工艺参数对剪切旋压旋压力和壁厚差的影响

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1、工艺参数对剪切旋压旋压力和壁厚差的影响

2、第1现代航空、航天、兵器、汽车等领域的发展要求塑性加工产品朝着轻量化、强韧化、精密、高效、低耗的方向发展.而剪切旋压是生产薄壁高精度锥形件或曲母线形零件的有效方法，具有变形抗力小、原材料利用率高、生产效率高、产品质量好等优点，在航空、航天、兵器、汽车等金属精密塑性加工技术领域得到了广泛的应用.锥形件剪切旋压过程毛坏外径不变，仅毛坏厚度改变.从理论上而言其壁厚变化应遵循正弦律(t=t0sina，a为芯模半锥角，t0为坯料厚度)，如图1所示.但生产实际中旋压件壁厚是不均匀的，直接影响到旋压件的

3、形状及尺寸精度，因此，分析旋压件壁厚的变化规律及影响因素，有助于选择合理的工艺参数并进行优化，为改善旋压件成形质量提供依据.旋压力的分析计算对于选择旋压机和设计工装，以及确定工艺参数和深入理解强力旋压过程都具有重要意义。文献4采用解析法分析了锥形件剪切旋压的流动模式和旋压力.中国台湾的Chen对锥形件剪切旋压进行了实验研究，但仅是针对旋压力及旋压件内外表面的粗糙度进行的研究，对其他成形质量，如壁厚变化等均未涉及.文献7，8对小锥度零件多道次剪切旋压进行了实验研究.但由于锥形件剪切旋压是一个多因素作用下的复杂的局部连续塑性成形过程

4、，单纯采用解析法难以准确地解决生产实际问题;而实验方法不具普适性，难以对问题给予普遍性的解答和规律性的指导.有限元方法和计算机技术的不断发展为旋压工艺提供了先进的分析方法，可以对成形的整个过程进行模拟，有助于通过模拟来研究各工艺参数对零件质量的影响.因此，本文采用弹塑性有限元法，针对锥形件剪切旋压成形过程，基于ABAQUS/Explicit平台建立了合理的三维有限元仿真模型，进而获得了旋轮圆角半径、旋轮进给量、偏离率、芯模转速、旋轮直径对旋压力和旋压件壁厚差的影响规律.本文结果可为相关工艺参数的确定和优化提供参考依据.1锥形件剪

5、切旋压的有限元模型为了便于分析并有较高的求解精度，在有限元分析模型中做如下假设和简化:①变形材料为均一、各向同性和不可压缩;②旋轮和芯模均假设为刚体，不发生变形;③忽略变形中的温度效应，将变形假设为等温变形.1.1分析模型的建立本文基于ABAQUS/Explicit平台建立的锥形件剪切旋压的三维有限元模型如图2所示.为了使模型简单适用，在模型中采用Tie方式将毛坯与芯模固定在一起，实现芯模与毛坯完全同速转动，从而避免了尾顶的建模工作.在模型中采用片式圆弧旋轮，视为解析刚体进行处理，芯模采用离散刚体进行处理，毛坯采用四边形减缩积分

6、壳单元S4R进行离散.芯模与毛坯之间无摩擦，旋轮与毛坯之间采用罚函数摩擦模型进行处理.1.2可靠性验证为了验证本文所建立的有限元模型的可靠性，选用与文献[8]中部分实验条件相同的模拟条件，其中芯模转速n=156r/min，进给比f=0.51mm/r，芯模半锥角a=53°~30°，间隙(δ)分别为1.7,2.45,2.92mm，对材料为LF2的坯料，在不同偏离率下进行了模拟计算，以旋压件壁厚差为指标，将模拟结果与实验结果进行对比，见图3.从图3可以看出，模拟结果与实验结果的变化趋势基本一致，且两者的最大误差不超过17%，表明本文所

7、建立三维有限元模型是可行和可靠的.1.3分析方案模拟仿真采用ABAQUS/Explicit软件作为分析平台，以常用材料硬铝LY12M板坯作为研究对象，其本构关系为:1，杨氏模量E=71000MPa,屈服应力σ1=104MPa，泊松比y=0.27.有限元模拟给定的原始工艺参数有:毛坯直径400mm，厚度3mm;旋轮圆角半径为6mm，旋轮直径为180mm，旋轮进给量为1.0mm/r;芯模小端直径为100mm，半锥角400，圆角半径18mm，大端直径420mm，芯模转速为600r/min;偏离率t为0.模拟时旋轮沿芯模母线进给.在改变

8、某一参数时，其他参数保持不变.1.3.1旋轮圆角半径ap旋轮圆角半径分别为3,5,6,8mm.1.3.2旋轮进给量旋轮进给量是芯模旋转一周旋轮沿芯模母线移动的距离.通常f在0.5—1.5mm/r的范围内选择.本文中f取值为0.5,0.7,1.0,1.2,1.5mm/r.1.3.3偏离率偏离率是锥形件剪切旋压过程特有的参数.它是指旋压件的实际厚度与理论厚度的相对偏差.本文中偏离率取0、士5%、10%、士25%.1.3.4芯模转速芯模转速取350、500、600、800、1000、1200r/min.1.3.5旋轮直径旋轮直径取15

9、0,180,240,300,360mm.2结果与讨论为便于研究旋轮圆角半径、旋轮进给量、偏离率、芯模转速及旋轮直径对旋压力和旋压件壁厚差的影响规律，本文将成形零件圆角附近以下至凸缘以上壁部的壁厚差和稳定旋压阶段的旋压力作为工艺参数的评定标准.2.1旋轮圆角半径旋