（机械设计及理论专业论文）筒形变薄旋压加工有限元分析.pdf

四川大学碗t 毕业论文 筒形变薄旋压加工有限元分析 机械设计及理论 作者：刘粉妮指导教师：姚进 筒形变薄旋压加工作为一种旋压加工方式，在国防、航空工业中使用较广。 在多数旋压加工过程中，工艺参数按照经验设定，并且需要多次试件，参数调 整，才能进行真正生产加工，很难保证控制加工质量和生产效率。随着现在科 学技术的发展，尤其是有限元仿真技术的发展，使得在投入生产之前先对旋压 加工进行合理的有限元仿真模拟成为可能，从而可以以模拟数据参考来指导实 际生产，达到缩短生产周期，减少试件费用，提高产品质量的目的。本论文开 展了筒形变薄旋压加工有限元分析和加工参数影响作用的研究，主要工作如下： 首先介绍了旋压加工方式、材料选取、适用形状、旋压加工的主要设备和 旋压加工的基本方式，分析了筒形变薄旋压生产过程中容易产生的失效形式， 并且总结了不同工艺参数如旋轮进给率、毛坯厚度和旋轮半径等对筒形变薄旋 压加工成形质量的影响。 介绍了与旋压加工有限元模拟相关的大变形弹塑性有限元理论，包括物体 的构形和坐标描述、大变形的应力量度和应变量度、弹塑性的有限元理论、增 量法方程以及有限元方程求解等，为下一步的有限元模拟做好充分的理论基础。 根据筒形变薄旋压加工的特点和难点，选用了非线性功能非常强大的有限 元分析软件a b a q u s 进行模拟，分析了针对筒形变薄旋压加工过程，a b a q u s 中处 理弹塑性材料成形问题的关键和策略如材料非线性处理、接触非线性定义、弹 塑性材料的单元选取和准静态问题的处理方式等为筒形变薄旋压加工有限元 建模做好准备。 阴川大学硕士毕业论文 最后基于实际生产过程，建立合理的筒形变薄旋压加工有限元模型。着重 分析了不同的旋轮半径、毛坯厚度、进给率等工艺参数对筒形变薄旋压加工成 形结果中的等效应力应变，周向应力和极限轴向应力分布等情况的影响，从而 可以有效避免加工过程中断裂、隆起等失效现象，以达到提高成形质量，缩短 生产周期，减少试件浪费等目的，具有良好的实际指导意义。 关键宇：筒形变薄旋压加工有限元分析a b a q u s 弹塑性材料非线形 i i 四川大学硕士毕业论文 f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i so fp r o c e s sp o w e r - s p i n n i n gf o r c y l i n d r i c a lp a r t m a j o r ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y p o s t g r a d u a t e ：l i uf e n - n i p r o f e s s o r ：y a oj i n p o w e r - s p i n n i n g ，a sa k i n do fs p i n n i n gt e c h n o l o g y , i su s u a l l yu s e di na e r o s p a c e a n dm i l i t a r yi n d u s t r yw i d e l y i ns p i n n i n gp r o c e s s ，m a c h i n i n gp a r a m e t e r sa r ea d o p t e d b yw o r k e r s e x p e r i e n c e ，a n d1 0 r e - p r o d u c i n gi sn e c e s s a r ya n dr e s u l t si nm u c hc o s ta n d t i m e i nt h ep r o c e s so fp r e - p r o d u c i n g , e v e r yp r o c e s sp a r a m e t e ri st e s t e dt i l lt h er e s u l t q u a l i t yi ss a t i s f i e d n o w a d a y s ，a st h ec o m p u t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi s d e v e l o p i n g ，u s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st e c h n o l o g yt os i m u l a t et h es p i n n i n gp r o c e s s ， w h i c hc a l lb