问题进行了深入广泛的研究和探讨。如林新波等人研究了金属材料流动应力模型对有限元仿真精度的影响；傅沛福等人研究了生成初始速度场的有效方法；Ch．PavanaChand，J．Zhu和D．Y．Yang等人研究了网格再划分问题；陈军等人研究了刚塑性有限元中产生误差的原因及改进方法；詹艳然等人研究了刚塑性有限元模拟中罚因子的选取，Xiao．LinLi等人全面研究了刚塑性有限元模拟中Newton-Raphsion迭代收敛速度问题；F．Grosman深入分析了数值模拟中流动应力模型的问题；S．B．Petersen等人研究了场量彩色动态云图的生成原理和 模环旋压成形过程的数值模拟与工艺优化实现过程。这些有益的工作推动了有限元模拟技术的发展，但有限元模拟技术仍需在理论与具体实现中不断地研究与完善。2)与CAD／CAM技术的集成化成形过程中的有限元仿真技术CAE作为可靠的检验优化环节，越来越多的应用于集成化的模具制造中，以加快模具的开发过程。有限元模拟技术在金属成形中的广泛应用以及CAD／CAM技术的普遍使用，使得有限元数值模拟技术与CAD／CAM技术的集成化成为目前一个十分重要的发展趋势。3)成形过程的三维模拟是一个国际研究热点随着计算机软硬件技术以及有限元模拟技术的发展，有限元法在金属成形的二维问题解决方面的应用己经很成熟。但在三维成形有限元模拟方面，其应用还不成熟。由于在实际金属加工过程中，绝大多数是属于无法进行二维简化的三维问题。所以，金属成形过程的三维有限元模拟技术研究一直是该领域的一个热点问题。当前的有限元模拟研究主要有以下的技术难点，也是未来的主要研究方向。网格生成是几何定义与有限元分析的桥梁，复杂三维问题网格生成以及重划分仍旧是有待解决的难题。三维网格具有空间几何实体描述和三维网格的自动生成算法的复杂性，使得三维网格(尤其是六面体网格)的生成和重划分成为制约有限元技术发展的瓶颈。3．2增量方程“金属塑性成形时，材料的弹塑性行为与变形历史和加载过程有关，计算中通常将载荷分解为若干个增量，然后对于每一载荷增量，将弹塑性本构方程线性化，从而使原来的非线性问题归化为一系列线性问题。设在某个加载阶段外载荷有一增量，即在变形体内体力增量为蚯，在面力边界墨处，面力增量为△正，在位移边界处&，有位移增量△瓦，设加载前变形体内的应力、应变和位移分别为％t、毛t、∥功t日载后变为u驴t+出、占笋址、∥；Ⅷ。则有O-{，t+出=∥；+Ao-i『(3．1’g笋出=g；+A6扩(3．2)∥；Ⅷ=∥卜△肛(3．3)它们应该满足的方程和边界条件是：平衡方程：盯耋f+Z’+Ao-彬+鹾=0(3．4) 大连理工大学硕士学位论文应变和位移关系：s；+△白=丢(∥：，+∥抄三(掣一卸∥应力与应变关系：△％=％ep△％边界条件：Z‘+△正=霉+△霉p：+△】ul=面i+&再I(3．5)(3．6)(3．7)3．3虚功原理当结构系统是保守系统，外力在变形位移方向上对弹性体做功。则对这样的物体在变形时所做的功，可以看成是储存在物体中的能量，成为应变能。因此应变能可以看成是弹性体变形时，它所吸收的能量。在讨论弹性系统的能量时，不仅要考虑外力所做的功，还要考虑和变形相对应的应力所做的功，即应变能。设在变形过程中的某一时刻t，在体积为v、表面积为S的物体的一部分表面上，作用的表面力矢量的分量为Z，物体的单位体积力的分量为f。虚功原理：对载荷系(力系)作用下，处于平衡状态的变形体给予符合约束条件的微小虚位移时，外力在虚位移上所做的虚功，必等于变形体内应力在虚应变上所做的虚功。根据虚功原理我们可得虚功方程：Jz国，出+jf国，dV=j瑟】【『dy(3·8)露y若用速度变分西。代替上式中的位移变分面，，则可以得到虚功率方程：jz机出+Jf以dV=jo'uSeUdy(3·9)毛y式中，仃，，——欧拉应力张量的分量；西．——物体内质点的虚速度分量；s。——阿尔曼斯应变张量分量。 模环旋压成形过程的数值模拟与工艺优化3．4有限元方程的建立3．4．1空间有限元离散化离散化就是把一个给定的区域离散成有限个具有简单几何形状的单元的集合即用一个有限元网络代替给定的区域。在进行离散化时，需要选择单元的数目、类型、形状，确定网格的疏密。从选择单元形状方面考虑，就是形成的网络要尽可能准确地代表原来的区域。单元节点的选择首先在于它能反映单元的形状【61舵】。在位移函数收敛的前提下，网格划得越密(即单元尺寸越小)计算结果越精确。另一方面，网格越密，单元越多，计算时间和费用将增加，同时也会受到计算机容量的限制。因此，划分网络要兼顾精度和经济性。而且，经验表明，当网格加密到一定程度后，再加密网格，精度的提高不明显，这将造成经济上的浪费。根据解析法的理论知识，在应力梯度大的区域，即接触区及其附近，单元小一些，网格密一些，而且网格划分应由密到疏逐渐过渡。在建立旋压加工有限元模型，定义单元类型时，必须考虑不同部件不同材料属性的特殊性，慎重进行选择。否则可能会出现求解过程不收敛、计算时间过长或者计算过程被终止。有限元分析中常用的单元拓扑结构类型，有实体单元、壳单元、梁单元等。