（机械电子工程专业论文）板式翅片滚压成形过程数值模拟与参数控制规律的研究.pdf

摘要 论文题目：板式翅片滚压成形过程数值模拟与参数控制规律的研究 学科专业：机械电子工程 研究生：石秋强签名：丑巡塾 指导教师：郑建明教授签名：塑丝型 f 摘要 板式翅片作为强化传热的核心元件已广泛应用于各领域，其加工质量和结构的优劣直 接影响着强化传热的性能，因此，研究和探索翅片加工的新工艺则具有很重要的意义。本 文针对目前板式翅片加工过程中存在的工艺复杂、制造成本高以及制件使用性能差等缺 点，提出了一种板式翅片的绿色加工工艺一滚压成形加工。 论文分析了板式翅片滚压成形过程中塑性变形的特点，建立了滚压成形过程中滚压成 形刀具受力的数学一力学模型，推导出了滚压成形刀具上的受力预测计算公式；根据金属 塑性变形的原理，设计了滚压成形刀具，基于体积不变原理和最小阻力原理，建立了翅成 形的理论计算模型，获得了翅片高度的理论计算公式，为板式翅片滚压成形工艺的进一步 研究提供理论依据。 基于滚压成形中滚压成形刀具和工件间相对运动关系，建立了板式翅片滚压成形的有 限元分析模型，采用d e f o r m 一3 d 有限元分析软件实现了板式翅片滚压成形过程的数值模 拟；分析了a 型翅片和矩型翅片滚压成形过程中工件上的等效应力、等效应变分布状态 及流动速度场，采用点追踪方式研究了工件材料在滚压过程中的变形情况，给出了工件上 各追踪点的应变幅度曲线，揭示了板式翅片滚压成形过程中金属塑性流动的规律。 针对翅片滚压成形中滚压成形刀具的结构问题，研究了滚压成形刀具在滚压成形过程 中不同时刻的等效应力分布情况，分析了a 型翅片和矩型翅片成形过程中刀具上的载荷 变化，为滚压成形刀具结构的优化设计提供有效参考。 采用正交试验方法，获得了压下量、滚压速度、摩擦因子和刀尖角等工艺参数对板式 翅片滚压成形的影响规律；利用多元非线性回归的方法获得了翅片高度和板料被拉长的长 度经验方程，经过f 检验，其回归效果显著，可用于指导板式翅片滚压成形的生产实践。 根据板式翅片滚压成形的特点，设计了实验方案，通过实际滚压成形加工实验，获得 了与仿真结果相吻合的翅片结构，表明了数值模拟的真实性和有效预测性，同时，也证明 了板式翅片滚压成形工艺是可用于生产实践的可行性工艺；在数值模拟和滚压实验的基础 上，设计了板式翅片滚压成形设备，为成形设备的生产制造和板式翅片滚压成形工艺的推 广和应用奠定了基础。 关键词：板式翅片；翅片高度；数值模拟；工艺参数：滚压成形设备 西安理工大学硕士学位论文 本研究得到了陕西省自然科学基础研究计划项目板式翅片滚压成形机理及参数控制 方法的研究( 编号：2 0 0 6 e 1 2 3 ) 的资助。 l i a b s t r a c t t i t l e ：r e s e a r c ho nr o l l i n gf o r m i n gp r o c e s s o fp l a t e - f i n s b yn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dl a wo fp a r a m e t e r sc o n t r o l m a j o r ：m e c h a n i c a la n d e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g n a m e - q i u q i a n gs h i s u p e r v i s o r - p r o f j i a n m i n gz h e n g a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： a sas t r e n g t h e n e dh e a tt r a n s f e r sk e yp a r t ，p l a t e - f i n sh a v e b e e nu s e dw i d e l yi nt h ef i e l do f p e t r o l e u mc h e m i c a li n d u s t r y i t sa d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g e o fp r o c e s s i n gq u a l i t ya n d c o n s t m c t i o nh a v ed i r e c ti n f l u e n c eo nt h ep e r f o r m a n c eo fh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t t h e r e f o r e ， e x p l o r 蜀【t i o na n dr e s e a r c ho ft h en e wp r o c e s sf o rf i nm a c h i n i n gh a v ev e r yi m p o r t a n tm e a n i n g t h e ：r ea r em a n yp r o b l e m ss u c ha sc o m p l i c a t e