（机械工程专业论文）复杂曲面、薄壁件精密旋压成形技术研究.pdf

，6 5 4 3 3 7 复杂曲面、薄壁件精密旋压成形技术研究 机械工程领域 研究生陈辉指导老师闽小俊、黄在品 现代旋压技术是一项先进的塑性成型工艺，已广泛应用于航天及军事工 业，成为制造小批量回转薄壳体的重要成型方式。 目前，国内外在以上方面的研究成果主要给出了实验数据和经验总结。 但由于旋压的影响因素很多，工艺非常灵活，仅参考实验数据和依靠经验难 以提高成型质量和加工效率。因此，很有必要从旋压连续的局部塑性变形状 态入手，采用计算机数值模拟、理论分析与实践研究相结合的研究方法，研 究并系统认识多道次旋压变形规律，寻求符合实际的工程化的变形力学模 型，使实际的多道次旋压成型过程建立在对变形规律与旋轮运动轨迹定量描 述和分析基础上，确定出合理的旋轮运动轨迹，为旋压工艺制定提供工程实 用的科学依据。 本课题主要针对l y l 2 材料的带曲母线筒型件进行精密旋压成形技术研 究，采用数值模拟分析与工艺试验相结合的方法，对材料的可旋性，旋压成 型时的塑性变形机理进行分析，寻求工艺参数等对旋压成形精度的影响规 律，进行工艺参数、工艺方案的优化设计。 根据对缩径旋压变形特点的分析，采用四节点轴对称单元对板料划分网 格，同时也使用了一些有效的加载和处理边界条件的方法，从实际出发建立 力学模型对缩径旋压进行弹塑性有限元模拟，并从有限元分析过程中得到应 力和应变的分布情况。本文还对不同温度下的变形情况进行了比较。结果表 明： a )与模拟结果一致，在常温时进行旋压，毛坯硬化程度、抗力大小都 明显增人，而且模拟过程中，常温加工的等效应力值比较接近甚至超过材料 发牛破坏的临界值，容易产牛缺陷及发牛断裂现象，实验电表明在此温度下 得到的旋压件具有“鱼鳞化”起皱、“桔皮”、“开裂”等缺陷，放小宜采用 冷旋进行加工。 b ) 存3 0 0 一，右进行旋压，毛搠：塑性提高，强度下降，从模拟结果中 也n j _ 以看出，加i 过程巾的等效应力比常温加一刚f 降1 6 倍左 ，扯实验 过程中也发现，在3 0 0 时的成型性能明显蚶j 一常温时的成型性能：但过高 的温度会影】l | q 材料证度和塑忭的最佳结台，肖接影i h 到旋压成型伟曲坶线 成形段产 t - 抓i ，偷移f 州：轴心线，出现捉命属层书，连，压挤起包等现象， 不具备良好的旋压性能 c ) 在缩径旋压成型实验的基础卜，对旋压工艺条件进行选择和优化， 应用这些实验得到的工艺参数，叮以加工山尺寸精度高、外形复杂的曲面薄 壁件。 关键词：缩径旋压弹塑性有限兀工艺参数薄壁复杂曲面 r e s e a r c h0 1 1t h et u r n i n g f o r m i n g o ft h i na n dc o m p l i c a t e dc o n t o u rs u r f a c e m a j o ri nm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g g r a d u a t e ：c h e n - h u is u p e r a d v i s e r ：m i nx i a o - j u na n dh u a n gz a i - p i n m o d e mt t m f i n gt e c h n o l o g y , a na d v a n c e dp l a s t i cf o r m i n gp r o c e s sw i d e l y u s e di na e r o s p a c ea n dm i l i t a r yi n d u s t r y , h a sb e c o m ea ni m p o r t a n ts h a p i n gm e t h o d f o rf l e x i b l em a n u f a c t u r i n go fs m a l l 1 0 tr o t a r yt h i ns h e l l s a tp r e s e n ti n t e m a la n de x t e m a lp r o d u c t i o no nt h ea b o v ea s p e c tm a i n l y o f f e r e dt h ee x p e r i m e n td a t aa n dt h es u m m a r i z eo fe x p e r i e n c e b u tt h e r ea r em a n y e f f e c tf a c t o r si n t u r n i n gt e c h n o l o g y , a n dt h ep r o c e s si sv e r yf l e x i b l e ，o n l y c o n s u l t i n gt h ee x p e r i m e n td a t aa n dd e p e n d i n go nt h ee x p e r i e n c ea r ed i f f i c u l tt o i n c r e a s et h ef o r m i n gq u a l i t