例如MSC．Marc中提供了大量针对不同场合的单元类型。按照几何维数分，有限元分析中使用的单元可以分为零维单元、一维单元、二维单元和三维单元。而实际应用中按照单元的拓扑结构特点进行分类。在MSC．Marc有限元数值模拟软件中，用于三维模拟计算的主要包括两大类单元类型即六面体单元和四面体单元，如图3．1所示。 大连理工大学硕士学位论文a)六面体单元4图3．1单元类型Fig．3．1Elementtypesb)四面体单元3对于这两类用于三维分析的单元，它们的产生有两种办法：其一对于四面体单元来说，在实体的表面先产生三角形单元，然后以实体表面三角形单元为基准扩展成四面体单元。其二是六面体单元，它的生成可以与上面提到的四面体单元产生的方法一样，如果坯料的几何形状是轴对称，那么先根据给定几何尺寸画出截面单元上的节点，然后划出平面单元，最后进行进一步的局部单元细分。3．4．2有限元方程整体矩阵形式的平衡方程表达式：勋=∑n阮=∑n出“[J户ⅣrMy：+，曰rcrdV一，pⅣrfdr一，ⅣrtdS]=0(3．10)”％‰％矗式中，柯西应力矢量s=[s11，S22，S33，S12，$23，s3d。B为几何阵单位质量体积力矢量；产昕以乒】2面力矢量户[f^如匀】丁n为单元数。3．5弹塑性本构方程弹塑性有限元方法和刚塑性有限元是分析金属成形过程的两种重要的方法。国内刚刚引进旋压加工有限元模拟研究室时，主要采用刚塑性定义【14】【18】【19】。但是旋压成形属 模环旋压成形过程的数值模拟与工艺优化于连续局部塑性变形，塑性变形区会随着旋轮的运动而改变，而且加载的过程伴随着卸载，因此采用刚塑性有限元法并不能真实的描述旋压的变形特性。采用弹塑性有限元方法不仅可以分析旋压的整个变形过程，得到变形过程中的应力应变分布，而且还可以对变形后残余应力和残余应变的分布进行有效的模拟，因此采用弹塑性有限元对旋压成形过程进行模拟，更能反映旋压过程的本质。弹塑性增量型本构方程的张量形式为Acr{『=DuuA8{『(3．11)根据塑性流动理论，按照Pandtl-Reuss方程来确定D俐，增i_型00Pandtl—Reuss可写为：嵋。南蚺+南磊枷’盎地盯’(3．12)3‘、3E则驴船如+南艿uSu-of『’辩1(3．13)式中朋=参口‘是载荷性质判断因子。3．6有限元方程求解考虑到旋压时金属变形过程中的物理和几何非线性，由虚功原理建立增量形式的有限元求解方程为隧]{Au)={△P)(3．14)其中，Ⅸ】——系统的整体刚度矩阵，{△“卜一增量位移向量，{△P}_一为不平衡力向量，分别由单元的各个对应量集合而成。在变形过程中，对弹塑性材料来说，物体内按其变形的性质可分为四类区域：弹性区、塑性区(弹塑性区)、由弹性状态到塑性状态的过渡区和塑性状态到弹性状态的卸载区。对弹塑性变形过程，其总刚度矩阵为：[K】=∑[K】。=∑[K】妒+∑[K】妒+∑[K】垆’+∑[K】垆’(3．15) 大连理工大学硕士学位论文式中，[K】箩’——弹性区的单元刚度，[K]圹’——塑性区的单元刚度，[K]夕’——过渡区的单元刚度，晖】垆’——卸载区的单元刚度。若以嘭“，嘭川，嘭ep)嘭彤’分别表示弹性区、塑性区、过渡区、卸载区的单元体积，则各类区域的单元刚度按下列关系式计算。弹性区：[K】箩’=r[曰]，[D】‘P’【B】dy(3．16)咖式中，【DP是弹性本构矩阵塑性区：【K]，’=L，，[丑]r[D】‘p)【B】d矿+L，，(【M乓％[M】硝一2[曰村】r％【B茸】)dy(3．17)式中，[D]‘P’是弹塑性区的本构矩阵其中[M】=昙[Ⅳf](3．18)吸f1[岛】=寺([Ⅳj】口+[％】if)(3．19)过渡区：在计算由弹性状态到塑性状态的过渡区域单元刚度[K】垆’时，如图3．2所示。m甲=筹小箬去引入比例因子朋印。(3．20)式中，△占。——本次加载总的等效应变增量，占!o)——材料屈服时的等效应变，s．——材料在未加上本次增量载荷仍处于弹性状态时的等效应变。于是，[K】垆’=(1-m印)EXit"’+m印【K】?’(3．21)卸载区： 模环旋压成形过程的数值模拟与工艺优化吲垆)-』[B】7’[DnB枷嘭肛’q(3．22)图3．2过渡区应力应变比例因子Fig．3．2Stress—strainproportioncoefficientintransitionarea3．7模环旋压数值模拟技术解决方法3．7．1M$O．Marc有限元软件简介计算机模拟理论及其技术的日益成熟，为有限元模拟软件的商品化创造了条件，使软件进入企业，用于实际产品的开发和质量控制中。其中比较著名的商用软件有ANSYS、MARC、LS．DYNA、DEFORM等，这些商品软件除了塑性问题分析功能较强外，还有良好的前后处理功能，用户界面比较好。它们的出现和推广，极大地降低了人们进入有限元模拟领域的门槛、方便了人们的使用、大大促进了有限元模拟技术的应用。。MSC．Marc是功能齐全的高级非线性有限元软件，体现了30年来有限元分析的理论方法和软件实践的完美结合。它具有极强的结构分析能力【61舵】。