筒形件強(qiáng)力旋壓的有限元模擬

宛 瓊，李付國，李超玲

（1.河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 洛陽 471003；2.西北工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710072）

筒形件強(qiáng)力旋壓的有限元模擬

宛 瓊1，李付國2，李超玲2

（1.河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 洛陽 471003；2.西北工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710072）

現(xiàn)代旋壓技術(shù)是廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍工等金屬精密加工技術(shù)領(lǐng)域的一種先進(jìn)塑性成形工藝。強(qiáng)力旋壓是旋壓技術(shù)的一個重要組成部分，對強(qiáng)力旋壓的受力狀態(tài)進(jìn)行深入研究將有助于了解旋壓工藝的特點和可能出現(xiàn)的缺陷。本文用彈塑性有限元法對強(qiáng)力旋壓過程進(jìn)行了模擬，獲得了強(qiáng)力旋壓穩(wěn)定狀態(tài)下應(yīng)力應(yīng)變的分布規(guī)律，解釋了強(qiáng)力旋壓的變形機(jī)理和隆起等缺陷產(chǎn)生的原因。

機(jī)械制造；強(qiáng)力旋壓；筒形件；數(shù)值模擬

1 前言

現(xiàn)代旋壓技術(shù)是廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍工等金屬精密加工技術(shù)領(lǐng)域的一種先進(jìn)塑性成形工藝。強(qiáng)力旋壓作為旋壓技術(shù)的一個重要組成部分，它在制造精度高、長徑比大的薄壁筒形零件加工中，顯示了獨特的優(yōu)越性。己成為成形小批量、多品種回轉(zhuǎn)薄壁殼體零件的重要加工方法[1]。

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)數(shù)值模擬在工程計算和理論研究中得到廣泛應(yīng)用，并且逐步應(yīng)用到塑性加工領(lǐng)域來。采用有限元數(shù)值模擬方法分析旋壓成形過程的變形機(jī)理、受力以及合理地選取工藝參數(shù)律，可以有效地提高強(qiáng)力旋壓的成形極限、成形質(zhì)量和加工效率。

2 有限元模型

在筒形件強(qiáng)力旋壓中，毛坯由芯模固定，并由旋壓機(jī)主軸帶動旋轉(zhuǎn)，旋輪沿軸向作進(jìn)給運動，對坯料進(jìn)行加工。但這在有限元分析中很難實現(xiàn)。為了建模方便，在建立有限元模型時，可將芯模和旋輪視為剛性體，芯模固定不動，旋輪相對于坯料旋轉(zhuǎn)，同時沿切向作進(jìn)給運動，以實現(xiàn)毛坯和旋輪的相對運動。在旋輪高速旋轉(zhuǎn)時，可將旋輪沿坯料軸向同時加載，并在毛坯固定不動的一端加軸向位移約束。這樣筒形件強(qiáng)力旋壓過程就簡化成簡單的三維問題進(jìn)行處理。

實際加工中，變形集中在旋輪接觸區(qū)附近，劃分單元時，在變形區(qū)加以細(xì)化，而在遠(yuǎn)離變形區(qū)的地方可逐漸將網(wǎng)格劃分的粗大一些，以便節(jié)約運算機(jī)時。其有限元網(wǎng)格離散模型見圖1。筒形件旋壓時，工件上的塑性區(qū)僅僅存在于旋輪下面的局部區(qū)域，周圍的金屬仍然處于彈性變形狀態(tài)，且對塑性變形區(qū)起著約束和限制作用。為簡化計算，對模型做如下假設(shè)：旋壓中采用雙錐面旋輪，且不計圓角半徑；略去變形中因摩擦產(chǎn)生的溫度效應(yīng)；在計算中忽略慣性力的影響。

本文采用八節(jié)點六面體單元對坯料進(jìn)行網(wǎng)格劃分，旋輪和芯模均采用Shell單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型經(jīng)離散化后，毛坯為3455個節(jié)點，2429個單元；芯模為815個節(jié)點，767個單元；旋輪為167個節(jié)點，143個單元。