ya n dp r o c e s s i n ge f f i c i e n c y s oi ti sn e c e s s a r yt os t a r t w i t ht h ec o n t i n u o u sp l a s t i cd e f o m a m i o no ft u r n i n g ，a d o p tc o m p u t e rn u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，t h e o r ya n a l y s i sc o m b i n i n g w i t h p r a c t i c e ，i n v e s t i g a t i n g a n d u n d e r s t a n d i n gs y s t e m i c a l l yt h er o l eo fm u l t i t r a c kt u r n i n gd e f o r m a t i o n ，1 0 0 ka f t e r e n g i n e e r i n gm e c h a n i c sm o d e mm o d e l w h i c ha c c o r d sw i t hp r a c t i c e ，m a k et h e p r o c e s so fm u l t i t r a c kt u r n i n gf o r m i n gb a s eo nq u a n t i t a t i v ed e s c r i p t i o n a n d a n a l y s i st ot h ed e f o r e l a t i o nm l em a dt h em o v e m e n tt r a c ko ft u m i n gw h e e l ，f i x0 1 1 t h er e a s o n a b l em o v e m e n tt r a c ko ft u r n i n gw h e e l ，a p p l ya p p l i e ds c i e n c e f o u n d a t i o nf o rs e t t i n gd o w nt u r n i n gp r o c e s s t h i sr e s e a r c hm a i n l ya i m e da tt u b e s h a p e dw o r k p i e c ew i t hc u r l yg e n e r a t r i x w h i c ht h eb a s em e t a li si y l2 i n v e s t i g a t e di t st u r n i n gt e c h n o l o g yw i t hc o m p u t e r n u m e r i c a ls i m u l a t i o nc o m b i n i n gw i t hp r o c e s se x p e r i m e n t ，a n a l y z e dt h e t u m a b i l i t ya n dp l a s t i cd e f o r m a t i o nm e c h a n i s md u r i n gt u m i n g ，s o u g h tt h ee f f e c t m l ct h a tt h ep r o c e s sp a r a m e t e ra n ds oo nt ot u r n i n gf o r m i n gp r e c i s i o n ，c a r r i e do u t o p t n m z l n gt h ep r o c e s sp a r a m e t e ra n dt h ep r o c e s sp r o j c c t b a s e do i la n a l y s i so ft h ef o r m i n go fc h a r a c t e r i s t i c so fs h r i n k t u r n i n g ，t h e f o u r n o d eq u a d r i l a t c r a la x i a l s v m m e t r i ce 】e n l c n tj su s e df o op o t t i n gt h eb l a n k ，a n d s o p i 3 cm e t h o d st ot r e a tl o a d i n ga n dd y n a m i cb o u n d a f yc o n d i t i o n se f i e c t f r e l yb me 1 ) c e l lp r o p o s e dt h e n am e c h a n i c a l1 n o d e lc 0 1 r e s p o n d i n gt of c a 】ic v 】sc s t a b l i s h e d f b r c l a s t i c - p l a s t i c f e ms i m t t l a t l 0 1 1o r s h r i n k t t l n l i n ga c c o r d i n g l y ，t h e d i s t r i b u t i o n so fs i f c s sa l l ds t a i t li i it h ci 1 3 f i l l l n g 】l a v eb e e na c h lc 、，e df r o mt h ef e m s i l l n a l a t l 0 1 1t h e1 。