以圆柱体摆辗为例解释摆辗成形中的蘑菇效应

Journal of Materials Processing Technology 151 (2004) 178182以 圆 柱 体 摆 辗 为 例 解 释 摆 辗 成 形 中 的蘑 菇 效 应G. Liu , S.J. Yuan, Z.R. Wang, D.C. Zhou School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, P.O. Box 435, Harbin 150001, PR China摘 要 摆 辗 是 一 个 渐 变 的 锻 造 过 程 ,可 从 圆 柱 形 坯 料 形 成 各 种 回 转 体 零 件 。 然 而 ,在 某 些 情 况 下 ,圆柱 坯 在 摆 辗 中 容 易 形 成 蘑 菇 形 ,而 不 是 镦 锻 为 一 个 鼓 形 。 三 维 刚 塑 性 有 限 元 法 被 用 于 模 拟 摆 辗 过程 以 揭 示 蘑 菇 形 状 工 件 的 变 形 机 制 。 它 能 显 示 整 个 过 程 中 工 件 不 同 时 间 不 同 位 置 的 应 力 、 应 变 速率 和 应 变 分 布 ， 还 能 详 细 的 分 析 出 变 形 区 的 变 形 模 式 。 关 于 为 什 么 H 0 /D = 0.5 1 .0 (初 始 高径 比 )会 形 成 蘑 菇 形 状 的 结 论 是 ： 这 些 不 均 匀 变 形 产 生 的 原 因 是 工 件 在 偏 心 载 荷 的 影 响 下 在 不 同高 度 沿 切 线 方 向 的 变 形 度 不 同 。 然 而 ,这 种 效 应 却 可 以 用 来 制 造 圆 柱 法 兰 的 一 部 分 ,而 不 是 视 为 一个 缺 陷 。 2004 Elsevier B.V.All rights reserved.关 键 词 :有 限 元 法 ;旋 转 锻 造 ;蘑 菇 效 应 ;不 均 匀 变 形1. 简 介摆 辗 的 突 出 优 势 是 降 低 成 形 载 荷 ,因 为 随 着 进 给 坯 料 只 有 一 部 分 在 和 摆 头 成 形 1, 尤 其 是各 种 由 圆 柱 形 坯 料 成 形 的 轴 对 称 零 件 2. 然 而 ,众 所 周 知 ,在 摆 辗 的 过 程 中 有 严 重 的 不 均 匀 变 形 3 5 . 在 摆 辗 一 个 H0 /D = 0.5 1 .0 (初 始 高 径 比 )的 圆 柱 体 的 过 程 中 ， 工 件 很 容 易 产生 蘑 菇 形 状 ， 如 图 1所 示 。 这 种 现 象 被 称 为 “ 蘑 菇 效 应 ” 6， 并 明 显 不 同 于 两 个 平 整 模 具 间 的圆 柱 镦 锻 ， 尽 管 工 件 也 有 平 整 的 顶 部 表 面 和 底 部 表 面 。 类 似 工 件 的 镦 锻 ， 因 为 摩 擦 力 的 影 响 ， 上表 面 和 下 表 面 的 变 形 (图 2)通 常 会 比 中 间 位 置 (区 II和 III)更 难 ， 所 以 最 后 看 起 来 像 一 个 中 间 部分 直 径 较 大 的 鼓 。 了 解 了 有 趣 的 变 形 特 性 和 机 理 ， 那 么 变 形 模 拟 过 程 由 有 限 元 模 拟 分 析 软 件 DEFORM-3D完 成 。根 据 应 力 和 应 变 率 的 结 果 ,分 析 并 绘 制 旋 转 锻 造 的 变 形 模 式 。2. 圆 柱 体 旋 转 锻 造 的 有 限 元 模 型圆 柱 体 摆 辗 的 有 限 元 模 型 如 图 3 所 示 ， 模 具 被 假 定 为 刚 体 ， 工 件 假 定 为 刚 塑 性 不 可 压 缩 材 料 ，无 温 度 的 影 响 。 