dt e c h n o l o g y , m a n u f a c t u r i n gc o s ta n dh i g h e r , p o o r o p e r a t i o np e r f o r m a n c e ，e t c ，i nt h ep l a t e f i n sp r o c e s s i n gp r o c e s s r o l l i n gf o r m i n gp r o c e s s i n g w h i c hi sag r e e np r o c e s s i n gm e t h o do fp l a t e - f i n si sp r e s e n t e da c c o r d i n gt ot h o s ep r o b l e m si n t h i sp a p e r t h ec h a r a c t e r i s t i co fp l a s t i cd e f o r m a t i o ni nr o l l i n gf o r m i n gp r o c e s sf o rp l a t e - f i n s i s a n a l y z e d t h em a t h e m a t i c sa n dm a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h ef o r c e so fr o l l i n gf o r m i n g t o o li n r o l l i n gf o r m i n gp r o c e s si sc o n s t r u c t e d t h ef o r c ep r e d i c t i o nc a l c u l a t i o nf o r m u l ao fr o l l i n g f o m l i n gt o o li sd e r i v e d r o l l i n gf o r m i n gt o o l sh a v e b e e nd e s i g n e dw i t ht h ep r i n c i p l eo fm e t a l p l a s t i c sd e f o r m a t i o n t h et h e o r yc a l c u l a t i o nm o d e lf o rf i n sf o r m i n g i sc o n s t r u c t e db a s eo nt h e c o n s t a n tv o l u m ep r i n c i p l ea n dt h el e a s tr e s i s t a n c ep r i n c i p l e ；t h et h e o r yc a l c u l a t i o nf o r m u l a o ff i n h e i 出i so b t a i n e d ，p r o v i d i n g at h e o r e t i cb a s i sf o rf u r t h e rr e s e a r c ho f p l a t e - f m sr o l l i n gf o r m i n gt e c h n o l o g y b a s eo nt h er e l a t i v em o v e m e n tr e l a t i o n s h i pb e t w e e nr o l l i n gf o r m i n g t o o la n dw o r k p i e c ei n r o l l i n gf o r m i n gp r o c e s s ，t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e lf o rp l a t e - f i n sr o l l i n gf o r m i n gi s e s t a b l i s h e d t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fr o l l i n gf o r m i n gp r o c e s sf o rp l a t e f i n si sc a r r i e do u tb y u s i n gt h ed e f 0 衄3 ds o f t w a r eo ff e m c o m p a r i s o na n a l y s i so nt h ed i s t r i b u t i o no f e f f e c t i v e s 仃e s s e f f e c t i v es t r a i na n df l o wv e l o c i t yf i e l di nr o l l i n gf o r m i n gp r o c e s sb e t w e e na - t y p ef i na n d r e c t a n g u l a r - t y p ef i n t h ed e