e s l l i 如o ft i l es 1 i l l a t i o nj 1 1d i f l e e l l tt or n p ma tl i i c1 l a cb c c n c o m p a r e di nt h i sp a d e lt h er e s u l t si n d i c a t e d ： a ) a c c o r d i n gw i t hs i m u l a t i n gr e s u l t s ，t u r n i n gw h e nt h et e m p e r a t u r ew a su pt o 2 0 ”c ，t h ed e g r e eo fr o u g h c a s tr i g i d i f i c a t i o nw a sl a r g e ，t h er e s i s t a n c ew a sd i s t i n c t l a r g e rt h a nt h et u r n i n gr e s u l t sw h e nt h et e m p e r a t u r ew a s3 0 0 ”c ，a n dt h a td u r i n g s i m u l a t i n gt h ee q u i v a l e n ts t r e s so fn o r m a lt e m p e r a t u r em a c h i n i n gw a sn e a r e r e v e ne x c e e dc r i t i c a lv a l u ew h e nm a t e r i a lh a p p e n e dt ob r e a k d e f e c ta n dr u p t u r e e a s i l yt o o kp l a c e ，i tw a si n d i c a t e dt h a tt h et u r n i n gw o r k p i e c eg a i n e da tt h i s t e m p e r a t u r eh a sd e f e c t ss u c ha s “s c a l e ”，c r i n k l e ，“o r a n g e ”，“c r a z e ”，s oc o l d t u r n i n gw a sn o ts u i t a b l et oa d o p t b ) t u r n i n ga tt h et e m p e r a t u r ea b o u t3 0 0 “c ，t h ep l a s t i c i t yo ft h er o u g h c a s t i n c r e a s e da n dt h es t r e n g t ho ft h er o u g h c a s td e c r e a s e d ，f r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t s t h e e q u i v a l e n ts t r e s sd u r i n gp r o c e s s i n gf e l l1 6t i m e si nc o m p a r i s o nw i t h p r o c e s s i n ga tn o r m a lt e m p e r a t u r ed u r i n ge x p e r i m e n tt h ef o r m a b i l i t ya t3 0 0 w a so b v i o u s l yb e t t e rt h a nn o r m a lt e m p e r a t u r e ，h o w e v e r , e x o r b i t a n tt e m p e r a t u r e c o u l da f f e e tt h eo p t i m a lc o m b i n a t i o nt h es t r e n g t ha n dp l a s t i c i t yo fm a t e r i a l ，a n d s t r a i g h t l ya f f e c t e dt h ef o r m i n g ，m a dt h a td i s t o r t i o nw a sp r o d u c e do nt h ef o r m i n g s e c to ft h ec u