可以处理各种线性和非线性结构分析，包括：线性月E线性静力分析、模态分析、简谐响应分析、频谱分析、随机振动分析、动力响应分析、自动的静／动力接触、屈曲／失稳、失效和破坏分析等。它提供了丰富的结构单元、连续单元和特殊单元的单元库，几乎每种单元都具有处理大变形几何非线性，材料非线性和包括接触在内的边界条件非线性以及组合的高度非线性的超强能力。MARC的结构分析材料库提供了模拟金属、非金属、聚合物、复合材料等多种线性和非线性复杂材料行为的材料模型。分析采用具有高数值稳定性、高精度和快速 大连理工大学硕士学位论文收敛的高度非线性问题求解技术。为了进一步提高计算精度和分析效率，MARC软件提供了多种功能强大的加载步长自适应控制技术，自动确定分析曲屈、蠕变、热弹塑性和动力响应的加载步长。MARC的网格自适应技术，以多种误差准则自动调节网格疏密，不仅可提高大型线性结构分析精度，而且能对局部非线性应变集中、移动边界或接触分析提供优化的网格密度，既保证计算精度，同时也使非线性分析的计算效率大大提高。另外MSC．Marc提供两种模式的求解器：直接和间接迭代求解器。对于三维问题，间接迭代求解器可以节约内存和磁盘空间，以较低的计算成本来完成求解。所以在模拟时选用间接迭代求解器。模拟计算完成后，通过后处理模块，可以提取包括应力场、应变场、速度场等信息来分析。3．7．2MSC．Marc模拟旋压成形问题的关键1．网格划分对变形体进行网格划分是有限元模拟实施过程中的一个重要环节，网格的数量和质量是评价网格划分的重要指标，数量和质量是否合理直接关系到模拟计算的效率。同时也将会直接影响到有限元计算精度及计算规模，如图3．3所示。一般情况下，网格数量多，则计算精度高，计算规模大；反之网格数量少，则计算精度低，计算规模小。计算精度太低难以满足分析的需要，计算规模过大会提高计算成本，所以说网格划分时要在两者之间进行权衡。另外，在模拟过程中，随着计算的进行，网格中个别单元被模具约束或干涉、或单元畸变使变换矩阵为负值时都会影响模拟的正确性，出现这种情况时必须对变形体进行网格重划使计算得以继续进行；旋压成形时大部分非接触区金属主要发生弹性变形，如果满足变形区继续计算而对整个变形体频繁的网格重划，不仅需要花费大量的计算时间、设备消耗，而且会导致计算结果不精确。理想的处理方法是对变形体网格进行局部细分。根据解析法的理论知识，在应力梯度大的区域，即接触区及其附近，单元小一些，网格密一些，而且网格划分应由密到疏逐渐过渡。从而使变形区的网格足够细分来满足计算精度，这样可以在保证计算精度的条件下，相应的提高计算速度。 模环旋压成形过程的数值模拟与工艺优化4≥，．)1)单元过大2)单元细划3)单元过细图3．3单元划分Fig．3．3Elementmeshing2．接触条件筒形件模环旋压过程中，筒形坯料与旋轮之间的相对运动实际上是一个螺旋式的送进过程，旋轮与坯料局部接触，接触区域的形状及大小对模环旋压的变形及旋压力具有重要影响。接触区域的形状及大小取决于坯料和旋轮尺寸、进给量、减薄率等。筒形件模环加工常用的旋轮主要是圆弧形和锥形两种，其中锥形旋轮最为常用，强旋时的接触情况也比圆弧形旋轮复杂，下面以锥形旋轮为例研究强旋时旋轮与坯料的接触情况。采用锥形旋轮进行强旋加工时，旋轮旋过后，在坯料上形成一复杂的螺旋面(由旋轮锥面形成的螺旋面和由旋轮圆角形成的螺旋面组成)，旋轮与坯料的接触轮廓是由旋轮面和这一复杂螺旋面及坯料柱面相交而成，接触轮廓的形状和大小取决于旋轮与坯料的几何尺寸及具体工艺参数(减薄率、压下量等)。旋轮与坯料几何尺寸及具体工艺参数的不同将致使各曲面之间具有不同的相交情况，其计算方程也不相同。为了便于计算，将筒形坯料与旋轮的接触分为以下几种情况：1)压下量较小时，旋轮与坯料只在旋轮圆角部分接触，即旋轮工作部位只在圆角部分如图图3．4(a)所示；2)轴向进给比较小时，轴向进给比小于旋轮圆角部分轴向尺寸(fD+d穿透时检测。(4．1)4．1．2摩擦的处理模环旋压与外旋压最明显不同之处是在于旋轮与坯料接触区域中会产生周向和轴向的滑动摩擦，筒形件强力模环旋压成形模拟选择剪切摩擦模型，本文采用基于切应力的摩擦模型。％≤叫丢f(4．2)、『J式中：占I；一切向(摩擦)应力l卜-摩擦系数f——相对滑动速度方向上的切向单位矢量4．1．3模型的简化考虑模环旋压成形过程的复杂性以及筒型坯料的加工工艺情况，对于变形区域因温度变化产生的温度效应，工件本身重力影响和旋转过程中产生的惯性力，这些因素在模环旋压中对坯料的成形影响较小在模型简化计算中忽略不计【63-65】。实际生产中模环和模具采用模具钢制造，其硬度与强度相比坯料要高很多，旋压过程中产生的弹性变形很小，因此在计算分析中将其定义为刚体。建立的有限元模型如图4．2所示。 人连理工人学硕+学位论文344．2工艺参数的选择卜模环2一坯料3一牵引机构4一旋轮图4．2有限元模型Fig．4．2FEMmodel4．2．1旋轮的形状三种常见旋轮的形状[39，661，如图4．3所示：rb)图4．3旋轮的形状Fig．4．