f o r m a t i o nc o n d i t i o no fw o r k p i e c em a t e r i a l si s s t u d i e db yu s i n g p o i n tt r a c k i n gd u r i n gt h er o l l i n gf o r m i n gp r o c e s s t h es t r a i ne x t e n tc u r v e so fe a c ht r a c i n gp o i n t a r eg i v e n a n dt h ep l a s t i cf l o wl a w so fm e t a la r er e v e a l e di nt h ep l a t e - f i n sr o l l i n gf o r m i n g 1 1 1 i nv i e wo ft h es t r u c t u r ep r o b l e m so nr o i l i n gf o r m i n gt o o l si nf i n sr o l l i n gf o r m i n gp r o c e s s ， t h ee f f e c t i v es t r e s sd i s t r i b u t i o no nt h er o l l i n gf o r m i n gt o o l sa td i f f e r e n tt i m ed u r i n gr o l l i n g f o r m i n gp r o c e s sw a ss t u d i e d c o m p a r i s o na n a l y s i so nt h ev a r i e t yc o n d i t i o no fl o a do nt o o l s d u r i n gr o l l i n gf o r m i n gp r o c e s sb e t w e e na t y p ef i na n dr e c t a n g u l a r - t y p ef i n , p r o v i d ea c e r t a i n r e f e r e n c et ot h eo p t i m a ld e s i g nf o r t h es 仃u c t i l r eo fr o l l i n gf o r m i n gt o o l s w i t ht h em e t h o do fo r t h o g o n a lt e s t ，t h ei n f l u e n c el a wo fp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ，w h i c h i n c l u d er e d u c t i o n ，r o l l i n gs p e e d ，f r i c t i o nf a c t o r , t o o la n g l e ，e t c o nt h ep l a t e f i n sr o l l i n gf o r m i n g i so b t a i n e d ；t h ee x p e r i e n t i a lf o r m u l a so ff i nh e i g h ta n ds h e e tm e t a lb e i n ge l o n g a t e dl e n g t ha r e o b t a i n e db yt h em u l t i p l en o n l i n e a rr e g r e s s i o na n a l y s i sm e t h o d t h er e g r e s s i o nr e s u l t so f t h e f o r m u l a sa r es i g n i f i c a n t l yb yf - t e s t ，c a r lb eu s e dt og u i d et h ep r a c t i c a lp r o d u c t i o no fp l a t e - f i n s r o l l i n gf o r m i n g a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c o fp l a t e - f i n sr o l l i n gf o r m i n g ，a ne x p e r i m e n t a ls c h e m ei s d e s i g n e d t h es t r u c t u r e so ff i n s a r ea g r e e dw i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t sb yr o l l i n gf o r m i n g p r o c e s s i n ge x p e r i m e n t t h er e s u l ts h o w st h a t