r l yg e n e r a t r i x ，d e p a r t e df r o mt h ew o r k i n ga x e sl i n e ，a p p e a r e dt h e p h e n o m e n as u c ha sc o n g l u t i n a t i o no ft h es u r f a c em e t a ll a y e le x t r u s i o nc r i n k l e w i 也o u tg o o dt u r n i n gc a p a b i l i t y c ) b a s eo ne x p e r i m e n to ft h ef o r m i n gw i t hs h r i n k t u r n i n g ，t h et e c h n o l o g i c a l c o n d i t i o n so ft u r n i n gh a v eb e e nc h o s e na n do p t i m i z e d w i t ht h o s et e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r s ，t h et h i n c o m p l i c a t e dc o n t o u rs u r f a c ecanb ea c h i e v e dw i t hf i n e d i m e n s i o n sa n de x c e l l e n ts h a p e k e y w o r d s ：s h r i n k t u r n i n g e l a s t i c - p l a s t i cf e mp r o c e s s p a r a m e t e r s t h i n c o m p l i c a t e dc o n t o u rs u r f a c e 四川大学工程硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 塑性加工是利用材料的可塑性完成以成型为主要目的的一种制造方法，具有悠 久的历史，是制造业的一个重要分支。其具有高产、优质、低耗等显著特点，己成 为当今先进制造技术的重要发展方向。工业部门的广泛需求为塑性加工新工艺和新 设备的发展提供了强大的原动力和空前的机遇。通过与计算机的紧密结合，数控加 工、激光成型、人工智能、t 4 t ：4 科学和集成制造等一系列与塑性加工相关联的技术 发展【l 】。使得塑性加工新工艺和新设备如雨后春笋般地涌现。但是，随着国际市场 竞争、知识经济和绿色制造的兴起，作为传统制造业的塑性加工将面临新的挑战， 发展先进塑性加工技术已成为时代的需要。 现代旋压技术是广泛应用于航空、航天、军工等金属精密加工技术领域的一 种先进塑性成型工艺，由于其具有容易实现产品轻量化、柔性化、高效、精密成型 制造等特点，已成为小批量、多品种回转型薄壁壳体零件的重要加工方法。目前， 国外特别是美国、日本、德国等许多发达国家的旋压技术日臻完善，不论在设备设 计与制造、理论与工艺研究、旋压技术的应用等方面都有很大的发展 2 4 1 。我国的 压技术珂始于六十年代初期，经过几十年的努力，我国在旋压技术设备和旋压工艺 理论基础研究方面取得了很多的进展，使得旋压技术应用日益广泛，但仍不能适应 我国国民经济发展的需要，特别是在理论研究方面至今仍然是一个薄弱环节，这己 成为影响我国高档设备使用效率和旋压工艺进一步推广应用的瓶颈。因此，加强旋 压成形技术的理论研究，建立系统的基础性资料，是旋压技术发展中的一项重要内 容。 1 2 旋压的定义及分类 旋压是利用旋压工具对旋转坯料施加压力，使之产生连续的局部塑性变形而成 形为所需空心回转零件的塑性加工方法。通常是先将金属平板毛坯或预制坯卡紧在 旋压机疗芯模上，由主轴带动芯棒和坯料旋转，产生连续、逐- 点的塑胜变形，从而 获得各种母线形状的空心旋转体零件 9 1 。旋压工艺的加工原理如图l l 。 根据加工过程中毛坯厚度的变化情况，一般将旋压工艺分为普通旋压和强力旋 压两类 陈辉：复杂曲面、薄壁件精密旋压成形技术研究 图i - 1 1 一芯模2 毛坯 旋压示意图 3 尾顶4 一旋轮 1 21 普通旋压 普通旋压简称普旋。传统观点认为，普旋过程中毛坯的厚度基本保持不变， 成型主要依靠坯料沿圆周的收缩及沿半径方向上的伸长变形来实现，其重要特征是 在成型过程中可以明显看到坯料外径的变化。 普通旋压的基本方式有：拉深旋压( 拉旋) 、缩径旋压( 缩旋) 和扩径旋压( 扩 旋) 等三种。 拉深旋压是指毛坯拉深过程中的旋压成型方法。它是由普通旋压中最主要和应 用最广泛的成型方法。毛坯弯曲塑性变形是它的主要的变形方式。拉深旋压又可分 为简单拉深旋压和多道次拉深旋压。 缩径旋压是指使用旋轮( 或摩擦块) 将回转体空心件或管状毛坯进行径向局部 旋转压缩以减小其直径的成型方法。缩径旋压过程中，将毛坯同心地适当装夹在适 当的芯模中，将需要成型的那部分从中露出外面，当主轴带动毛坯旋转后，由手工 四川大学工程硕士学位论文 操作或自动控制旋轮，按规定的形状轨迹作往复运动，当每次改变方向时给以一定 大小的横向进给，逐步地使毛坯外周缩径，得到带有喉径形状或封闭球形的零件。 