eu s e da sag i l i d et oc h o o s ep r o c e s sp a r a m e t e ro fs p i n n i n g ，i st or e d u c e t h ep r o d u c ec o s ta n di m p r o v et h eq u a l i t y i nt h i sp a p e r , t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f t h ep r o c e s sp o w e r - s p i n n i n gi sc a r r i e do u ta n dt h ee f f e c t i o no fp r o c e s sp a r a m e t e r so n s p i n n i n gq u a l i t yi sf a v o r a b l e t h em a i n w o r ki sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , s p i n n i n gp r o c e s si si n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gc h o o s i n gm a t e r i a l ，s h a p ec o n t r o l ， e q u i p m e n ts t y l ea n ds oo n t h e nt h ed i f f e r e n ti n v a l i d a t i o n sa r ea n a l y z e da n dt h e b a s i cp r o c e s ss t y l e si ns p i n n i n gp r o c e s sa r er e f e r r e d ，e s p e c i a l l ym u l t i s p i n n i n ga n d p o w e r - s p i n n i n gs t y l ea n dc h o o s i n gm a c h i n i n gp a r a m e t e r si nd i f f e r e n ts p i n n i n gs t y l e a r ed i s c u s s e d a i lo f t h e mc a n b eu s e f u lt ob u i l dt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l s e c o n d l yt h eb a s i cc o n c e p to f 觚t ee l e m e n ta n a l y s i si si m p o r t e d a tt h es a m e t i m e 。t h es e r i o u sd e f o r m a b l ee l a s t i c - p l a s t i cf m i t ee l e m e n tt h e o r yi n t e r r e l a t e dt o s p t r m i n gp r o c e s s i s e x p l a i n e d i n d e t a i l ，i n c l u d i n go b j e c t c o n f o r m a t i o na n d c o o r d i n a t ed e s c r i p t i o n , s t r e s sa n ds t r a i nm e a s u r e m e n t ，f i n i t ee l e m e n tt h e o r yo f i i i 四川大学硕上毕业论文 e l a s t i c - p l a s t i cm a t e r i a l ，i n c r e m e n tm e t h o da n df i n i t ed e m e me q u a t i o n , w h i c hc a nb e h e l p f u li nb u i l d i n gt h ea n a l y s i sm o d e l t h i r d l y , b a s e do nt h ec h a r a c t e ro fs p i n n i n gp r o c e s s ，m a k i n gu s eo ft h en o n l i n e a r f i n i t ee l e m