3Shapesofroller—f割dT。引夕一～／么一＼一l逝1l一／爱～一、／to；|，}I．，!，t一＼母 模环旋压成形过程的数值模拟与工艺优化(1)成形角旋轮的成形角Q是一个非常重要的工艺参数。旋轮成形角Q受毛坯尺寸和壁厚减薄率的影响。在实际加工中，采用小成形角旋轮旋压时，由于旋轮与工件的接触区长度增长，使工件产生扩径，同时旋轮与工件接触面在垂直工件轴线平面上随Q减小而增大，因此径向力增大，轴向力略有减小；相反，采用较大Q时，容易使旋轮前材料堆积加剧(材料隆起就越高)，易造成金属的非稳定流动，变形区尺寸发生上述相反变化，从而使实际减薄率、旋压合力和径向分力都增大。因此，成形角仅通常选定为200～300为最佳。旋轮退出角B对旋压成形的影响较小，可根据结构尺寸的需要选择。但如果退出角13过大，圆角半径P处的强度则降低，易导致受力部位局部断裂，因此，通常选13=20％300。(2)旋轮圆角半径旋轮圆角半径P通常是凭经验取值，一般来说旋轮圆角半径P越大，旋轮运动轨迹重叠部分增加，则毛坯与旋轮进给前方的接触越平缓，工件就不容易起皱，从而有利于提高工件外表面的光洁度；同时P加大，壁厚就不容易减薄。但是P过大会使旋压力增大，容易使毛坯凸缘部分失稳，工件内径扩大并使薄壁件起皱；相反P过小使变形区的单位接触压力增大，易造成切削现象，使工件表面的光洁度变坏。一般在工业上认为采用大的圆角半径可以提高产品质量，常用值为p／t>5(t为坯料壁厚)。因此，对硬料可取p=(O．015-4)．03)D(D为旋轮的直径)，对软料P适当取大一些。4．2．2旋轮进给比在可能的条件下，旋轮进给比尽量取大一些。但过大的进给比易使工件过分牢固的贴在芯模上，而不利于成形后取下工件，还有可能导致旋压中的开裂，过小的进给比则易使零件内径扩大，尺寸精度降低，尤其是薄壁筒形件，很容易产生起皱。通常筒形件变薄旋压的进给比的选择范围为0．5mm／r～3．0mnffr，常用的进给比是0．5mm／r～1．5mm／r。为了获得良好的成形状态，旋轮进给比的选取要考虑壁厚减薄率、管坯厚度、旋轮直径以及圆角半径等因素。旋轮进给比太大，旋轮前面易形成突起，导致材料的堆积，出现起皱；旋轮进给比过小，又由于弹性变形的缘故，使本来就很小的材料变形流动量分布在沿壁厚方向不同的流动面上，引起材料的夹层现象。 大连理工大学硕士学位论文4．2．3减薄率壁厚减薄率反映了工件的变形程度，是壁厚减小量与初始壁厚的比值。在成形过程中分为道次减薄率和总减薄率。在强力旋压过程中，减薄率是变形区的一个主要工艺参数，因为它直接影响到旋压力和旋压尺寸的大小及旋压精度。极限减薄率在很大程度上取决于材料的塑性。由平板旋压成锥形件时，按正弦定律，减薄率尼和半锥角口有如下关系：R，=l—sina(4．3)筒形件旋压时，减薄率取决于旋压道次、旋轮设计和旋压机功率等因素。变薄旋压道次减薄率对工件内径的胀缩量及精度有影响。在总减薄率确定后，根据工艺条件和工艺尺寸精度的要求，分若干道次来进行变薄旋压。道次减薄率过大会造成工件材料流动失稳堆积，表面易出现起皮，道次减薄率过小会引起工件厚度变形不均匀，工件内表面变形不充分而出现裂纹。通常道次减薄率在150／o,-,50％之间选择，减薄率在25％30％为最佳值。旋压道次减薄率以工件壁厚为参考，为使壁厚变形均匀，壁厚偏厚取上限，壁厚偏薄取下限；此外，还应考虑减薄量与旋轮压下台阶的关系。在总减薄率较大时需多道次旋压成形，道次减薄率应逐渐增大，道次减薄量由大Nd,递减。4．2．4主轴转速试验表明主轴转速或旋速对旋压过程的影响并不显著，主要取决于旋压材料；但是，适当的转速可以改善零件表面的光洁度并提高生产效率。当主轴转速高时，相当于参与工件成形的旋轮数量增加，单位时间内变形区的面积增加，变形区由点接触变为近似环形，即在旋压变形时环形变形区在工件圆柱面上沿螺旋线纵向前进，有效限制了变形时材料的周向流动，工件变形条件得以改善，减小了扩径现象，工件贴模好，内径精度得到提高，保证了工件有较高的尺寸精度和表面质量。4．2．5工艺参数本文旋压坯料为LF6，材料的机械性能参数如表4．1所示。旋压工艺基本的参数，如表4．2所示。 模环旋压成形过程的数值模拟与工艺优化表4．1毛坯材料的机械性能Tab．4．1Mechanicalcharacterofblankmaterial表4．2工艺参数Tab．4．2Parametersofprocess坯料直径坯料壁厚旋轮成形角减薄率1I，。坯料转速牵引速度(mm)‘Q。％r／rain111n∥s54010253050O．64．3应力应变计算结果与分析4．3．1应力计算结果与分析整个工件可以分为三个区域：旋轮与工件相接触的变形区，旋轮工作行程后的已变形区以及前方的未变形区。在旋压变形区域内，与旋轮接触的金属坯料在旋轮的作用下在径向产生较大的压缩变形，沿轴向和切向产生拉伸变形，但由于接触区周围金属材料的限制作用，此区域金属材料处于三向压应力状态。模环旋压过程中，旋轮对坯料呈点接触式的逐点挤压，故应力区域比较集中。图4．