为了避免工件产生起皱和破裂，应根具缩径前后直径之比，将过程分为若干道次或 工序进行，即旋轮要作多次往复运动，且每次之前均给以一定的进给量，有时还需 更换几次芯模和进行中间热处理等。根据材料和工件尺寸，有时要在加热条件下缩 旋。如有可能通过支承容器边缘以减少生产起皱的趋势，从而可增大进给并减少生 产周期。 扩径旋压是利用旋压工具使空心回转体容器或管状毛坯进行局部( 中部或端 部) 直径增大的旋压成型方法，这种工艺方法的限制主要是工件的材料性能，如抗 拉强度、屈服极限、沿伸率、断面收缩率等。根据工件扩径程度的大小，往往分为 若干道次进行。其道次数的确定原则是：使材料在扩径过程中不致产生过度的应变 ( 应力) ，也就是说，在成型过程中的应力不能超过材料的抗拉强度，否则会导致 破裂。如果材料有较大的加工硬化趋向，则道次数要少，且每道次扩径量尽可能大， 否则由于硬化严重，需更早时进行中间热处理，否则就无法进行。 1 2 2 普旋成型技术的研究现状 与强旋相比，普旋变形过程复杂，理论发展相对滞后，近年来，各国学者在普 旋理论方面进行了大量的研究，多道次普旋研究成型技术、普旋的成型规律、旋轮 运动轨迹的设计与优化等逐渐成为研究的热点。 i 2 2 1 普旋成型的基本理论研究 普旋的力学分析 在旋压的力学分析研究中，对于毛坯壁厚减薄为特征的变薄旋压工艺，已建立 了许多种分析方法，其计算结果有些已达到了工程上许可的程度，但由于变形机理 的不同，上述结果不能直接推广到普旋工艺【9 。10 1 。 普旋力学分析的理论方法有主应力法、能量法、扰度法和极限分析法等。主应 力法通过在工件变形区内截取一定形状的单元，推倒出各应力之间的关系，再根据 一定的边界条件和屈服准则，计算出旋压力大小。能量法利用工件旋转一周，旋压 力所做功等于毛坯塑性变形能( 含拉伸变形能和弯曲变形能) 的特性，分别求出单 位载荷p 和接触区变形状后，令p 分别与接触区在三个坐标面上的投影面积相乘， 从而得到旋压力的三个分量。能量法的基本假设为接触压力均匀不变，旋压件壁厚 不变。 陈辉：复杂曲面、薄壁件精密旋压成形技术研究 扰度法的研究对象是高径比较小的浅蝶形零件。主要应用弹塑性板壳理论，将 旋压过程简化为“中间固支，周边自由”的环行金属薄板，在非对称集中载荷的作 用下发生弯曲变形，由弯曲方程求出扰度方程，得出旋压力计算公式。 极限分析法则假设毛坯材料为理想刚塑性，根据实验得出的屈服线，建立运动 许可的速度场，并优化屈服线见的夹角，从而求出临界状态下的旋压力计算公式。 普旋的成型性能 国外的一些学者，对可旋性的定义有所不同。rlk e g g 做过著名的椭球体芯 模可旋性实验，并得出了锥形件变薄旋压时，壁厚减薄率与材料断面收缩率之间的 关系。而叶山益次郎【3 2 】将可旋性定义为锥形件变薄旋压中，金属板材保持不起皱， 壁部不断裂的能力，第一次将起皱因素包含进可旋性的概念。 对普旋加工中的毛坯，国内外学者进行了许多研究。叶山益次郎【2 】根据法兰部 分的起皱现象与法兰的瞬间相对宽度有关，提出了起皱系数c ，其值越大，材料抗 起皱能力越强，且c 值也材料硬化指数间存在着某种固定的关系。sk o b a y a s h i 分 析了锥形件旋压时的失稳情况，对于理想锥形件变薄旋压，发生起皱时，假设法兰 出的应力状态与拉深工艺类似，引用无压边时的拉深临界应力公式，得出了法- z - _ 的 临界尺寸关系。h a y a m a 3 2 认为锥形件旋压时，起皱集中于法兰区，产生的原因是 由于沿周向存在着周期性变化的弯曲与反弯曲。基于旋压成型过程的分析，文献【3 提出了旋压时失稳的理想模型，并对波纹的形状进行了描述。文献【3 3 】分析了普旋加 工过程中毛坯起皱的宏观现象，根据数值模拟以及实验数据结果，认为普旋起皱机 理为产生弯曲塑胜铰，与拉深加工过程中压缩起皱机理不同，并以弯曲塑性铰理论 为基础，利用能量法原理分析了普选起皱过程。文献阱1 分析了起皱和拉裂产生的原 因，给出了旋压成形中起皱缺陷的预防措施。但到目前为止，有关拉旋起皱临界应 力方面的研究未见报道，拉旋成型极限主要依赖于常规冲压中拉深成型极限的研究 结果。目前对于难成型材料的普旋成型性研究国外文献报道比较少，而国内进行了 许多研究。文献印j 对钛合金的冷强旋进行了实验研究；文献 1 日采用缩径旋压的变 形方式对紫铜筒形件的成型性进行了研究，文献【3 q 研究了铜台金衬套旋压工艺：康 达昌等”8 j 对难成型材料2 0 9 a l l i 合金的普旋性进行了实验研究；王振生| 3 q 对大直 径的难变形材料钛质简体的旋压工艺进行了研究。 1 2 2 2 强力旋压1 强力旋压又称变薄旋压，即在旋压过程中，不但改变毛坯的形状，而且显著地 改变( 减薄) 其壁厚。根据旋压件的类型和金属变形机理的差异，强力旋压可分为 四川大学工程硕士学位论文 锥形件强力旋压剪切旋压和筒形件强力旋压挤出强旋两种。前者用于加工锥 形、抛物线形、和半球形等异形件，而后者用于简形件件和管形件的加工。有时这 两种方法联合运用，加工各种复合形零件。 剪切旋压指的是不改变毛坯的外径而改变其厚度，以制造圆锥等各种轴对称薄 壁件的旋压方式( 锥形变薄旋压) 。