e ma n a l y s i ss o f t w a r ea b a q u s ，w h i c hi sp o w e r f u lc a es o f t w a r ef o r f i n i t ee l e m e n tm e t h o dw i t has t r o n gn o n l i n e a rf u n c t i o na n da l s oh a sas t r o n gf u n c t i o n o fp r e p r o c e s sa n dp o s t - p r o c e s s ，i st os o l v et h ep r o b l e mo fn o n l i n e a rd e f o r m a b l ea n d n o n l i i l e 盯c o n t a c ti nm a t e r i a ld e f o r m a b l e a l lo ft h e ma r er e a d yf o rt h es p i n n i n g p r o c e s ss i m u l a t i o n l a s t l y , at h r e e d i m e n s i o n a l m o d e l c o r r e s p o n d i n g t o s p i n n i n gp r o c e s s i s e s t a b l i s h e di na b a q u s t h e nd i f f e r e n tm a c h i n i n gp a r a m e t e r st os i m u l a t et h e s p i n n i n gp r o c e s sa r ec a r r i e do u t a n dd i f f e r e n tr e s u l td a m sa r eg e t t e d ，t h e ns o m e r u l e sa r eg a i n e db ya n a l y s i s i n gs p i n n i n gf o r c e ，m a x - s t r e s s ，m a x s t r a i na n de n e r g y , w h i c hc a nd i r e c tt h ec o n v e n t i o n a ls p i n n i n gw e l l t h i sm e 血o dc a n h e l pu st op r o d u c e s p i n n i n gp a r tw i t hh i g h e rq u a l i t yb u tl o w e rc o s ta n dr e d u c et h ep r o d u c tc y c l e k e y w o r d s ：p o w e r - s p i n n i n g ，e l a s t i c - p l a s t i cm a t e r i a l ，a b a q u s ，f i n i t ee m m e m a n a l y s i s ，n o n l i n e a r i v 四川大学硕十毕业论文 1 1 课题来源及意义 第一章前言 1 1 1 课题来源 本课题来源于中国物理工程研究院第六研究所。旋压加工作为一种先进塑 性加工技术，也称为金属旋压成形技术，旋压成形过程是将金属板料或空心零 件的毛坯固定在旋压机的芯模上，在毛坯随机床转动同时，用旋轮将毛坯逐点 压下，使其形状或者壁厚发生局部连续塑性变形，从而制成所需的产品的成形 过程i l 】。筒形变薄旋压加工作为旋压加工的强力旋压形式，是四所常用的一种 加工方式，目前采用传统加工方式进行，工艺参数是按照经验设定的，确定一 组加工参数后，需要进行多次试件，参数调整，不断重复以上过程，最后才可 以进行真正生产，哪些加工工艺参数对旋压加工成型有较大影响，调整工艺参 数如何预见加工效果，已有材料对旋压成形工艺的适应性又如何主要依赖于加 工人员的生产经验，成形质量很难保证。每次生产之前，必须进行多次试件加 工，造成了人力，物资和时间上的浪费。因此为了解决传统加工方式中生产周 期长，试件浪费，成形质量过分依赖于生产经验的问题，六所决定采用有限元 模拟分析筒形变薄旋压加工过程。 1 1 2 课题意义 通过建立筒形变薄旋压加工有限模型，能够分析筒形变薄旋压加工过程， 能够获得旋压过程中毛坯的变形情况，可以得到最大应力应变出现的位置以及 应力值的大小，通过分析不同工艺参数的改变而对毛坯成形产生的影响，从而 可以有效避免加工过程中断裂、隆起等失效现象，以达到提高成形质量，缩短 四j i i 大学顽卜毕业论文 生产周期，减少试件浪费等目的。 