模 拟 材 料 的 力 学 性 能 已 经 通 过 材 料 库 被 定 义 。 采 用 恒 定 的 剪 切 摩 擦 系 数 模 型 ， 模拟 摩 擦 系 数 为 0.3。 摆 头 的 3 摆 角 的 运 动 可 以 被 描 述 为 摆 头 绕 机 轴 的 公 转 和 摆 头 绕 模 轴 的 自 转 两 种 转 动 的 合成 运 动 ， 这 和 被 用 于 实 验 的 实 际 摆 辗 机 械 的 运 动 一 致 。 下 模 有 沿 着 机 轴 向 上 的 平 移 运 动 ( )。 摆头 围 绕 机 械 轴 转 动 的 角 速 度 ( )为 31.21 rad / s， 进 给 速 度 为 0.65毫 米 每 转 。工 件 的 尺 寸 是 60毫 米 40毫 米 (H0/D = 0.67)， 所 以 每 转 相 对 进 给 速 度 为 S/H0 = 0.0163。在 这 个 实 验 中 ， 工 件 的 最 终 形 状 是 一 个 蘑 菇 形 状 ， 如 图 1 所 示 。 图 1. 工 件 摆 辗 形 成 的 蘑 菇 形 图 4. 模 拟 结 果 产 生 的 蘑 菇 形 图 2. 镦 锻 形 成 的 鼓 形 : (I) 金 属 不 变 形 ; (II) 金 属 轻 微 变 形 ;(III) 金 属 严 重 变 形 图 5. 变 形 区 子 午 面 的 位 置 : (AB) 退 出 摆 辗 接 触 位 置 ；(CD) 摆 辗 接 触 位 置 中 部 ; (EF)进 入 摆 辗 接 触 位 置 . 图 3.圆 柱 坯 料 摆 辗 的 有 限 元 模 型 .3. 蘑 菇 效 应 形 成 机 理 的 分 析3.1. 仿 真 结 果在 摆 头 摆 辗 15 圈 后 ， 轴 向 压 缩 率 是 25%， 工 件 的 有 限 元 模 型 形 成 蘑 菇 形 状 ， 顶 部 部 分 较 大 ，底 部 较 小 ， 如 图 4 所 示 ， 采 用 相 同 的 初 始 条 件 得 到 的 结 果 和 图 1 类 似 。 在 模 拟 过 程 中 ， 摆 辗 的 应 力 和 应变 率 是 可 以 计 算 的 ， 并 且 可 以 用 来 分析 整 个 过 程 的 形 成 机 理 。分 析 工 件 的 变 形 模 式 ， 图 5 所 示的 3个 典 型 的 变 形 部 分 被 视 为 分 析 对象 。 阴 影 区 域 是 摆 头 和 工 件 之 间 的 接触 区 域 。 切 线 ( )方 向 ,径 向 ( )方 向和 轴 向 方 向 (z)(请 参 见 图 6(a)这 三 个方 向 被 假 定 应 力 和 应 变 率 的 主 要 方向 。 因 此 ,任 何 点 在 沿 着 这 些 主 要 方 向上 三 个 压 力 在 数 值 上 存 在1 2 3， 而 应 变 速 率 顺 序 是 1 2 3。因 为 摆 头 顺 时 针 方 向 旋 转 运 动 (代 表 运 动 的 角 速 度 ),直 线 AB 代 表 接触 区 域 的 出 口 位 置 ,直 线 CD 代 表 中间 部 分 ,直 线 EF代 表 进 口 位 置 。当 摆 头 的 转 数 为 4 的 时 候 ， 根 据压 力 和 应 变 率 的 顺 序 ， 这 三 个 变 形 区图 6. 接 触 区 域 三 个 部 分 的 应 力 和 应 变 率 :(a)AB 部 分 ; 域 的 变 形 情 况 的 分 布 可 以 在 图 6 中 表(b)CD 部 分 ;(c)EF 部 分 。 达 出 来 。 另 一 方 面 ,在 工 件 顶 部 表 面 的变 形 区 可 分 为 四 个 区 域 ,如 图 7(a)所示 ,底 部 表 面 的 变 形 区 可 分 为 两 个 区 域 如 图 7(b)所 示 。 3.2.