这种成型方法的特点是在旋轮的一个道次中完 成成型，加工时间短，表面光洁和成型精度高，并且能较容易地成型拉深旋压难于 成型的材料。此外，机床的操作和调整比拉深旋压容易得多。 简形变薄旋压是指旋轮紧压在与芯模同时旋转的管状毛坯上并沿管坯轴向运 动而制出薄壁长筒件，这种旋压有如图1 - 2 两种方式，即材料的流动方向与旋轮的 移动方向一致的正旋以及材料的流动方向与旋轮的移动方向相反的反旋。这种旋压 与拉深旋压相比虽然工艺条件比较容易确定，但是影响成型的因素很多，需要掌握 成型技术的系统知识。 管坯 旋轮 翠 陈辉：复杂曲面、薄壁件精密旋压成形技术研究 旋轮 反旋 图卜2 筒形变薄旋压的种类 强旋成型的基本理论研究 卡尔巴克赛格路( s k a l p a k c i o g l u ) 和阿维佐( b a v i t z u r ) 等曾分别对强力旋 压的变形机理做了一些模型实验和解析，其目的是试图揭示旋压过程中的变形机 理，如变形的几何关系，物理现象及性能等方面的问题，求得摆脱以往旋压工艺中 所采用的尝法的盲目性，建立对变形机理的理性认识，并为经济和有效地解决理论 ( 如变形力学) 和实际应用( 如工艺和设备设计) 等方面问题提供依据 变形机理的模型实验 i 坐标网格法 坐标网格法已广泛应用于金属压力加工原理实验中，以观察和测定变形过程中 的金属材料实际流动情况的方法。同样，此法也在金属旋压实验研究中得到了应用。 这种方法不但可以在毛坯剖面上n 戈j j 方形和矩形坐标网格，研究金属沿剖面变形的 情况，也可以可以在整个平板毛坯的两表面上刻划许多均匀的径向辐射线和同心圆 组成极坐标网格，经旋压后通过网格变化情况，主要来分析和测量毛坯的径向、周 向和轴向的应变场情况。卡尔巴克赛格路用带有上述相同的坐标网格的泥土和橡皮 泥进行挤压实验，发现在锥形件旋压与筒形件旋压这两种工艺和两种材料的变形过 程中的材料流动情况基本上是一致的。 i i 金属物理分析法 金属物理分析法，主要是分析和测定旋压实验件变形区剖面和表面的显微金相 四川大学工程硕士学位论文 组织和硬度等变化来解释旋压过程中金属流动的机理。众所周知，旋压时金属变形 发生在旋轮与毛坯接触的部位，其余金属不发生或小量发生变形。在发生塑性变形 前后，晶体结构的改变是明显的。而且从变形区的入口至出1 3 ，滑移线形成的滑移 面随着外加压力的方向而定向变化。随着变形程度的增加，定向性也提高，滑移带 的数量也增多，同时滑移带呈现扭曲。这样就可以获得明显的变形中金属流动的金 相组织图象。分析结果表明，经旋压后材料晶粒破碎，晶粒被拉长，甚至更剧烈。 随着变形区中金属流动的加剧，即变形程度的增加，除了上述有明显滑移带形成和 晶粒、晶体发生变化外，剖面中硬化也随着发生明显的变化。 i 填孔法 这个方法如图i - 3 所示，在圆形平板毛坯的沿直径方向上钻有排直径为0 7 毫米的小孔，把材料与本体相同的许多小圆柱填入小孔中，要求小圆柱与孔紧配合。 然后将此毛坯进行强力旋压，旋压后再将试件沿着小孔排列方向剖开，去掉填充物， 就可以观察到这排小孔在旋压后的分布，也就借此反映出旋压时金属流动的大致 情况。 7 陈辉t 复杂曲面、薄壁件精密旋压成形技术研究 a ) 工件锥角较大时b ) 工件锥角较小时 图1 - 3 填孔法研究强力旋压变形过程 图1 - 3a ) 所示为大锥角工件的变形筒图。在图中a 点与b 点的径向位置在旋 压前后是没有变化的，毛坯上厚度为t o ，高度为a r 的矩形截面在变形后变为厚度 t ，高度h l 的矩形截面。根据体积不变定律，两者的面积应相等，于是 t o a r - l h l 但h ，：竺 1 s i n 口 代入上式，可得正弦律，即t = t o s i n a 图1 3b ) 所示为小锥角工件旋压情况。这里厚度t o 、高度a r 的矩形截面在变 形后成为高度r 、宽度b l 平行四边形截面。根据体积不变定律，两者面积相等， 于是 t o a r = b f a r 但 t b l = _ s 1 n n 四川大学工程硕士学位论文 代入上式，仍可得到正弦律的关系： t m o s i n a 由上述证明，无论在工件锥角较大或较小的情况下，锥形件强力旋压时，毛坯 与工件的壁厚变化都符合正弦律。 强旋的成型成型性能 金属材料的可旋性是强力旋压工艺的基本问题之一。所谓可旋性，就广义讲， 是指某种金属材料能否承受旋压，除了由于设备条件对于高的变形抗力和过厚的毛 坯是否可以进行旋压成型外，还指给定材料经受旋压而不破裂、不产生局部失稳和 堆积等疵病的能力。然而，人们通常仍对其狭义而言，即某种金属材料经受旋压变 形而不产生破裂的最大能力。 在强力旋压过程中，工件能否发生破裂是人们所特别关心的一个问题。因此， 希望能够事先预测出给定材料毛坯o e 寸和性能) 在成型中是否能承受住作用其上 的应力和应变，而不发生破坏，即判断该材料旋压的成型性能。为达到此目的，人 们试图通过实验方法得到，这种实验法称为材料可旋性实验。然而采用尝试法进行 这种实验研究，由于工件材质、形状变化较大，并涉及许多变量( 影响因素) 会造 成很大盲目性和浪费。后来，凯格( r l k e g g ) 和卡尔巴克赛格路分别提出对锥 形件和筒形件可旋性实验的新方法，可使这个问题有效的得到解决。 