導(dǎo)彈頭旋壓成型機理及成型質(zhì)量研究

曾宇航，趙 勇，趙 平，唐亮亮

（長安大學(xué)工程機械學(xué)院機械設(shè)計系道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安710064）

0 引言

旋壓工藝是一種薄壁回轉(zhuǎn)體構(gòu)件的先進塑性加工方法，能夠?qū)崿F(xiàn)無切削成形，并可改善工件的組織性能與力學(xué)性能[1]。導(dǎo)彈頭殼體為一種曲母線型回轉(zhuǎn)體零件，而現(xiàn)有文獻大多都是對直母線零件進行研究，如文獻[2-6]分別對錐形件以及筒形件進行了有限元建模及分析。因此本文以曲母線導(dǎo)彈頭作為研究對象，對其旋壓成型機理展開研究。而對旋壓工藝的設(shè)定，傳統(tǒng)的方法以經(jīng)驗或?qū)嶒灋橹鳎?jīng)驗指導(dǎo)摻雜太多主觀因素，實驗又會造成過多浪費，對于貴重金屬顯然不適合，本文通過數(shù)值模擬的方法，分析了不同工藝參數(shù)的旋壓成型過程以及成型質(zhì)量，對實際的加工生產(chǎn)有指導(dǎo)意義。

1 有限元模型的建立

本研究中選用材料為304不銹鋼材，軋制成型，經(jīng)退火處理，密度為。彈性模量，泊松比以及彈塑性應(yīng)變曲線通過拉伸實驗得出，拉伸試樣根據(jù)國標(biāo)GB6379-1986要求制取，材料具體參數(shù)為：楊氏模量194 020 MPa，泊松比 0.3，密度 7 800 kg/m2.抗拉強度520 MPa，屈服極限205 MPa.

旋壓成型屬于金屬大變形問題，因此采用ABAQUS/Explicit顯示動力學(xué)對其進行建模，模型包括旋輪、胚料、芯模。胚料中心部分與芯模耦合約束，隨芯模旋轉(zhuǎn)。接觸對包括旋輪外表面與胚料上表面接觸，芯模外表面與胚料下表面接觸，旋輪沿芯模母線進給。旋壓過程中旋輪與芯模不發(fā)生變形，故旋輪與芯模設(shè)置為解析性剛體以便減少計算時間，胚料定義為可變形體，采用SC8R殼單元進行網(wǎng)格劃分，劃分方法為中性軸算法，種子數(shù)為徑向50，周向100，共計5 000個網(wǎng)格。胚料下側(cè)與芯模的摩擦系數(shù)為0.1，旋輪外側(cè)與胚料上側(cè)的摩擦系數(shù)為0.01.本文選取旋輪直徑55 mm，旋輪圓角半徑為10 mm，減薄率為 50%，進給比為 1.25 mm/r，主軸轉(zhuǎn)速為 145 r/min.見圖 1.

圖1 有限元建模圖

2 模擬結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力分布

如圖2所示為導(dǎo)彈頭單道次剪切旋壓應(yīng)力分布云圖，從圖中可以看出，最大應(yīng)力分布在導(dǎo)彈頭的頂部區(qū)域和旋輪與零件的接觸區(qū)域。這是因為在導(dǎo)彈頭旋壓成型時，芯模與胚料中心區(qū)域耦合，從而帶動胚料旋轉(zhuǎn)，在芯模高速轉(zhuǎn)動的情況下，胚料中心部分發(fā)生較大的扭曲變形，故而應(yīng)力較大。而在胚料與旋接的觸區(qū)域，胚料減薄，接觸區(qū)域受拉應(yīng)力與剪應(yīng)力，故而應(yīng)力較大。且在成型過程中材料向底部流動，故而未成形區(qū)域厚度增加，且易出現(xiàn)起皺現(xiàn)象。因此在成型過程中應(yīng)特別關(guān)注零件頂端和待成型區(qū)域。

圖2 應(yīng)力分布云圖

2.2 壁厚分布

為評價導(dǎo)彈頭旋壓成型的質(zhì)量，以旋壓成型時的壁厚分布均勻程度作為其評價指標(biāo)。為此，從胚料中心按徑向等分取3條周向節(jié)點線，按周向等分取3條徑向節(jié)點線來分析其厚度分布。