t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sa u t h e n t i c i t ya n d e f f e c t i v ep r e d i c t a b i l i t y m e a n w h i l e ，t h ep r a c t i c ev e r i f i e st h a tp l a t e f i n sr o l l i n gf o r m i n gp r o c e s s c a nb eu s e di np r a c t i c a lp r o d u c t i o n d e s i g nt h ep l a t e f i nr o l l i n gf o r m i n ge q u i p m e n t sb a s e d o n t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dr o l l i n ge x p e r i m e n t ，l a y i n gt h e f o u n d a t i o nf o rp r o d u c t i o n m a n u f a c t u r i n go ff o r m i n ge q u i p m e n t sa n de x t e n s i o na n da p p l i c a t i o no ft h ep l a t e - f i n sr o l l i n g f o r m i n gp r o c e s s k e yw o r d s ：p l a t e - f i n s ，f i nh e i g h t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，p r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ，r o l l i n g f o r m i n ge q u i p m e n t s t h ep r o j e c ts u p p o r t e db yn a t u r a ls c i e n c eb a s i cr e s e a r c hp l a ni ns h a a n x ip r o v i n c eo f c h i n a “r e s e a r c ho np l a t e f i n sr o l l i n gm e c h a n i s ma n dp a r a m e t e r sc o n t r o lm e t h o d ”( n o ：2 0 0 6 ei2 3 ) 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：五拯逢 年 月日 学位论文使用授权声明 11) 勿 本人么! 壶丝塾在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图二 弓馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究牛部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：乏在鹭龟导师签名： 1 广7 、一 w9 8 年弓a 玎黾 1 绪论 1 绪论 1 1 课题来源及研究意义 本课题属于陕西省自然科学基础研究计划项目“板式翅片滚压成形机理及参数控制方 法的研究”( 项目编号：2 0 0 6 e 1 2 3 ) ，来源于陕西省科技厅。针对目前板式翅片加工中出现 的工艺复杂、掉翅、成本高，材料利用率低等问题，以绿色制造为目标，借鉴管式翅片塑 性加工的成功经验，根据塑性成形原理，提出一种板式翅片滚压成形加工的新方法。该方 法利用专用设备，专用刀具，把滚压加工与塑性成形有机地结合起来，抛弃传统机械加工 中去除材料的方法，而采用滚压的方法使金属板料变形为翅片，是一种具有广泛应用前景 的绿色制造工艺。 板式翅片滚压成形技术是将数排不同翅形的滚压成形刀具在空间并列布置，滚压成形 刀具绕其固定轴线旋转，工件送入滚压成形刀具后，依靠滚压成形刀具与工件之间的摩擦 力拖动工件向前运动，利用滚压成形刀具提供的成形空间控制金属材料的变形与流动，使 塑性良好的金属发生连续局部塑性变形，最终形成高于基体表面的板式翅片。 i 本文以研究板式翅片滚压成形方法为核心，采用有限元软件数值模拟方法，展开对板 式翅片滚压成形过程中的成形机理及工艺参数精确控制方法的研究，分析比较a 型翅片和 矩型翅片在滚压成形过程中的金属变形情况，揭示这种加工原理的金属变形规律以及翅片 形状与滚压成形刀具之间的作用关系；探索如何实现在一次连续的滚压成形过程中，使金 属按预定的要求迅速的流动和变形，并获得理想的翅片；找出影响成形表面结构形状和尺 寸特征的控制参数的变化规律，以形成能够达到预期要求的翅片形状；要通过建立正交试 验表模拟翅片滚压成形加工过程，获得压下量、滚压速度、滚压成形刀具的刀尖角和摩擦 因子对翅片成形的影响规律；采用多因素试验方法和多元非线性回归方法对影响翅片高度 和翅片基体长度的因素进行系统研究，以获得可以指导实际计算翅片高度和翅片基体长度 的经验公式；为今后板式翅片在工业中的设计、加工和使用提供有效参考依据。