基于有限元的旋壓成形過程數(shù)值模擬

曲周德，李立云，鄧小虎

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市高速切削與精密加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300222）

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基于有限元的旋壓成形過程數(shù)值模擬

曲周德，李立云，鄧小虎

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市高速切削與精密加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300222）

摘要：利用ABAQUS軟件模擬鋁合金錐形件的旋壓成形過程，分析建模過程和不同工藝參數(shù)下變形區(qū)應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的分布情況及變化規(guī)律，探究不同工藝參數(shù)對(duì)旋壓成形過程的影響規(guī)律，為該類零件旋壓成形工藝參數(shù)的選擇提供參考。研究表明：旋輪直徑和進(jìn)給率對(duì)旋壓成形的影響較大，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)旋壓過程影響很小。

關(guān)鍵詞：ABAQUS；錐形件；拉深旋壓；工藝參數(shù)

旋壓成形是塑性加工的一個(gè)重要分支，在加工大直徑高精度旋轉(zhuǎn)類零件方面有巨大的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、兵器等金屬精密加工領(lǐng)域[1]。其本質(zhì)是把平板或空心坯料的中心固定在芯模上，在旋輪進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和坯料旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)共同作用下，將局部的塑性變形逐漸擴(kuò)展到坯料的整個(gè)表面，并緊貼于芯模，完成零件的加工[2]。拉深旋壓是普通旋壓中最普遍的成形方法[3]，其中旋壓材料中有1/4是鋁及其合金。本文以鋁合金錐形件的拉深旋壓成形過程為研究對(duì)象，研究在旋壓成形過程中不同工藝參數(shù)如主軸轉(zhuǎn)速、旋輪進(jìn)給率及旋輪直徑等對(duì)成形過程的影響，確定最優(yōu)工藝參數(shù)，為企業(yè)生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1　建立模型

旋壓過程中，坯料隨芯模一起旋轉(zhuǎn)，旋輪按照預(yù)定的軌跡做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，旋壓過程結(jié)束就可獲得所需工件[4]，其成形原理如圖1所示。但這個(gè)過程確難以在ABAQUS軟件中實(shí)現(xiàn)[5]，為使模型能在ABAQUS中順利模擬旋壓過程，結(jié)合實(shí)際提出下列假設(shè)和簡(jiǎn)化。①旋壓過程中坯料是變形體，中心與芯模頂端固定在一起，不可自由變形；芯模與旋輪設(shè)為解析剛體，無變形，其邊界條件和場(chǎng)變量輸出等均定義在參考點(diǎn)上；為簡(jiǎn)化模型，把芯模與坯料利用捆綁約束固定在一起。②忽略重力和慣性力的影響。

圖1　旋壓成形原理圖

1.1實(shí)體模型及有關(guān)參數(shù)

鋁合金錐形件的三維實(shí)體模型如圖2所示，其芯模底端半徑50 mm，頂端半徑11.1 mm，高度37 mm，圓角半徑4 mm，坯料頂端半徑11.1mm，周邊長(zhǎng)度23.9 mm，圓角半徑4 mm，旋輪半徑22.5 mm，圓角半徑15 mm。坯料為6061鋁合金，其性能參數(shù)如表1所示。

圖2　錐形件的三維實(shí)體模型

表1　材料性能參數(shù)

1.2網(wǎng)格的劃分

將鋁合金拉深旋壓成形模擬為彈塑性有限元三維數(shù)值模擬[6]。坯料為變形體，用S4R單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格；芯模與旋輪為解析剛體，不需劃分網(wǎng)格。為提高計(jì)算精度和計(jì)算效率，坯料利用不同密度的網(wǎng)格來劃分，如圖3所示。

圖3　坯料的網(wǎng)格劃分

1.3邊界條件的處理

給芯模以固定轉(zhuǎn)速，使坯料隨芯模做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)；給旋輪賦以速度約束，使其沿芯模母線勻速進(jìn)給。旋輪和坯料接觸區(qū)域采用面-面接觸，選用庫(kù)倫摩擦。

2　模擬結(jié)果及應(yīng)力應(yīng)變分析

旋壓不同時(shí)期截面處的等效應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D分別如圖4和圖5所示。由圖4和圖5可知，旋壓成形的初期到中期，最大應(yīng)力集中于坯料外表面與旋輪接觸部分及其后方，以及坯料內(nèi)表面與旋輪接觸部分的前方。遠(yuǎn)離接觸區(qū)的區(qū)域，應(yīng)力隨距離的變大而逐步變小，易發(fā)生接觸區(qū)坯料的拉裂。中期到中后期，最大應(yīng)力相對(duì)均勻地分布于較大的一塊區(qū)域，不易產(chǎn)生拉裂等缺陷。整個(gè)旋壓過程應(yīng)變的產(chǎn)生以坯料與旋輪接觸部分及其后方為主，中后期以坯料的中間部分為主，最大等效應(yīng)變?cè)谛龎哼^程中逐漸變大，最大值產(chǎn)生于坯料的中間部分。