圖3和圖4分別顯示了導(dǎo)彈頭旋壓成型時壁厚沿徑向以及周向的分布情況，從圖2可以看出，導(dǎo)彈頭沿徑向呈非均勻分布狀態(tài)，且在頂端與末端壁厚較厚，其厚度值大于1 mm，由此可見在成型初期存在厚度回彈現(xiàn)象。而中間部位厚度值較小。且3條曲線貼合緊密，走勢相同，說明其厚度沿周向方向分布均勻。從圖3的3條曲線可以直觀的看出，在成型過程中壁厚沿周向分布呈近似均勻狀態(tài)，且周向第3條厚度最大，第1條次之，第二條厚度值最小且分布更為均勻，進一步證明了在導(dǎo)彈頭旋壓成型時，厚度沿徑向方向分布不均，且靠近頂端與靠近未成形端的厚度較大，而在中部厚度為1 mm，與預(yù)期厚度相吻合。

圖4 厚度沿周向分布圖

3 工藝參數(shù)對壁厚的影響

旋壓工藝參數(shù)對零件的成型質(zhì)量有重要的影響。以壁厚分布作為其成型質(zhì)量的評價指標(biāo)，本文就主軸轉(zhuǎn)速和減薄率對其壁厚分布的影響規(guī)律進行研究，由以上分析可知，導(dǎo)彈頭旋壓成型時厚度沿周向方向均勻分布，因此本文只選取第2條徑向節(jié)點路徑進行壁厚分布對比分析。

3.1 主軸轉(zhuǎn)速對壁厚分布的影響

本文選取主軸轉(zhuǎn)速，以及三種轉(zhuǎn)速研究其對壁厚分布的影響規(guī)律，圖5顯示了三種轉(zhuǎn)速對零件徑向厚度分布的影響，從圖中可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，旋壓成型過程中的厚度回彈現(xiàn)象逐漸減弱，即零件厚度逐漸接近預(yù)期厚度值，見圖6.但同時，零件徑向厚度分布不均勻現(xiàn)象有所加劇。綜上分析，導(dǎo)彈頭旋壓成型的合理主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)為。

圖5 不同轉(zhuǎn)速對徑向厚度影響

圖6 中間模擬效果圖

3.2 減薄率對壁厚分布的影響

本文在主軸轉(zhuǎn)速n=190 r/min的情況下選取減薄率δ=30%，δ=50%兩種減薄率對壁厚分布規(guī)律的影響進行研究，顯示了其對壁厚徑向分布以及周向的影響，從圖7可以看出，當(dāng)減薄率δ=33%時，零件徑向壁厚分布嚴重不均勻，中部壁厚嚴重偏離預(yù)期壁厚值。而當(dāng)δ=50%時，徑向厚度不均現(xiàn)象明顯改善，且厚度與預(yù)期壁厚值最接近。

圖7 不同減薄率對徑向厚度影響

4 結(jié)論

（1）導(dǎo)彈頭在旋壓成型時應(yīng)力應(yīng)變最大區(qū)域為零件頂部區(qū)域和胚料與旋輪的接觸區(qū)域，且未成形區(qū)域易出現(xiàn)起皺現(xiàn)象。成型時應(yīng)予以特別關(guān)注。

（2）導(dǎo)彈頭旋壓成型時，由于回彈現(xiàn)象，徑向厚度存在分布不均勻現(xiàn)行，且呈兩邊厚中間薄的特點，而周向厚度呈現(xiàn)均勻分布狀態(tài)。

（3）主軸轉(zhuǎn)速，減薄率對導(dǎo)彈頭旋壓成型壁厚分布具有重要的影響，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，回彈現(xiàn)象逐漸減弱，壁厚逐步貼近預(yù)期壁厚值，但轉(zhuǎn)速過大，零件壁厚分布不均勻現(xiàn)象加劇。而當(dāng)減薄率過小時，零件壁厚嚴重偏離預(yù)期壁厚值。綜上，本種型號導(dǎo)彈頭旋壓的最優(yōu)主軸轉(zhuǎn)速與減薄率為n=190 r/min，δ=50%.