要根据仿 真结果和数据，结合实际情况，设计出板式翅片滚压成形的加工设备，为板式翅片滚压成 形加工技术的实际应用和推广提供有效的保障。 1 2 本课题的研究背景 1 2 1 板翅式换热器的特点及其发展状况 热能是普遍使用、易于转换、在工业企业生产中广为使用、必不可少的动力能源。在 实际生产、生活中，对热能最直接的利用就是通过换热器进行热量交换。换热器的应用广 泛，日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等， 都是换热器。它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。它的主要功能是保 西安理工大学硕士学位论文 证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。 由于制造工艺和科学水平的限制，早期的换热器只能采用简单的结构，而且传热面积 小、体积大和笨重，如蛇管式换热器等。随着制造工艺的发展，逐步形成一种管壳式换热 器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而且传热效果也较好，长期以来在工业生产中 成为一种典型的换热器。 2 0 世纪3 0 年代初，瑞典首先研制了螺旋板翅式换热器，接着英国马尔斯顿半艾克歇尔 瑟公司用钎焊法制造了一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散 热。3 0 年代末，瑞典又研制出了第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解 决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。到2 0 世纪5 0 年代才 开始在空分设备中应用。随着冶金、化学工业对空分设备的大量需求，有力的推动了板翅 式换热器技术的进步。在我国，板翅式换热器由杭州制氧机集团有限公司，在2 0 世纪6 0 年代中期开发成功，使我国成为继英国、美国和日本之后第四个能够生产这种换热器的国 家。由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上 冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板 翅式换热器的蓬勃发展和广泛应用。 换热器按传热方式的不同可分为混合式、蓄热式和间壁式三类。 混合式换热器是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器，又称接触 式换热器。由于两流体混合换热后必须及时分离，这类换热器适合于气、液两流体之间的 换热。例如，化工厂和发电厂所用的凉水塔中，热水由上往下喷淋，而冷空气自下而上吸 入，在填充物的水膜表面或飞沫及水滴表面，热水和冷空气相互接触进行换热，热水被冷 却，冷空气被加热，然后依靠两流体本身的密度差得以及时分离。 蓄热式换热器是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体( 填料) 表面，从而进行热 量交换的换热器，如炼焦炉下方预热空气的蓄热室。这类换热器主要用于回收和利用高温 废气的热量。以回收冷量为目的的同类设备称蓄冷器，多用于空气分离装置中。 间壁式换热器的冷、热流体被固体间壁隔开，并通过间壁进行热量交换的换热器，因 此又称表面式换热器，这类换热器应用最广。 间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。管式换热器以 管子表面作为传热面，包括蛇管式换热器、套管式换热器和管壳式换热器等；板面式换热 器以板面作为传热面，包括板式换热器、螺旋板换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和 伞板换热器等；其他型式换热器是为满足某些特殊要求而设计的换热器，如刮面式换热器、 转盘式换热器和空气冷却器等。 板翅式换热器如图1 1 所示，具有结构紧凑、轻巧及传热效率高的特点，与管壳式换 热器如图1 2 相比，其传热效率可提高2 0 - - - 3 0 ，成本可降低5 0 ；热损小、阻力损失 小、冷却水量少；占地小，易维护，灵活性强；投资较低、使用范围广；有利于低温热源 的利用等多种优点一直以来在换热领域得到了普遍的应用和推广，并已广泛应用于机械、 2 绪抢 电力、冶会、化工、轻纺、饮料、城镇供热等行业和领域，表现出很强的竞争力m 】 嘹辩 幽1 - 1 板翅式换热器 f i gl ip l a t ef i nh e a te x c l m n g e r 目1 - 2 斡壳式换热器 f i gl 2s h e l la n dt u b eh e a t e x c h a n g e r 扳翅式换热器的传热过程e 要足通过翅片的热传导以及翅片与流体之问的热对流求 完成的。但是，由于板翅式换热器换热面形状复杂，壁面极薄，流体通道猿窄，通道内流 体流动和传热规律十分复杂口j 。