4给出了计算结果中，旋轮接触变形区域内表面的轴向应力、径向应力及周向应力的分布情况。变形接触区的坯料沿工件轴向和切向的伸长变形引起周围金属材料的受力和变形。在轴向方向旋轮接触区域的前方材料受旋轮和轴向推力作用下，在轴向和切向平面内为压应力状态，材料在径向方向变形。在轴向方向旋轮接触区域的后方材料受旋轮和牵引力作用下，在轴向和切向平面内为拉应力状态，材料在厚度方向(径向)变形，因此在旋压过程中旋轮后容易产生材料拉裂，形成裂纹，但是这种拉应力有利于工件母线的直线度。在变形区域，无论在轴向、径向或周向，旋轮后方存在拉应力区，旋轮前方呈压应力。在轴向和周向上的拉应力与压应力区域相对较大，而在径向上出现压应力最大值。 大连理工大学硕士学位论文一2日'20+002董齄运藉方向‘‘—--————·———●a)轴向41 模环旋压成形过程的数值模拟与工艺优化I，图4．4内表面应力Fig．4．4Stressofinnersurface4．3．2应变计算结果与分析图4．5和4．6给出了旋轮接触变形区域内表面的三向应变分布情况。在三向应力状态下，工件发生较大的塑性变形。在旋轮的作用区域，旋轮前方金属在轴向出现压应变区，旋轮后方切向和径向的金属出现拉应变区。由于总的拉应变大于压应变，所以旋压过程中坯料轴向伸长，旋轮两侧收缩变形区域的变形量的差异，使变形的结果造成接触区金属沿切向流动。从图4．5和4．6可以看出，在已变形区域，轴向应变主要为拉应变，切向和径向应变主要为压应变；在旋轮的作用区域，轴向应变逐渐变为压应变，切向和径向应变为拉应变。 大连理工大学硕士学位论文13eSe+002图4．5坯料等效应变云图Fig．4．5Strainofworkpiecea)轴向应变一43—0O}卜l，6日30 模环旋压成形过程的数值模拟与工艺优化7378e一00Z一6670e—002b)径向应变C)切向应变图4．6内表面应变Fig．4．6Strainofinnersurface一44— 大连理工大学硕士学位论文4．3．3模环旋压成形分析根据对模环旋压有限元计算结果分析，筒形件模环旋压时，坯料的受力和变形流动情况是十分复杂的，其不同部位的应力应变状态各不相同。根据毛坯变形区各点的应力、应变不同，可将变形区分为几个不同的区域，其应力、应变简图如图4．7所示。A区B区C区图4．7不同区域的应力应变简图Fig．4．7S仃ess锄ds仃ainofillIler、wIrkpieceondifferentare够旋轮接触区域C的金属在旋轮作用下，径向产生了较大的压缩变形，沿轴向和切向产生伸长变形，由于接触区周围金属(外端)的限制作用，此区金属处于三向压应力状态。接触区金属沿轴向和切向的伸长变形引起周围金属的受力和变形，沿周向旋轮前后变形区金属轴向受拉应力、切向受较小的压应力，在轴向产生被动伸长，由于环形外端的强烈限制其切向产生压缩、径向伸长，且旋轮接触区前方金属变形区比后方变形区大的多，这是由于正旋时旋轮在切向给坯料一向前的作用力。沿轴向旋轮前后变形区金属处于三向压应力状态，前后方金属轴向产生压缩变形，径向和切向产生伸长变形。 模环旋压成形过程的数值模拟与工艺优化根据有限元计算的结果，为了分析问题的方便，分别按照轴向、径向和切向应变的不同将旋轮接触的变形区域局部放大，分为几个不同应变的区域，如图4．8所示。a)轴向应变b)径向应变c)切向应变图4．8不同方向应变分布Fig．4．8Distributionofstrainondifferentdirections模环旋压的目的是使筒形件壁厚减薄、长度增加，下面来分析模环旋压时坯料的轴向变形，见图4．8(a)。坯料与旋轮接触区的轴向伸长变形带动旋轮周向前后金属的轴向 大连理工大学硕士学位论文伸长，变形的最终结果使筒形件长度增加。从理论上分析来看，说明本文所建立的有限元力学模型是合理的，计算结果是正确的。4．4隆起形成分析在旋压成形过程中，拉应力区的坯料内表面易产生微裂纹，而在压应力区，旋轮接触处部分前端的坯料易于导致堆积，形成隆起。由于变形区与旋轮接触的坯料受到旋轮的轴向压缩而产生的堆积，在旋轮前方形成了隆起。图4．9显示产生隆起时的纵向截面图。过大的隆起导致旋压变形区域出现裂纹、剥皮等缺陷。当变形区域隆起较小且能保持稳定不变时，旋压成形仍然能顺利地进行。图4．10显示了隆起时的高度变化曲线。模拟分析表明，在一定的工艺变形条件下，旋轮前方的坯料在旋轮的作用下，形成隆起并逐渐进入稳定状态，较小的稳态隆起，仍能维持旋压成形过程正常进行。图4．9计算中的隆起Fig．4．9Simulationresultofbuildup 模环旋压成形过程的数值模拟与工艺优化0．30O．25星0．20蜊框0．15裂照80．100．05旋轮行程(mm)图4．10隆起变化曲线Fig．4．10Variationcurveofbuildup64．5工艺参数对隆起的影响图4．11、图4．12分别给出了稳定变形时，旋轮成形圆角半径和牵引速度对旋轮前坯料形成隆起的影响。随着圆角半径和牵引速度的增加，隆起的高度均增大。牵引速度超过一定值时，旋轮前端坯料隆起加剧。