圖4　旋壓不同時(shí)期截面處的等效應(yīng)力云圖

圖5　旋壓不同時(shí)期截面處的等效應(yīng)變?cè)茍D

3　工藝參數(shù)的影響分析

3.1旋輪直徑的影響

坯料的等效應(yīng)力與旋輪直徑之間的關(guān)系如圖6所示，坯料的等效應(yīng)變與旋輪直徑的關(guān)系如圖7所示。由圖6和圖7可知，隨旋輪直徑的增加，等效應(yīng)力與應(yīng)變均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，因加大的直徑能增加接觸部分的面積，產(chǎn)生同樣的變形時(shí)所需外力較小。等效應(yīng)力的差值約5 MPa，等效應(yīng)變的差值約4%，即旋輪直徑對(duì)結(jié)果的影響不大，綜合生產(chǎn)成本考慮，確定最優(yōu)旋輪直徑為45 mm。

3.2主軸轉(zhuǎn)速的影響

坯料的等效應(yīng)力與主軸轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系如圖8所示，坯料的等效應(yīng)變與主軸轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系如圖9所示。由圖8和圖9可以看出，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)等效應(yīng)力與等效應(yīng)變的影響很小，綜合考慮生產(chǎn)效率及機(jī)床的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)速選用600 r/min。

圖6　等效應(yīng)力與旋輪直徑之間的關(guān)系

圖7　等效應(yīng)變與旋輪直徑的關(guān)系

圖8　等效應(yīng)力與主軸轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系

圖9　等效應(yīng)變與主軸轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系

3.3旋輪進(jìn)給率的影響

坯料的等效應(yīng)力與進(jìn)給率的關(guān)系如圖10所示，坯料的等效應(yīng)變與進(jìn)給率的關(guān)系如圖11所示。由圖10和圖11可知，隨進(jìn)給率的加大，等效應(yīng)力與應(yīng)變均呈遞減趨勢(shì)，選用較大的進(jìn)給率可降低等效應(yīng)力與應(yīng)變值。但進(jìn)給率的大小影響工件的表面質(zhì)量，且適當(dāng)?shù)臏p小進(jìn)給率可降低對(duì)設(shè)備的要求。綜合考慮各種因素，選用0.9 mm/r進(jìn)給率。

圖10　等效應(yīng)力與進(jìn)給率的關(guān)系

圖11　等效應(yīng)變與進(jìn)給率的關(guān)系

4　結(jié)束語

本文利用ABAQUS軟件分析了薄壁錐形件的旋壓過程及規(guī)律，解析了錐形件的旋壓成形機(jī)理。通過對(duì)模擬結(jié)果的分析和比較可知，旋輪直徑與進(jìn)給率對(duì)旋壓成形作用較大，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)旋壓成形作用很小。因此，選用最優(yōu)工藝參數(shù)為旋輪直徑為45 mm、進(jìn)給率為0.9 mm/r、主軸轉(zhuǎn)速為600 r/min。

參考文獻(xiàn)：

［1］王浩然.模環(huán)旋壓成形過程的數(shù)值模擬與工藝優(yōu)化[D].大連：大連理工大學(xué)，2008.

［2］王志偉.強(qiáng)力旋壓連桿襯套工藝參數(shù)對(duì)性能影響正交試驗(yàn)研究[D].太原：中北大學(xué)，2014.

［3］張慶玲.先進(jìn)的鋁合金輪轂旋壓成形技術(shù)[J].金屬世界，2008（5）：52-54.

［4］胡文駿.薄壁曲母線形件旋壓成形的數(shù)值模擬及工藝研究[D].湘潭：湘潭大學(xué)，2011.

［5］吳統(tǒng)超，詹梅，古創(chuàng)國(guó)，等.薄壁曲母線形件旋壓成形的數(shù)值模擬及工藝研究[J].材料科學(xué)與工藝，2011，19（1）：121-126.

［6］齊麥順.鋁合金輪轂拉深旋壓成形模擬和試驗(yàn)[J].有色金屬，2010，62（2）：40-46.

Numerical simulation of spinning forming process based on finite element method

QU Zhou-de，LI Li-yun，DENG Xiao-hu
（Tianjin Key Laboratory of High Speed Cutting and Precision Machining，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

Abstract：The ABAQUS software is used to simulate the pinning forming process of aluminum alloy conical parts.The modeling process and stress and strain field distribution and variation of deformation area in different process parameter are analyzed，the different process parameters on spinning forming process are studied to provide a reference for choosing the spinning forming process parameters.The research shows that the roller diameter and feed rate have great effect on the spinning，and the effects of spindle speed on the spinning process is very small.

Key words：ABAQUS；conical parts；drawing spinning；process parameters

作者簡(jiǎn)介：曲周德（1973—），男，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樗苄猿尚涡录夹g(shù)、塑性成形組織演化模擬技術(shù).

基金項(xiàng)目：天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)科研創(chuàng)新基金項(xiàng)目（YC14-04）.

收稿日期：2016-01-06

中圖分類號(hào)：TG379

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095－0926（2016）01－0033－04