其换热教率、i e 降、质量这个指标之间柏虹矛盾，相互 ：l 约，具有不确定性。目前，对扳翅，换热器结构和性能改进出现了很多的 法口”，这 些方法中最为有效的就是对翅片的加t t 艺的改进。但m 于采州现行的牛产j = 艺加il 的翅 片毛刺、焊接过程翅片的微小错位等因素对板翅式换热器陛能有重要的影响，凼此人们在 小断的寻找新的加上上艺方往来提高板式换热器的陆能”。近年来，板翅式换热器的设 计理沦、试验研究、制造j 艺、丌拓应川的研究方兴末艾，特别是一些新投术的渗透，使 兑应明范同更加广泛，进入了一个新的发展时期， 1 2 2 翅片成形工艺的发展现状 翅片作为强化传热的核心元件已广泛应用于备工业领域，其质舒的优劣直接影响强化 1 热的性能。翅片通常有如图l 一3 所示的板式翅片和如图l 一4 所_ i 管式翅片两种，板式翅 片大多采用机械的冉法在板料上形成定片距、定高度、止厚度的翅片，可咀改善流 体的流动状态冈而传热效率比较高。扳式翅片按照制造方法的小同可分为整体翘片、焊 接翅片和机械连接翅片，其- p 整体式翅t 叶是山扳料直接加丁形成的，翅片和基座之训尤接 触热阻，田此受到了国内外学占的j _ 泛重视，已丌发出了各利结构形式的高教传热翅片。 阁1 - 3 扳式坦片h 1 4 管式翅片 随着人f q 、保节能意 的不断加强“绿色浪潮”已存肚群 被掀起m l 。采川绿色 i- - _l-f - -u- l ，i - _ll - ，0_ - -i- - _， k l二_ - l i_i- l二 -_：- _i_ii，i_i-_n_i l hp i -_hu_ii-j_ii l i_ i q 西安理工太学碰士学位论之 制造技术已成为制造业实施可持续发展战略、解决环境问题、实现新腾飞的必由之路 ”驯。对于翅片加工来说，为了达到绿色制造的目标，许多专家学者将目标转移到新工艺 的研究并研究开发出如下所述的一些新型绿色加工工艺。 李言教授等1 1 “人提出了“切削一挤压成形方法”柬加工翅片管，该方法在普通车床 上就可实现，类似于细长杆的外圆切削加工，( 如图1 5 所示) 。坯料管的一端用车床卡 盘夹紧，另一端顶在尾座顶尖上，专用刀具( 如图1 6 所示) 装在车床刀架上，同时安装 跟刀架。主轴旋转带动工件回转刀具以一定的切削深度切八工件后，作自动纵向进给， 通过工件与刀具的相对运动，使得刀具的主切削刃切丌的表层金属，不断地滑过刀具前刀 面，逐渐地翻转直立，通过副切削刃的挤压而发生塑性弯曲，牢固地竖立在工件基体上， 形成高于基体的螺旋翘片结构。 蒯i - 5 切削挤压成形原理 f i 9 1 5 c u t t i n g p r e s ss h a p i n g p n n o p l e 图l 正切削一挤压刀具 f 培1 6 c u t t i n g p r e s s t o o l 夏伟等人提出了“劈切一挤压加工方法”，该方法是一种挤压和无屑切削的复合 加工方法，该方法是在普通车床上按通常的切削加工方式进行( 如图1 7 所示) ，在专用 刀具将管表面金属劈切开后，随着挤压量的增加，金属沿径向和轴向流动，通过径向和轴 向挤压使金属塑性变形形成翅片( 如图1 8 所示) 。 c 削1 - 7 劈切挤压成形原理 f i g1 - 7 c h o p p i n ge x l t u s i o ns h a p i n g p n n c i p l e 图i - 8 劈切挤压刀具 f i g l 8 c h o p p i n ge x l n i s i o n t o o l 吴斌等人提出了一种采用了连续局部塑性成形的, b d z i z - - “双面犁法”加工整 体翅片管，( 如图1 - 9 所示) 用特殊设计的加工工具使基管表层金属产生塑性变形，形成 三维翅片结构。该加工方法是一种金属无浪费成形过程在整个加工过程中。表层金属在 加工工具的作用下经受了两次挤压，在加工工具的压力作用下，经过复杂的塑性流动后发 1 绪论 生塑性变形，从而形成最终的表层强化结构三维翅片。 二次挤压成形管 ( 3 维翅片管) t 图l - 9 双面犁法加工整体翅片管的成形数学模型 f i g 1 - 9t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ff o r m i n gi n t e g r a lf mt u b e sb yt h ed o u b l ep l o u g h i n gm e t h o d 汤勇等【1 3 】人针对不锈钢薄板表面加工出翅结构的翅化加工方法，提出了“正犁削” 的加工方法。此方法如( 图1 1 0 所示) 有别于翅形成于刀具侧边的犁削，形成的翅位于刀具 正前方( 如图1 1 l 所示) ，其涉及切削和塑性变形两个领域，它通过切削与挤压以无屑加 工方式形成翅，其加工是间歇性的非连续过程，且每个翅的形成过程中，刀屑接触面积布 断变化，即是逐渐增大的。用该方法加工出来的翅片就象从尖锥的顶峰沿高度方向切成两 半后得到的形状，从板的表面凸出。 。 