通过箭l 生形件和锥形件强旋的可旋性实验研究发现，两种旋压方式得到的结 果颇为相似，从试件断裂形式看有两种：可旋性欠佳的材料在旋轮作用下发生脆性 断裂；而可旋性较好的材料，则都是在壁厚变薄已完成的后发生韧性断裂( 在旋轮 后拉断) 。同时，旋压最大变薄率和材料性能之间也存在着一定的关系，对于拉伸 断面收缩率大于4 5 的材料，不管其韧性如何，旋压最大变薄率约未8 0 ；对于 拉伸断面收缩率低于4 5 的材料，可旋性取决于其韧性。在所有被考虑的工艺中， 只有旋轮进给量f 对可旋性有比较明显的影响。 1 3 旋压成型技术发展概况 据文字记载，我国在公元前三千五百年到四千年的殷商时代，就已采用陶轮制 作陶瓷制品。这种制陶工艺发展到约十世纪初就孕育出了金属普通旋压工艺1 j 。 根据文字记载，我国在1 0 世纪初发明了金属普通旋压工艺，开始将金属薄板制成 空心回转体零件。直到1 3 世纪，这种技术才传到英国。1 8 4 0 年前后，旋压技术由 约坦传到美国。在1 8 世纪6 0 年代末期，德国才出现了第一个金属旋压技术的专利。 但是历史上该工艺发展很缓慢，直到2 0 世纪中叶以后，随着工业的发展和宇航事 9 陈辉：复杂曲面、薄壁件精密旋压成形技术研究 业的开拓，普旋工艺才开始大规模应用于金属板料成型领域，从而促进了该工艺的 科学研究与探讨，5 0 年代出现了模拟手工旋压的设备，即出现了液压助力器等减 轻手工劳动的装置，6 0 年代又出现了能单向多道次进给的、用电气液压程序控制 的半自动高效旋压机以及数控旋压机。这些成就使普通旋压冲破了小批量生产的限 制，开始在大、中批量生产中得到应用【1 6 - 2 0 强力旋压是在普通旋压基础上发展起 来的成型技术。第二次世界大战后，国外强力旋压技术的发展大致分为3 个阶段： 5 0 年代为强力旋压技术开始应用阶段；6 0 年代为强力旋压技术大发展阶段；7 0 年 代为强力旋压设备基本完善和定型。随着科学技术的发展，特别是火箭、导弹和宇 航技术的迅速发展，旋压技术已在许多国家取得惊人的发展和广泛应用。 近2 0 年来，旋压成型技术发展迅速，主要是高觉精度现代数控( n c ) 旋压机 床的不断出现与迅速推广应用，并逐步向系列化和标准化方向发展。在许多国家， 如美国、俄罗斯、德国、日本和加拿大等国已生产出先进的旋压设备，这些旋压设 备已基本定型，工艺流程稳定，产品多种多样，应用曰益广泛。旋压工艺方法研究 方面也取得了一些进展，并且许多国家已将旋压成型工艺应用于工业生产中。但相 对于设备研制水平和发展速度而言，旋压的工艺理论研究明显不足，导致实践中缺 乏理论的指导川。 我国旋压技术的发展状况与国外先进水平相比，无论是在产品种类、尺寸、精 度、设备能力和自动化程度等方面，还是在工艺理论研究方面还都有较大差距。但 近2 0 年来取得了较大的发展口5 ”i ，许多产品精度和性能都达到了国外先进水平。 一些科研院所研制出了不同型号数控旋压机的控制系统b “。国内许多单位( 如北 京现代技术研究所、黑龙江省旋压技术研究所) 已经研制出数控旋压机，但部分机 种仍依赖于进口。为了适应我国工业生产发展的要求，今后应在提高旋压设备的稳 定性、先进性( 朝着大型化、系列化、高精度、多用途和自动化方向发展) 和提高 旋压件的成型质量( 尺寸精度、形状精度及性能等) 以及变形机理研究方面给予充 分重视和加强，以便发挥其更大的作用| i ”。 1 4 有限元数值模拟技术在旋压方面的研究进展 1 41 塑性有限元法概述 会属塑性加工过程是一个非常复杂的弹塑性变形过程，即是物理非线性的( 本 构关系非线性) ，有是几何非线性的【应变与位移关系的非线性) 。在成型过程中伴 随着应变强化，应变诱发各向异性，温度及粘性效应，应变诱发相变等一系列物理 现象发生，这些物理现象又影响着成型工件的应力、应变及本构关系和产品性能。 四川大学工程硕士学位论文 此外，金属成型过程中的摩擦对金属塑性成型过程起着非常重要的作用，而其摩擦 规律却不够清楚，而且它的边界条件往往也是很复杂的。以前在处理这种问题时多 按塑性理论用解析的方法来求解，但是这些假设往往与实际情况差别较大，因而其 准确性和可靠性较低，从而使解析法在实际应用中受到较多的限制。 相比之下，有限元可以采用不同形状、不同大小和不同类型的单元离散任意形 状体，使用于各种速度边界条件，可以方便的处理复杂模具形状、变形工件和模具 之间的摩擦、材料硬化效应、速度敏感性以及变形温度等多种因素对塑性成型过程 的影响，能够模拟整个成型过程的塑性流动规律，获得变形过程任意时刻的应力场、 应变场、速度场和温度场等信息。因此，有限元方法在金属塑性成型中得到了日益 广泛的应用 5 , 1 - 5 7 j 。 根据变形特征，金属塑性成型可以分为体积成型和板料成型工艺。体积成型中， 金属材料产生较大的塑性变形，。弹性变形相对较少，可以忽略不计。而在板料成型 中，金属材料虽然总的变形较大，但其中的弹塑性变形部分所占的比例并非很小， 此时必须与塑性变形同时考虑。正因为如此，形成了两种典型的材料模型，即刚塑 性材料和弹塑性材料。由于金属材料的弹性与塑性本构关系差别较大，其对问题的 描述乃至求解都有明显不同，因此，与之相对应的塑性有限元法分为刚塑性有限元 法和弹塑性有限元法。 