塑 性 变 形 区 变 形 情 况 的 分 析从 图 6 可 以 看 出 ,工 件 的 变 形 区 域 看 起 来 像 一 个 蘑 菇 ,在 工 件 的 下 部 还 有 一 个 锥 形 的 固 定 区 域 。从 图 6(a)可 以 看 出 ， 在 直 线 AB 退 出 变 形 的 区 域 ， 区 域 I 和 II 是 承 受 3d 压 应 力 的 主 要 变 形 区(即 .轴 向 、 径 向 和 切 向 方 向 ),但 是 不 同 区 域 的 压 力 大 小 不 用 。 在 区 域 I， 径 向 应 力 的 绝 对 值 大 于 切向 应 力 ,他 们 都 是 非 常 小 的 ,因 为 这 部 分 位 于 退 出 接 触 区 域 。 在 区 域 II 切 向 应 力 的 绝 对 值 高 于 径 向压 力 。 应 变 率 和 压 力 有 着 一 致 的 变 化 ， 并 且 材 料 变 形 区 沿 轴 向 方 向 缩 短 ,但 沿 着 径 向 和 切 向 方 向拉 长 。 在 退 出 接 触 区 域 ， 区 域 I 和 II 的 应 变 率 比 其 他 部 分 更 小 ,所 以 他 们 对 变 形 结 果 不 发 挥 主 要作 用 。在 接 触 区 域 的 中 间 部 分 (CD)的 变 形 是 最 严 重 的 。 在 区 域 I 和 II(图 6(b)材 料 受 到 3d 压 应 力 的影 响 。 因 为 切 向 压 应 力 的 绝 对 值 大 于 径 向 应 力 ， 所 以 区 域 I 的 主 要 变 形 是 径 向 伸 长 ,区 域 II 则 正好 相 反 。 异 乎 寻 常 的 是 ,切 向 拉 应 力 出 现 在 区 域 III,因 为 材 料 的 切 向 伸 长 在 区 域 II。 在 入 口 部 分 (EF),区 域 I 也 是 一 个 3 d 压 应 力 区 ,但 主 要 的 变 形 情 况 是 切 线 方 向 的 伸 长 。 在 区 域II， 材 料 受 到 沿 着 径 向 和 切 向 两 个 方 向 的 拉 伸 应 力 。在 CD和 EF部 分 ， 从 上 到 下 ,应 力 和 应 变 率 的 绝 对 值 明 显 减 小 ， 底 部 的 最 大 值 约 是 顶 部 的 10%。在 接 触 区 域 的 变 形 ， 可 以 看 出 工 件 的 主 要 变 形 区 域 在 顶 端 ， 主 要 变 形 模 式 是 切 向 伸 长 。根 据 图 7(a),工 件 顶 部 表 面 的 变 形 模 式 可 以 划 成 四 个 部 分 。 可 以 看 出 ,在 顶 面 的 应 力 -应 变 率 的状 态 是 非 常 复 杂 的 。 在 区 域 I， 施 加 沿 径 向 和 切 向 方 向 的 拉 伸 应 力 以 及 产 生 的 主 要 变 形 是 切 向 伸长 。 在 区 域 II 和 区 域 III， 区 域 II 在 3 d 压应 力 下 的 主 要 变 形 是 径 向 伸 长 ,而 在 区 域III， 主 要 变 形 是 切 向 伸 长 。 在 区 域 IV的 边缘 ， 材 料 受 到 比 其 他 三 个 区 域 绝 对 值 较 低的 切 向 方 向 的 拉 应 力 和 径 向 方 向 的 压 应力 。 从 图 7(b)可 以 看 出 ， 底 部 表 面 的 变 形 情况 比 顶 部 表 面 的 简 单 。 此 外 ,工 件 底 部 表 面的 塑 性 变 形 区 和 应 变 率 的 绝 对 值 都 比 顶 部表 面 更 小 。 在 整 个 塑 性 区 域 ， 三 个 主 应 力都 是 压 应 力 。 区 域 I， 径 向 的 伸 长 大 于 切 向方 向 ,而 相 比 之 下 ,区 域 II 的 切 向 应 变 率 略 大 于 径 向 应 变 率 。3.3. 