动方向 一工件运动方向 l 一挡块，2 一不锈钢板，3 一摆块，4 一刀夹，5 一垫板 图1 1 0 正犁削试验装置 f i g 1 10e x p e r i m e n t a le q u i p m e n to fn o r m a lp l o u g h 卜一前角，2 一后角，3 一成翅夹角 图1 一l l 正犁削刀具形状 f i g 1 l lt o o ls h a p eo f n o r m a lp l o u g h 刘亚俊等【1 4 1 人探讨了不锈钢板表面翅化加工方法，提出了“犁切一挤压成形 加工 方法。该方法是指不锈钢基体表层金属在加工刀具的犁切、挤压下，经过充分的塑性流动 后，发生连续局部塑性变形，形成高于基体表面的三维翅片。其犁切、挤压方式如轮船的 流线型船头把水犁开一样，且实现翅片的无屑或微屑加工。在整个加工过程中，加工工具 在表层金属上进行了两次挤压。该加工不同于传统的切削加工，其差异在于所用刀具的不 西安理工大学硕士学位论文 同，犁切一挤压成形加工用的刀具可以归为成形刀具一类。其几何形状如图1 1 2 所示。 ( a ) 向 ( b ) a - 暗4 面 图1 1 2 加工刀具结构图 f i g 1 1 2s 仃u c t u r eo f e x t r u d i n gt o o l 周德明等【1 5 1 人探索了在普通车床上加工出一种新型翅片一a 型翅片的加工方法，即 “滚压一犁切法”。该加工方法包括滚压和挤压一犁切两个步骤，是一种具有犁切和挤压 塑性变形两方面特征的无屑加工方法，用该种方法加工操作简便，形成的外翅片高度远大 于吃刀深度。用该方法加工a 型翅片时分两步，先用特殊制作的滚花刀( 如图1 1 3 所示) 在光管外表面单向滚花，然后用专用的刀具( 如图1 1 4 所示) 进行挤压一犁削加工。在没 有切除多余金属情况下，而且形成了高度远大于吃刀深度的外翅片。 错位光轮 花轮 图1 1 3 单向滚花刀 f i g 1 13u n i d i r e c t i o n a lk n u r l i n gt o o l 1 2 3 滚压加工的研究现状 成翅 挤压 倾角 图l 1 4 挤压一犁切刀具 f i g 1 - 1 4p l o u g h i n g - e x t r u s i o nt o o l 滚压加工是一种无屑冷加工方式【l 引，是连续局部塑性成形技术在表面加工方面的应 用，也是传统表面加工方式的一种变革，具有高效、环保、工艺简单、节能、节材等诸多 优点。滚压后工件的表面粗糙度和工具的表面粗糙度相当，加工过程没有切屑，也不需要 对工具反复进行修整，它除了能够获得较低的表面粗糙度，而且还能使表面层产生应变硬 化效果【1 7 8 】。滚压最初用于表面强化，但近年来越来越多地被用来代替磨削进行表面的精 密处理和一些成形工艺【1 9 2 1 1 。以往对滚压加工的研究大多集中在工艺方面【2 2 2 3 1 ，理论研究 的少，并且多集中应用在轴类和孔类零件【2 4 37 1 ，在平面滚压加工方面的研究和应用实例极 为少见。 滚压加工理论是以工艺实验为基础，同时对实践应用具有指导作用。在滚压加工理论 研究方面至今未发现相关报道，目前研究金属冷压加工( 冷轧和平整轧制等) 压力的计算 6 l 绪论 方法归纳起来主要有以下几种类型：工程法、滑移线法、变分法、上限法以及有限元法【3 8 。3 9 】 等。 1 9 2 9 年，德国开始把滚压加工技术用于机车轴以及汽车、飞机曲轴的强化。上世纪 4 0 年代至5 0 年代，这一技术的应用面有所扩大，开始应用于圆柱形缸体内外圆表面、轴 承以及密封面的加工。到上世纪5 0 年代，美国在工业上第一次采用滚压加工其目的，仅 仅是改善火车车轴及机车轴的疲劳强度，至2 0 世纪6 0 年代，滚压加工已经得到比较广泛 的应用，不仅汽车行业，其它行业也开始采用，但在很长时期内应用面一直比较狭窄。在 以后几十年时间里，滚压技术得到了一定程度的应用和推广，滚压方式开始变得多种多样， 相继出现了旋风式滚压、行星式滚压等一些技术先进而且高效的滚压形式。后来，滚压的 方式上也有所突破，出现了振动滚压、超声波滚压等一些新型的滚压方法，使滚压的精度 和效率进一步提高【4 0 ，4 1 1 。 国内对于滚压的探索和研究开始于2 0 世纪5 0 年代，其研究范围包括内孔和外圆的表 面加工、齿轮轮齿的滚压光整加工、螺纹的滚压加工等。近年来，滚压技术不断发展，也 得到了越来越多的应用。目前，国内滚压加工的研究和应用同样主要集中于工件内外圆表 面的加工上，而其中应用较多的还是在曲轴制造方面。洛阳轴承公司【4 2 】在大型车床上进 行粗、精车后用滚压工艺加工平锻机和钢球滚子冷锻机等机床的曲轴；东风汽车公司利用 滚压生产球墨铸铁材料的曲轴，在不改变原设计结构尺寸和材料的情况下，不仅解决了曲 轴强度不足的问题，而且使曲轴的弯曲疲劳强度提高了8 0 以上。其它方面的应用也有 很多，例如利用传统滚压方法或者把滚压同其它工艺相结合加工一些具有特殊工艺要求的 产品，包括用精车、滚压复合加工生产活柱塞；气缸【4 3 】和油缸【“，4 5 】内孔的滚压加工；有 色金属轴套孔的滚压加工等【删：以及活塞、活塞杆等需要相互紧密配合的零件的滚压加 工等。在这些加工领域，滚压显示出了其独特的优势。 总之，对于滚压加工的研究一直较为落后，应用面过于狭窄，相关的基础研究跟不上， 还未形成系统的理论体系结构，在滚压设备的研究和开发方面也相当滞后，滚压工艺的潜 在优势远远没有在生产中得到充分发挥。 