当牵引速度超过0．6mm／s、成形角大于25。时，隆起呈大幅增加。隆起的产生与轴向旋压力有关，隆起较大时，轴向旋压力也较大，这将导致旋压力增大，增加设备负荷，且易于使坯料产生裂纹。 0．7O．6O．5O．4O．3O．20．10．38O．36O．34O．320．300．280．260．240．220．20大连理工大学硕士学位论文20箱30筠旋轮圆角(degree)图4．11旋轮成形角隆起的影响Fig．4．11Influenceofrollerformingangleonbuildup0．20．40．60．81．0牵引速度(ram／s)图4．12牵引速度对隆起的影响Fig．4．12InfluenceofpullingsIN把donbuildup一49一一E邑蟋馆裂逝一EⅢ)巡惺裂幽 模环旋压成形过程的数值模拟与工艺优化4．6模环旋压过程中的旋压力强力旋压时，旋压力的大小是选择与设计机床、编制工艺规程、设计工艺装备和调整试验的科学依据。尽管很多学者已经对外旋压和内旋压的旋压力进行了大量的分析，但是从查找的资料上来看，对于模环旋压旋压力性能参数的分析和测量还没有一个可以查到的结果，所以研究旋压力即旋轮受到的载荷力的分布特点和变化规律以及与其他工艺参数和几何参数的关系有着重要的意义。为了更清楚地了解模环旋压成形过程中旋压力的变化，根据有限元计算机结果，得到旋压力随时间的变化曲线，如图4．13所示。0—20委．40R出．60垲．80．10005101520时间(s)图4．13旋压力变化曲线Fig．4．13SpinningforcesvariationCBI"Ve从图4．13可见，开始时旋轮开始运动但还未接触到毛坯时，旋压力大小为零。随后的起旋阶段，从旋轮接触毛坯开始至达到所要求的壁厚减薄率为止(大约从第2秒到第8秒)。该阶段壁厚减薄量逐渐增大，旋压力相应增大。由旋压力的理论计算可见，旋压力的大小和旋轮与毛坯的接触面积有关，随着接触面积的增大，旋压力也增大。所以在此阶段，旋轮压入的深度增大，旋轮与毛坯的接触面积相应增大，使旋压力增大。尤其是轴向旋压力的增大，可能会使金属堆积产生隆起。隆起过大，就会引起旋压力的明显增加，从而导致开裂、起皱、表面粗糙、尺寸精度降低。 大连理工大学硕士学位论文大概从第8秒开始，进入旋压成形过程的主要阶段即稳定旋压阶段。旋轮旋入毛坯达到所要求的壁厚减薄率时，旋压变形进入稳定阶段，工件的形状在这一阶段基本形成。该阶段金属的径向、轴向、切向变形都很大，旋轮与毛坯的接触面积达到最大，相应的旋压力达到最大值，并且逐渐趋于稳定。图4．13显示的是从第8秒开始，旋压力达到80KN左右时随时间变化在其上下浮动。4．6．1旋轮成形角对旋压力的影响图4．14给出了旋轮成形角对旋压力影响的情况。随着旋轮成形角的增大，旋压力的变化不大。由于成形角增大使旋轮和坯料的接触长度减少，因而径向旋压力变小，轴向旋压力增大，周向旋压力变化不大。较大的成形角易于导致旋轮前端的材料堆积，不利于材料的塑性流动。旋轮成形角较小更易于导致旋压成形产生破裂。706050Z40Y采出30裂20100202530旋轮成形角(degree)图4．14旋轮成形角对旋压力的影响Fig．4．14Influenceofrollerformingangle011spinningforces4．6．2牵引速度对旋压力的影响图4．15给出了模环旋压过程稳态变形时，牵引速度对旋压力影响的数值分析结果。在旋压成形过程中，牵引速度增大，旋轮前端坯料堆积随之增加，坯料与旋轮的接触区域即随之增大，接触区域的变形增大。由于材料塑性流动不会有较大的变化，从而导致接触区域的应力增大。径向旋压力、轴向旋压力和周向旋压力都随着牵引速度的增加而 模环旋压成形过程的数值模拟与工艺优化增加。模环旋压成形过程中，牵引速度对旋压力的影响与外旋压强旋成形过程的情况类似。∞807060YZ50蓄40摧30201000．2牵引速度(ram／s)图4．15牵引速度对旋压力的影响Fig．4．15InfluenceofpullingspecdOllspinningforces4．6．3旋轮圆角半径对旋压力的影响在其它工艺条件相同的情况下，研究了不同旋轮圆角半径对筒形件旋压力的影响。图4．16给出了使用不同旋轮圆角半径时的旋压力曲线。随着旋轮圆角半径的增大，径向旋压力、周向旋压力和轴向旋压力均增大，其中周向旋压力变化相对较小。在相同的减薄率下，旋轮圆角半径越大，旋轮和工件的接触面积增大，体现在单位时间内受到挤压变形的坯料面积就越大，在单位时间内需要向周边和前方流动的金属坯料体积就越大，那么就容易在旋轮前方和左右产生金属坯料的堆积，形成隆起或者是起皱现象。当旋轮圆角半径较小时，对金属坯料的流动影响较小。 34567．89旋轮圆角半径(由面图4．16旋轮圆角半径对旋压力的影响Fig．4．16InfluenceofrollerangleradiusOilspinningforces4．6．4减薄率对旋压力的影响在其它工艺参数条件相同的情况下，研究了不同减薄率对旋压力的影响。