坯料選用難成形材料TC4合金，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系近似采用雙線性模型。力學(xué)性能見表1。

3 邊界條件與接觸的處理

正旋時，旋輪朝毛坯自由的厚壁端方向進(jìn)給，受尾頂壓緊的一端是已旋壓形成的薄壁端，故將起旋端面節(jié)點視為固定點，見圖2b。反旋時，旋輪朝毛坯未成形端方向進(jìn)給，受約束的一端是未成形端，故將未成形端面節(jié)點視為固定點，見圖2a。

表1 毛坯與旋輪的力學(xué)性能

對毛坯與芯模間的接觸問題，將芯模表面節(jié)點作為固定點，并將該接觸表面定義為被動接觸表面，而毛坯內(nèi)節(jié)點為主動接觸表面。對于旋輪與毛坯間的接觸問題，將毛坯表面視為主動接觸表面，旋輪表面定義為被動接觸表面。

本文采用商業(yè)化軟件Ansys進(jìn)行有限元模擬，取旋壓穩(wěn)定階段進(jìn)行分析，即旋壓行程為14mm時進(jìn)行分析。所選工藝參數(shù)見表2。

表2 強(qiáng)力旋壓模擬時工藝參數(shù)的選擇

4 模擬結(jié)果及分析

模擬結(jié)果見圖3、圖4所示。

從圖3、圖4可以看出，無論正旋還是反旋，旋輪直接作用區(qū)的金屬在軸向、徑向和切向都處于壓應(yīng)力狀態(tài)，且徑向壓應(yīng)力最大。通過比較，反旋時的各向應(yīng)力及等效應(yīng)力都比正旋時大，這與實際情況相符。

5 結(jié)束語

由上述分析可以看出，旋輪作用區(qū)軸向前方的金屬處于徑向伸長、軸向壓縮的狀態(tài)，隨著過程的積累會造成旋輪前金屬的隆起。圖中數(shù)據(jù)還表明，反旋時的徑向伸長量和軸向壓縮量均比正旋時的大，這正是反旋比正旋更容易形成隆起的原因。

[1]王成和，劉克璋,等.旋壓技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986.

[2]李靈鳳.藥型罩強(qiáng)力旋壓的數(shù)值模擬結(jié)果分析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2008,43（2）:89-91.

[3]趙憲明，吳 迪，呂 巖,等.筒形件正旋旋壓力及位移分布規(guī)律的有限元分析[J].塑性工程學(xué)報，2007,7（4）:56-59.

[4]韓志仁，陶 華，劉黎明.筒形件強(qiáng)力旋壓有限元模擬研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2006,（11）:137-139.

[5]郭福林，李 萍，錢陳豪，張賓賓.筒形件旋壓工藝模擬及實驗研究[J].精密成形工程，2010,2（5）:18-21.

[6]張利鵬，劉智沖，周宏宇.筒形件強(qiáng)力旋壓成形特點及變形規(guī)律[J].農(nóng)機(jī)化研究，2006,2（2）:128-131.

Numerical simulation on power spinning process of cylindrical workpiece based on FEM

WAN Qiong1，LI Fuguo2，LI Chaoling2
（1.School of Materials Science and Engineering，Henan University of Science and Technology，Luoyang 471003，Henan China；2.School of Materials Science and Engineering,Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，Shanxi China）

The process of tube spinning process has been simulated by use of 3D elastic-plastic FEM in the text.The distribution of stress and strain under stable condition has been gained.The deformation principle and reasons which cause the defects have been explained.

Power spinning;Spinning force；Elastic-plastic FEM；Numerical simulation

TG335.19

B

1672－0121（2011）04－0083－02

2011-05-12

宛 瓊（1980-）女，碩士，講師，從事材料塑性成形的教學(xué)與研究