分 析 典 型 位 置 的 应 变 变 化在 截 面 上 提 取 六 个 典 型 的 点 的 切 向 和径 向 压 力 来 定 量 地 描 述 变 形 过 程 和 结 果 。六 个 点 的 位 置 如 图 8 所 示 。 从 图 9 所 示 的径 向 应 变 的 变 化 过 程 可 以 看 出 点 1的 远 远 高 于 其 他 点 ， 点 5 的 有 图 7. 工 件 顶 部 和 底 部 表 面 的 应 力 和 应 变 率 变 化 ：较 低 的 值 。 其 他 点 的 值 几 乎 相 同 ,并 (a) 顶 部 表 面 ; (b) 底 部 表 面 。且 增 加 缓 慢 。 因 此 ， 顶 部 表 面 中 心 金 属 严 重 的 径 向 伸 长 是 产 生 蘑 菇 效 应 的 原 因 之 一 。 从 图 10 所示 的 切 向 应 变 的 变 化 过 程 可 以 看 出 点 1 和 点 2 的 远 比 其 他 点 大 ， 并 且 点 5 和 点 6 是 最 低 的 。 从 顶 部 到 底 部 ， 的 值 逐 渐 减 小 ， 因 此 顶 部 的 切 向 应 变 大 于 底 部 ： 更 加 严 重 的 切 向 伸长 在 工 件 形 成 蘑 菇 形 的 过 程 中 发 挥 重 要 作 用 。 图 8. 工 件 变 形 截 面 的 典 型 点 . 图 11. 摆 头 23 转 后 对 称 截 面 的 切 向 应 变一 般 来 说 ,因 为 部 分 载 荷 通 过 摆 头 的 圆 锥 面 沿 着 旋 转 方 向 被 施 加 在 工 件 顶 部 ， 所 以 在 顶 部 表面 的 接 触 区 域 更 容 易 产 生 塑 性 变 形 ， 但 是 底 部 的 材 料 就 不 是 那 么 容 易 产 生 塑 性 变 形 了 。 从 顶 部 到底 部 ， 受 到 压 力 的 材 料 区 域 逐 渐 增 加 以 致 于 个 方 向 应 力 的 绝 对 值 减 小 ， 然 后 从 顶 部 到 底 部 的 主 要塑 性 变 形 区 域 减 小 。 在 接 触 区 域 的 中 部 ， 径 向 伸 长 是 首 要 的 主 应 变 ， 然 而 ， 在 大 多 数 塑 性 变 形 区域 ， 因 为 摆 头 锥 形 面 的 辗 压 效 应 使 得 切 向 伸 长 扮 演 主 要 角 色 。 最 后 ， 经 过 摆 头 23 圈 的 摆 辗 后 ，上 表 面 的 直 径 比 下 表 面 的 更 大 ， 以 致 于 工 件 的 形 状 看 起 来 像 一 个 蘑 菇 ， 然 后 在 顶 部 表 面 的 切 向 应变 远 远 大 于 在 底 部 (见 图 11)。 在 某 种 意 义 上 ,变 形 不 均 匀 是 一 种 缺 陷 ,然 而 ,这 一 现 象 也 可 以 用 来 制造 圆 柱 法 兰 7,8。 因 此 ， 在 摆 辗 中 的 蘑 菇 效 应 应 该 被 视 为 摆 辗 工 艺 的 一 个 特 殊 的 优 势 。 图 9. 典 型 点 的 径 向 应 变 . 图 . 10. 典 型 点 的 切 向 应 变4. 总 结当 H / D的 比 值 的 范 围 为 0.5 到 1.0时 ， 在 工 件 上 很 容 易 形 成 蘑 菇 效 应 。 因 为 部 分 载 荷 通 过摆 头 施 加 在 工 件 上 ， 底 部 的 接 触 面 积 远 远 大 于 顶 部 ， 这 样 ， 底 部 的 材 料 就 更 不 容 易 变 形 。从 顶 部 到 底 部 ， 受 到 压 力 的 材 料 面 积 逐 渐 增 加 以 致 于 不 同 方 向 的 应 力 绝 对 值 减 小 ， 然 后 从 订不 到 底 部 的 主 要 塑 性 变 形 区 域 减 小 ， 特 别 是 工 件 底 端 有