图4．17给出了不同减薄率的旋压力曲线。25∞40减簿率(％)图4．17减薄率对旋压力的影响Fig．4．17InfluenceofreductionsofwallthicknessOilspinningforces一53一∞；2加：8∞：}；吾j惦∞：5；{；；筠∞侣协5(N邑R避摧∞弛∞{寻竹0一z邑R域摧 模环旋乐成形过程的数值模拟与T艺优化从图4．17可以看出，旋压变薄率对径向旋压力、轴向旋压力和周向旋压力的影响明显，均有显著增加。山于随着变薄率的增加，旋轮和工件的接触区增大，并且接触区的变形加剧，变形的硬化使接触区的心力增人，所以旋压力明显增大。强力旋乐时减薄率不宜过大，如果需要减薄率较大时，』迎增加旋压道次，并适当对工件进行退火处理。4．7扩径分析由于旋轮接触区前后存在两个产生切向收缩变形的区域，当两个区域的切向收缩变形大于接触区切向伸长量时产生缩径，而当两个区域的切向收缩变形小于接触区切r占】ffb长量时产生扩径甚至坯料发生丌裂[67。68】。图4．18所示为轴截面方向观察坯料扩径和缩径时的应变分布。图4．19为坯料丌裂的有限元计算结果。a)轴向戍变分布 大连理二l：大学硕士学位论文1623e一0011018e-0014116}002-1-B-i-2944e一002003e_002406e一00l012e一0011553e一0019593e一0023654e一002—2—8一l-2285e一002224e-002416e一001010e一00ib)径应变分布C)周向应变分布aa—b 模环旋压成形过程的数值模拟与I：艺优化l5S3e一0019S93e，-0023654e一002—2-8—1-22日5e一002224e一002416e一00l010e-00Id)局部e)局部放人f)缩径图4．18轴向扩径和缩径的虑变分布Fig．4．18Distributionofstrainonradialexpandingandshrinking一56b 大连理工大学硕十学位论文4．8简形件模环旋压试制图4．19坯料开裂Fig．4．19Crackofworkpiece4．8．1旋压试制工艺参数及材料通过有限元计算分析计算结果，对旋压工艺参数进行优化，并根据模环旋压机的性能参数，选择如下工艺参数进行试制，旋压工艺基本工艺参数为：坯料直径540mm、坯料壁厚10mm、旋轮成形角250、减薄率30％、坯料转速50r／min，牵引速度为0．4mm／s。成彤模具材料采用合金结构钢。试验设备采用NX63．250CNC多功能旋压机，如图4．20所示。试制材料为5A06航空航天用铝合金锻件，力学性能曲线如图4．21所示。 模环旋压成形过程的数值模拟与T：艺优化，‘、c口山至R趟图4．20NX63．250CNC旋压机Fig．4．20NX63—250CNCspinningequipment应变(％)幽4．21力学性能曲线Fig．4．21Stress—strainexperimentcurve4．8．2试制结果与有限元结果对比分析根据分析有限元的计算结果，得到该筒形件模环旋压的优化工艺参数，使用该工艺参数进行了工件的试制。_卜-图4．22给出了有限元模型讨。算结果和试制工件。从图4．22中可以看出，计算结果与试制工件的吻合较好。该工艺参数下，计算模型的变形区域内，变形均匀平稳，未出现缺陷。实际试制过程中，试制件变形同样稳定，试制的成形一l：件内外表面质量较好、力学性能达到没计要求，试制的成品如图4．23所示。 人连理工大学硕士学位论文图4．22有限元模型计算结果和试制上件Fig．4．22Resultofcalculationandexperimentalspinningproduct图4．23模环旋压试制件Fig．4．23Experimentworkpiecesofdieringspinning为了进一·步验证计算结果的准确性，将优化工艺参数中的牵引速度增大到1．0mm／s，其他工艺条件不变。在该条件下，也进行了工件试制。下图4．24给出了牵引速度增大到 模环旋压成形过程的数值模拟与I：艺优化1．Omm／s时的有限兀模型计算结果和试制工件。有限／亡计算模型术端出现扭fHl，该条件下试旋出的实验件末端也出现此种现象，计算结果仍然与实际吻合较好。图4．24有限元模犁结算结果和试制I：俐：Fig．4．24Resultofcalculationandexperimentalspinningproduct 大连理工大学硕士学位论文结论本文在充分考虑薄壁筒形件模环旋压成形特点的基础上，使用MscMarc软件，建立了薄壁筒形件模环旋压三维有限元模型，并分析其成形机理及加工工艺参数对薄壁筒形件模环旋压成形的影响。本论文主要工作和研究结果如下：(1)在分析筒形件强力模环旋压工艺变形特点基础上，解决薄壁筒形件模环旋压三维弹塑性有限元建模过程中的关键问题，如单元的划分、摩擦的处理、模环旋压过程中载荷及接触判断、旋轮的运动、变形工具的建立等。(2)使用弹塑性有限元软件MscMarc，建立符合实际加工情况又兼顾计算精度与效率的薄壁筒形件模环旋压三维有限元模型。