本课题以应用研究为主，其成果可丰富旋压的工艺理论，并将直接提高我 国航空、航天、兵器等金属精密加工领域的普通旋压工艺的实践水平，保证和 提高产品质量，提高加工效率，提供工程实用的科学依据。因此，本课题在研 究与发展航空、航天、兵器等金属加工领域的旋压成形技术方面具有重要理论 意义和应用价值。 1 2 国内外筒形变薄旋压加工有限元分析现状及发展趋势 1 2 i 国内外筒形变薄旋压加工有限元分析现状 旋压成形足将金属平板毛坯或预制毛坯卡紧在旋压机的芯模上，由主轴带 动芯模和坏料旋转，利用旋轮对坯料施加压力，使之产生连续、逐点的塑性变 形，从而获得各种母线形状的空心旋转体零件的塑性加工方法【2 j 。筒形变薄作 为一种强力旋压方式，在加工过程中毛坯变长变薄，需要时要进行多道次加工 来获得加工形状“j 。 通过有限元软件建立三维有限元模拟进行筒形变薄旋压加工有限元模拟， 能够获得了动态加工过程中毛坯的各向应力应变情况，能够察看任意时刻毛坯 变形程度，能够得到不同工艺参数的改变对旋压加工结果产生的影响，预测在 一组工艺参数的生产中可能存在的成形质量问题，具有很好的实践指导意义【2 1 。 而目前关于旋压加工有限元模拟的研究，主要以理论为主，与实际生产结 合的较少。在筒形变薄旋压加工有限元研究方面主要涉及到以下几方面： ( 1 ) 通过对筒形变薄旋压加工有限元模拟获取各项旋压力的分布规律方 面，并进行失效分析。文献 3 4 5 采用三维弹塑性有限元方法对筒行件强力 旋压件旋压工艺进行分析，仅仅研究了得到了正旋时变形区接触面上旋压力3 个分量的分布规律。在文献 6 7 8 中对三维弹塑性有限元模拟研究，建立起 有限元计算模型，分析了旋压过程中隆起现象，通过计算旋压力，得到了工艺 参数对隆起及旋压力的影响关系。这一研究方面将模型受力与加工失效联系考 2 四j 大学硕t 毕业论文 虑，将具有很强的实际参考价值。 ( 2 ) 利用筒形变薄旋压加工有限元模拟研究重要加工参数对成形各方应力 的影响。文献 9 1 0 l i t 考虑材料加工硬化和摩擦边界条件等，对旋压缩口的 变形进行了分析。得出在壁厚不同情况下，应力应变等值线。这种方式只是考 虑影响成形的一个方面，不足以指导整个生产。文献 1 2 1 3 1 4 采用弹塑性 有限元法对多道次拉旋成形过程进行了模拟，讨论了不同工艺参数对应力应变 分布的影响规律，研究结果为多道次拉旋成形过程中工艺参数的确定和优化提 供了依据，这种分析方式比较全面，作为课题分析数据的参考方式。文献【1 5 n 6 将三维空间变形问题抽象为平面应变问题主要研究变薄率、旋轮进给量、旋轮 圆角半径等工艺参数对旋压成形和工件质量的影响，这种简化方式过于简单， 与实际生产脱节太大，只能作为理论研究分析。 ( 3 ) 通过对筒形变薄旋压加工有限元模拟研究旋轮运动轨迹对加工成型的 影响。文献 5 1 3 提出旋轮运动轨迹相对曲率半径的概念，并利用所开发的多 道次普通旋压有限元模拟系统，模拟分析了旋轮运动轨迹的相对曲率半径对坯 料变形区不同部位的最大径向应力、最大周向应力和最大厚向应变的影响，以 降低不均匀变形程度为目标，对多道次普通旋压中旋轮运动轨迹的确定进行研 究，获得合理选择旋轮运动轨迹相对曲率半径的依据，进而提出基于变形区分 区确定旋轮运动轨迹相对曲率半径的方法。这种研究方面，使得加工轨迹的确 定有理可依。 ( 4 ) 利用a b a q u s 用户子程序对非线性接触方式进行定义。文献 1 7 在 全面分析成形中板料与模具接触边界动态变化的基础上，结合a b a q u s 有限元 分析软件给出了模型的几何描述、接触算法选择及应用v f p d c 用户子程序来进 行接触摩擦模型的建立等具体方法。用户子程序的方式定义摩擦模型可以将摩 擦问题考虑的比较接近实际。 进行筒形变薄旋压加工建模分析前，一般采用的假设条件为： ( 1 ) 所有文献中均忽略温度影响，对于旋压加工来讲，这个假设是合理的， 因为加工过程中速度很低，不会产生大量热量； ( 2 ) 文献 5 6 1 0 简化旋轮与坯料、坯料与芯模之间的摩擦； ( 3 ) 文献 6 7 1 2 简化几何形状，忽略主要几何参数：旋轮半径，芯模 顶端半径，其实旋轮半径对成形质量的影响是很大的，不应该忽略的； 四j i i 大学硕士毕业论文 ( 4 ) 文献 1 0 1 2 1 3 视毛坯与芯模固定不动，只定义旋轮的轴向进给运 动，如果没有毛坯或足旋轮的绕轴线旋转运动，摸拟的材料挤压流动将与实际 差别很大； ( 5 ) 文献 “ 1 8 1 9 2 0 将坯料定义为刚塑性，而实际应该为弹塑性模 型，如文献 3 4 5 9 1 0 2 1 2 2 ，所得结论有较大误差。 