刚塑性有限元法不计弹性变形，采用l e v y - m i s e s 屈服准则，求解未知量为节 点速度。它通过在离散空间对速度的积分来处理几何非线性，因而解法相对简单， 而且求解效率高。由于体积成型中工艺条件的差异而使金属材料呈现不同特性，典 型的有刚塑性硬化材料和刚粘塑性材料。刚塑性硬化材料对应的有限元法是习惯上 称谓的刚塑性有限元法，它适用于冷、温态体积成型问题。刚粘塑性材料对应为刚 粘塑性有限元法，它适用于热态体积成型问题，并且可以进行变形与传热的热力耦 合分析。上述方法的主要不足是不能进行卸载分析，无法得到残余应力、残余变形 及回弹，此外刚性区的应力计算也有一定误差。 弹塑性有限元法同时考虑金属材料的弹性变形和塑性变形，弹性区采用h o o k e 定律，塑性取采用p r a n d t l r e u s s 方程和m i s e s 屈服准则，求解未知量是节点位移增 量。弹塑性有限元法分为小变形弹塑性有限元法和大变形弹塑性有限元法，前者采 用小变形增量来描述大变形问题，处理形式简单，但积累误差大，目前很少采用。 后者以大变形( 有限变形) 理论为基础采用l a g r a n g e 描述，同时考虑材料的物理 非线性和几何非线性，因而理论关系较为复杂，并且增量步长很小，计算效率低。 但弹塑性有限元法口可以分析塑性成型的饿加载过程，又能分析卸载过程，包括计 陈辉：复杂曲面、薄壁件精密旋压成形技术研究 算工件变形后内部的残余应力、残余应变和工件的回弹等。 1 4 2 塑性有限元法在旋压成型中应用的研究状况 采用数值模拟对旋压成型过程进行分析已成为旋压技术发展的重要手段。近十 几年来，许多学者尝试用有限元法对旋压成型过程进行了分析。文献 5 8 1 将筒形件旋 压成型简化为沿工件轴截面的平面变形问题，采用八节点等参单元的二维弹塑性有 限元对旋压过程进行了分析，得到了不同阶段下的网格畸变图及等效应变分布。文 献【3 3 】利用a n i d a 程序，并采用改进的k i m h h o f f 等参单元对普通旋压工艺的不同 阶段进行了数值模拟，并据此对普通旋压变形机理进行了分析研究。文酣5 9 】采用二 维刚塑性有限元对筒形件强力旋压进行了数值模拟，求得了反旋和正旋的速度场、 应变速率分布以及加载过程的网格畸变和应变分布，并进行了三维有限元的初步分 析。文献i 鲫】提出了一种与实际较符合的筒形件强力旋压三维有限元力学模型。文献 怕l j 采用a d i n a j 线性有限元分析软件对筒形件强力旋压进行了三维弹塑性有限元 分析，求得了正旋和反旋时不同截面上旋轮作用区及相邻区域的应力分别、应变分 布、节点位移及节点力的分布规律，并分析了工艺参数对变形的影响。文献i 6 2 1 采用 a b a q u s 软件对管强力旋压成型进行了数值模拟，并对残余应力的分布进行了分 析。在这些研究中还存在着较多的局限和不足，如没有考虑旋压变形过程中的局部 加载卸载问题和动态边界条件，仅取整个变形毛坯的三分之一进行计算，而忽略了 其余部分对变形的影响等。 有限元法作为一种模拟金属塑性成型过程有效的数值方法，在旋压工艺方面已 开始应用。但由于旋压变形的复杂性，特别是普旋理论相对滞后，使得其模拟结果 都有较多的不足之处。要精确地分析旋压变形过程，就要对力学模型、边界条件和 变形过程等进行接近实际情况的假设，以便用分析结果更好地指导实际生产。 1 5 选题的背景和意义 旋压技术是一种广泛应用于军工、航空、航天及日用产品的先进成型工艺，它 己成为小批量、多品种薄壁回转体零件生产的重要成型方式之。由于利用局部塑 性变形代替整体变形，可以大幅度降低变形抗力，减少设备投资。这一塑性加工技 术县旮柔性高、工装成本低、生产准备周期短等特点，在中小批量生产中具有明显 的经济效益。 今年来，各国学者对旋压进行了不少研究工作，在错距旋e t , i 、新材料可旋压性、 零件旋压工艺、旋压设备等研究方面也取得了不少进展。在现代自动化旋压设备研 凹型丕芏三堡塑主堂垡堡奎 制方面也取得了长足的进步。先进的计算机数控旋压机已广泛应用于社会生产实践 中。但是，由于普旋问题的复杂性，实用的工艺理论研究十分薄弱，尤其对于多道 次普旋成型规律以及工艺参数的确定和优化等有关的研究都明显滞后于生产要求。 多道次普旋的旋轮运动轨迹是影响普旋成型的至关重要因素，旋轮轨迹是否合理， 将直接影响到零件能否成型和成型精度的高低，但目前旋轮运动轨迹还主要靠仿形 板来实现。随着数控旋压机的日益广泛应用，由于数控旋压机可实现任意道次和轨 迹，因此对旋轮运动轨迹的形式、轨迹的优化、轨迹对旋压件质量的影响等有关研 究提出了迫切要求。 目前，国内外在以上方面的研究成果主要给出了实验数据和经验总结，以供人 员参考。但由于旋压的影响因素很多，工艺非常灵活，仅参考实验数据和依靠经验 难以提高成型质量和加工效率。因此有必要对旋压的工艺理论研究进一步深入。然 而，由于这种工艺过程的复杂性，单纯采用理论解析方法，难以准确地、有把握地 解决生产实践问题。因此，很有必要从旋压连续的局部塑性变形状态入手，采用计 算机数值模拟、理论分析与实践研究相结合的研究方法，研究并系统认识多道次旋 压变形规律，寻求符合实际的工程化的变形力学模型，使实际的多道次旋压成型过 程建立在对变形规律与旋轮运动轨迹定量描述和分析基础上，确定出合理的旋轮运 动轨迹，为旋压工艺制