1 2 4 有限元模拟技术在塑性成形过程中的应用 在制造业中，材料的塑性加工占有极其重要的地位，同时也是制造业中最古老的制造 方法之一，由于这种加工方法的独特优点，并且由于本行业科研人员的不懈努力，至今仍 在制造业中占据主要地位。根据统计，塑性加工在制造业的总产值中已经超过了机床切削 加工，并有继续上升的趋势。 金属塑性成形，是在外力作用下使金属产生塑性变形，加工成所需形状和尺寸的工件 的加工方法。也称为塑性加工或压力加工，是现代化制造业中金属加工的重要方法之一 1 4 7 】。由于塑性成形工艺影响因素甚多，有些因素如摩擦与润滑、变形过程中材料的本构 关系等机理尚未被人们完全认识和掌握，因此到目前为止还未能对不同材料不同形状的制 7 西安理工大学硕士学位论文 件成形过程作出准确的定量判定。正因为大变形机理非常复杂，使得塑性成形研究领域一 直成为个充满挑战和机遇的领域。 正是由于金属成形过程伴随着很大的塑性变形，而塑性变形过程中既存在几何非线性 ( 应变与位置之间的非线性) 特征，又有物理非线性( 应力与应变之间的非线性) 特征， 加之初始条件的复杂性及数学处理上的困难，因而长期以来人们只能回避这些难点才能分 析金属塑性成形问题。 近几十年来，随着社会经济和其他相关支柱产业的发展，塑性加工工业得到了前所未 有的新发展，新工艺、新技术、新设备和新产品层出不穷，同时也对塑性加工技术提出了 更高的要求。 在传统工艺分析中，主要还是依靠工程类比和设计经验，经过反复试验和调整工艺参 数来消除成形过程中的产品缺陷。但是仅仅依靠类比和传统的经验工艺分析的方法已无法 满足高速发展的现代金属加工工业的要求。因此，现代金属成形工艺分析过程中，建立适 当的“过程模拟”非常重要。随着计算机技术的发展，人们已经认识到数值模拟在金属成 形工程中的重要价值，这一领域已成为现代国内外学者的研究热点。 2 0 世纪8 0 年代以来，c a d 和c a e 等单元技术开始运用到塑性成形工艺分析、规划 与模具设计上。随着这些单元技术的不断发展，近年来通过它们的集成形成了基于知识的 成形专家系统，并且有朝着集成化的塑性加工虚拟制造系统发展的趋势。作为系统必要支 撑技术的计算机数值模拟技术，早已受到世界各国尤其是发达国家的高度重视，在国外己 有不少塑性有限元商品软件推出，并在许多国家的研究部门和生产企业中得到应用，如美 国的d e f o r m ，a b a q u s ，m a r c 和法国的f o r g e 等等。自2 0 世纪8 0 年代中期以来， 我国有许多高等学校和科研院所开始该方面的研究软件开发，目前也有少数企业已开始应 用，但与国外相比软件技术水平和应用程度尚有明显差距。 然而，作为塑性加工行业来讲，目前仍处于以经验和知识为依据、以“试错为基本 方法的工艺技术阶段。塑性加工生产一般是根据市场需求，对制品进行加工工艺性分析， 确定成形工艺方案，同时进行加工工具的设计与制造，然后依照已确定的工艺规程进行生 产加工。其中，最关键的环节是加工工具的设计和制造。加工工具的设计和制造合理与否， 直接决定着能否生产出满足要求的制品。传统的加工工具设计与制造过程是一个基于经验 知识的跨行业工作过程，企业的各部门之间相互独立，专业化程度高，模具设计和制造作 为两个独立的环节，两者之间缺乏有机的联系和信息反馈。加工工具的设计与制造过程需 要经过设计、试制、再修改设计的多次反复，导致加工工具的制造周期长、成本高，而失 去了市场竞争的优势。这种“反复试直到设计合理”是传统塑性加工技术的重要特征，它 使得产品质量靠检验来保证，而不是溶入设计、制造的全过程。c a d c a e 技术在塑性加 工中的应用处于初级阶段，大多数c a d 系统过分强调设计能力，基于一般的经验知识代 替人工的简单而重复的工作，它的积极意义在于把设计人员从繁冗的设计绘图中解放出 来。但目前的系统缺乏对涉及对象的分析、检测以及修改功能，对整个塑性加工过程没有 1 绪论 起到本质的改变。因此，塑性加工行业的这种现状是不能满足整个制造业的发展要求的。 解决上述问题的途径是将虚拟制造技术应用于塑性加工全过程，其中的成形过程虚拟 仿真( 模拟分析) 显得尤为重要。对成形过程的虚拟仿真，可以在加工工具制造之前，检验 加工工具关键工作部分形状和尺寸设计的合理性，分析材料的流动规律，预测是否产生缺 陷，此外还可以对其他工艺参数进行优化分析。这样，可以确保工艺、设计和加工工具制 造一次成功，主要问题在设计阶段就完全解决，使塑性加工进入以模型化、最优化和柔性 化为特征的工程科学阶段，提高塑性加工行业的科学化水平。 而有限元法与其它塑性加工模拟方法相比，功能最强、精度最高、解决问题的范围最 广。它可以采用不同形状、不同大小和不同类型的单元离散任意形状的变形体，适应于任 意速度边界条件，可以方便地处理模具形状、工件与工具之间的摩擦、材料的硬化效应、 速度敏感性以及温度等多种工艺因素对塑性加工过程的影响，能够模拟整个金属成形过程 的流动规律，获得变形过程任意时刻的力学情况和流动情况，如应力场、速度场、温度场 以及预测缺陷的形成和扩展。 从理论上讲，塑性有限元法可以模拟分析各种塑性成形工艺。但是，塑性有限元法的 这种分析能力，除了与计算机硬件和相关的软件技术有关外，还取决于模拟大变形过程嗨：