(3)研究表明模环旋压成形过程中，较高的牵引速度使旋压力增大、坯料隆起加剧；较大的旋轮成形角使坯料隆起增加、轴向旋压力增大、周向旋压力略微增大，而径向旋压力减小。(4)研究揭示旋轮圆角半径、减薄率对旋压力的影响，其中旋压力随着旋轮圆角半径、减薄率的增大而增大，旋轮成形角对旋压力的变化无明显影响。(5)解释了薄壁筒形件模环旋压成形过程中缺陷产生的原因，研究发现由于旋轮接触区前后存在两个变形区域，极易产生过度金属堆积，产生隆起和扩径等缺陷，所以需合理确定各加工工艺参数。(6)根据分析有限元计算结果，得到该筒形件模环旋压的优化工艺参数，使用该工艺参数迸行工件的试制，计算结果仍然与实际吻合较好。 模环旋压成形过程的数值模拟与工艺优化参考文献[1]李德群．塑性加工技术发展状况及趋势．航空制造技术，2000，3：27—28．[2]宋玉泉．连续局部塑性成形的发展前景．中国机械工程，2000，2：65—67．[3]刘建华，杨合，李玉强．旋压技术基本原理的研究现状与发展趋势．重型机械，2002，3：1-4，12．[4]Chen，KX，Gia，WD，Zao，HW，Cao，GS．TheDevelopmentandApplicationofMetalSpinninginChina．3rdInternationalConferenceonRotaryMetalworkingProcesses．1984．8：155—164．[53AtsushiBABA．Currentstatusandviewofhighprecisionspinning．TheJapanSocietyForTechnologyofPlasticity，1988，29(324)：13—20．[6]周昌玉，贺小华．有限元分析的基本方法及工程应用．北京：化学工业出版社，2006．[7]谢世坤，赵孝养，程从山等．板料成形有限元分析的发展综述．井冈山学院学报，2006，27(4)：48—52．[8]陈家华，夏琴香，张世俊等．数值模拟方法在旋压技术中的应用．机电工程技术，2005，34(2)：11—12．[9]Kalpakjian，Rajagopal．Spinningoftubes：Areviews．Journalofappliedmetalworking．1988．2(3)：21卜223．[103Masujiro．普旋过程中旋轮道次的制定对产品的影响．锻压技术，1989，5：45—51．[11]刘兴家．封头旋压成形旋轮运动轨迹确定方法的研究．塑性工程学报，1997，4：63—69．[12]Dachang，JiangDeming，Z．RWang．Astudyofquasi—superplasticspinningof2091AIrLisheet．JournalofMaterialsProcessingTechnology，1995，51：79—86．[13]ParkJae-Woo，KimYoung-Ho，BaeWon—Byong．Analysisoftube—spinningprocessesbytheupper—boundstream-function．JournalofMaterialsProcessingTechnology，1997，66：195—203．[14]M．EL-Khabeery，M．Fattouh．OntheConventionalSimpleSpinningofCylindricalAluminiumCups．InternationalJournalofMachineTools醐anufacture，1991，2：203—219．[15]胡富泰，王家勋．封头旋压数值分析．塑性工程学报，1999，1：65—68．[16]高西成，康达昌．薄壁筒收口旋压过程的数值模拟．塑性工程学报，1999，4：54—57．[17]张涛，林刚．旋压缩口过程的三维有限元数值模拟．锻压技术，2001，5：26—28．[183周照耀，吕炎．筒形件强力旋压的刚塑性有限元分析模拟．塑性工程学报，1994，1：37—42．[19]周照耀，吕炎．筒形件反旋的三维刚塑性有限元分析．锻压技术，1997，1：29—33．一62— 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大连鬻工大学硕士学位论文致谢本论文是在导师周文龙教授精心指导下完成的。周文龙老师在我硕士学习期间中对我严格要求，对研究中的疑难问题给予详细指导，他谆谆教诲和无限鼓励，使我倍感难忘。同时，周老师那种严谨的研究态度，乐观豁达的精神，使我从他身上我受益良多。在此，谨向周文龙老师表达我晟衷心的感谢。在论文修改期间，周文龙老师在繁忙的工作中抽出宝贵时间对我的论文进行了细致入微的修改，对此我表示深深的感谢。特剐需要提到的是，在准备和撰写论文的过程中，我也得到教研室陈国清老师以及师兄、同窗和朋友的帮助，。在此对他们表示诚挚的感谢。最后，衷心地感谢我的父母亲，感谢他们在学业和生活上给予我极大的帮助、鼓励和支持。