1 2 2 筒形变簿旋压加工有限元模拟发展趋势 随着旋压技术的发展和有限元模拟分析能力的增强，如果对以下几个方面 进行系统的深入的研究，将对筒形变薄旋压加工理论发展、技术研究和实际应 用具有重要意义。 ( 1 ) 多道次旋压加工数值模拟力学模型的完善口l 。旋压成型是局部连续塑 性变形过程，其中包括材料非线性，几何非线性，具有负载的边界条件，而且 在变形过程中，局部和整体的相互影响和相互制约非常复杂，对于速度较高的 旋压设备，过程中产生的温度也是加工模拟不可忽略的因素。因此在进行有限 元分析过程中进行了大量的简化假设。但是由于产品正朝着多样化，精密化发 展，要求更加符合生产实际的、精确的多道次旋压成型规律。 ( 2 ) 多道次旋压的旋轮轨迹确定。确定旋轮轨迹需要考虑毛坯和工件尺寸、 材料性能、旋轮形状、进给量和速度等诸多工艺参数的影响，尤其是实际生产 中，每道次加工结束后，加工的弹塑性材料的非线性变化引起的回弹量将对一 下道次的加工轨迹有很大影响，那么确定符合实际的回弹量，才能确保下一道 次轨迹的修正值。如果在有限元分析中忽略回弹量，可以料到如果按照预定的 加工轨迹进行，出现加工失败的可能性是非常大的，同时连接旋轮的进给机构 在加工过程中牵连旋轮一起进行出现的颤抖情况，也将影响旋压加工的成形和 旋轮轨迹，但是这个颤抖产生的原因可能来自多方面因素，应该抽象为何种数 学模型，目前正在研究当中。目前旋轮轨迹的确定仍然依赖于生产经验和大量 的试验来确定。为此，利用计算机技术，运用数值模拟方法，在精确成型规律 研究的基础上，结合数控旋压机床，研究确定多道次旋压过程中各道次的合理 的旋轮轨迹，已经成为目前迫切需要解决的问题。 4 四j i i 大学硕士毕业论文 ( 3 ) 成形极限和成形质量的研究【2 】【1 7 1 。虽然对于旋压成形进行了大量的研 究，并取得了很多有价值的成果，但对于它的成形极限和成形质量问题却一直 未见报道，而成形极限、成形质量问题直接设计到所要求加工零件形状、及材 料变形能否顺利成形，对于加工形状复杂的零件或者高强度难变形材料更是如 此。 1 3 课题研究内容 本课题的主要研究内容如下： 第一章中介绍课题来源，分析了国内外在筒形变薄旋压加工有限元模拟现 状和发展趋势。 第二章介绍旋压加工基本方式、材料选择、形状控制等，讲述旋压加工的 主要设备和旋压加工的基本方式，分析旋压生产过程中容易产生的失效形式以 及不同旋压方式应该着重考虑的工艺参数等。 第三章介绍大变形弹塑性材料有限元分析中物体的构形及变形的描述、大 变形情况下的应力应变的度量、屈服准则、弹塑性本构关系和计算公式、虚功 方程和增量方程，并给出弹塑性有限元求解方程，为有限元分析提供了理论基 础。 第四章介绍非线性非常强大的有限元分析软件a b a q u s 进行弹塑性材料 j j n - r 成形有限元模拟的特点和方式；分析基于a b a q u s 有限元分析软件解决筒 形变薄旋压加工过程中弹塑性材料成形加工的关键问题：材料非线性处理，接 触非线性，弹塑性材料的单元选取，准静态问题的处理方式等。 第五章利用a b a q u s 有限元分析软件，在前人研究方法上进行改进，通过 建立三维筒形变薄旋压加工有限元模拟进行模拟分析，忽略温度影响，定义毛 坯为弹塑性，旋轮和芯模为刚体，采用接触对定义不同部件之间的接触，利用 高精度网格结合自适应方式划分模型，运用质量放大因子和能量原理进行准静 态处理，获取动态加工过程中毛坯的应力应变极值等情况，分析加工过程中旋 轮半径、毛坯厚度、进给率等工艺参数筒形变薄旋压加工成形质量的影响，能 够获得可以指导实际生产的有效结论。最后总结了课题进行过程中实验失败的 四川大学硕士毕业论文 常见形式，并分析了相关原因。 6 第二章旋压成形加工介绍 2 1 旋压成形加工综述 旋压成形是将金属平板毛坯或预制毛坯卡紧在旋压机的芯模上，由主轴带 动芯模和坏料旋转，利用旋轮对坯料施加压力，使之产生连续、逐点的塑性变 形，从而获得各种母线形状的空心旋转体零件的塑性加工方法( 简称旋压) ，可以 完成拉深、翻边、收口等多种不同的成形工序，旋压成形的示意图如2 1 所示。 l 一芯模卜毛坯3 尾顶4 - 旋轮 图2 - 1 旋压加工示意图 旋压成形现在己经成为现代塑性加工技术的一个重要分支，成为薄壁回转 体零件加工中需要优先考虑的一种成形工艺。与其他成形方式相比，具有加工 工艺柔性好、设备简单、产品质量高、易实现产品轻量化和柔性化等一系列优 点，因此，旋压成形方法不仅在航空、航天和兵器等金属精密加工技术领域中 占有重要地位，其产品还遍及机械设计、石油化工、生活用品等领域。 7 四j i l 大学硕士毕业论文 但是，由于过去设备水平低下，通常利用手工操作，导致生产效率低，使 旋压成形的优点不能充分体现，因而，旋压加工工艺长期处于落后状态，相对 于普通冲压工艺而言发展缓慢。近年来，随着科学技术的发展和计算机水平的 提高，以及自动旋压机和数控旋压机的诞生与应用，旋压技术的研究才得以迅 猛的发展睇j 。 旋压件的基本形状大致分为圆筒形、圆锥形、凹形、凸形、管形、阶梯形、 缩口形以及其他形状等八种，还有由这些形状组成的复合形状。 反 旋 图2 - 2 旋压方向分类 旋压方向分正旋压和反旋压【”，如图2 - 2 所示。正旋压时材料的流动方向与 旋轮的运动方向相同，反旋压时材料的流动方向与旋轮方向相反。异形件、筒 形件一般采用正旋压，管形件一般采取反旋压。 旋压对多种金属材料有很强的适应性。这也是它适合多品种生产的重要原 f i 川大学硕t 毕业论文 因。通常旋压的材料以铝、碳饲和不锈钢为多，也有特殊的难成形材料。 旋压件的形状多种多样并且都希望能够采用效率最高的方式制造。因此使 用的毛坯有板材、管材、或者经冲压、锻造、铸造及切削加工的预制件，根据 不同的毛坯采用不同的旋轮运动力式即不同的旋压方式。通常把旋压工艺分为 拉深旋压、剪切旋压( 锥形变薄旋压) 、筒形变薄旋压、收颈、胀形、切边、卷边 ( 折边) 、内翻边、压波纹或压筋以及表面精整( 压光) 等。 2 2 常用旋压机介绍 针对各种需要已经制造了具有不同尺寸和功率的自动旋压机，达到了所要 求的各种技术经济指标。自动旋压机的分类尚未确定，机型和尺寸也没有标准 化。这里把它分为通用型和专用型两种加以阐述i ”。 2 2 1 通用旋压机 通用自动旋压机可以分为卧式和立式两机但通常使用的是类似车床的卧式 机型，它由装卡芯模的主轴箱、安装旋轮的旋轮架、顶紧毛坯的尾座以及床身 组成。它与车床的不同之处在了加大了功率特别是加大了旋轮对芯模的项力以 及旋轮纵向进给的拖动力。为此加大了旋轮架的滑动面，并且为提高刚性而全 部采用了重型结构。 这里重点介绍一下旋轮的控制，它是由仿型装置来实现的，如图2 3 所示。 这种装置一般采用液压伺服阀或电液伺服阀方式。为了进行拉深旋压使用了多 循环仿型装置。活动模板慢慢旋转限制着仿型器的运动，从而控制着与仿形器 联动的旋轮的位置，直到旋轮的运动仿效固定模板为止。活动模板不仅有作旋 转运动的，也有作平移运动的，而且分为连续移动的和按每一道次作周期性间 歇移动的，可以根据工件的形状和材料加以选用。基于上述情况，从旋轮和毛 坯的相对运动来说有下述三种拉深旋压方式可供选择。 往复式旋轮紧贴毛坯作往复运动，往返都进行旋压成形。 9 四川i 大学硕士毕业论文 形。 单向式一一旋轮只在朝毛坯外缘的进程上进行旋压成形而在回程上不成 仿 形 器 图2 - 3 仿形装置 混合式由往复旋压转为单向旋压或相反。 旋轮架的移动速度从低速到高速可以任意选择，视多道次拉深旋压的情况 而定。例如，板材开始拉深旋压的第一道次及最后道次可取低速，为提高效率 中间道次应取中速，在单向旋压时回程上不成形故应使旋轮高速返回原位。 我们研究的课题中采用单向式进行加工。 2 2 2 专用自动旋压机 在汽车零件以及照明器具、家用器皿或机械零件的大批生产乃至中小批生 1 0 四川大学硕t 毕业论文 产中，很多自动旋压机都用作专用设备，如生产混凝土桩、衬套、三角皮带轮 或闸瓦盖的旋压机就是如此。专用旋压机仿形装置的原理与普通旋压机的一样， 先用活动模板进行粗旋，最后用固定模板进行终旋。 专用旋压机主要分为筒形变薄旋压机，管端成形专用旋压机，封头成形专 用旋压机。鞍座能够相对主轴中心线作平动运动，以进行筒形件正旋和反旋。 给它配置的多道次仿形设备能够自动控制旋轮的横向进给量。为了消除成形中 的发热量而各有大流量冷却润滑循环系统。 筒形变薄旋压的应用范围很广。这些零件虽然可以在通用的旋压机上加工 而成，但当工件大而重时，则采用床身上架着鞍座，配有三个旋轮的专用旋压 机更合适。 管端成形专用旋压机用于将管材的端部成形为球状或其他形状而制造了专 用旋压机。成形是通过旋轮在水平面内的转动使管端慢慢收缩，经过多道次拉 深旋压完成的。 封头成形中，虽然不大的封头虽然能够用冲压成形，但是由于封头尺寸规 格的多样性，故最好采用旋压成形，加工时将预制的碟形半成品夹于两个旋轮 之间，通过外缘翻边来旋制曲线封头。这种机床是可以用来进行冷热成形的专 用设备。 2 3 旋压的基本加工方式 用旋压制造各种剖面形状的产品，需要单独应用或者混合应用各种旋压方 法。作为毛坯有板材、管材或经冲压、锻造及切削加工的预制件，相应地要选 择效率最高的旋压方法。各种旋压方法各有适宜的工艺条件，一旦误用，工件 就会起敏、开裂或者达不到要求的壁厚、外形尺寸及表面粗糙度。 婴型查量璧兰些堡苎 缩 瞄 旋 医 扩 口 旋 压 摩 擦 旋 压 拉 深 旋 匿 1 2 阴j i l 大学硕十毕业论文 剪 切 旋 压 11 jl 一 图2 4 普通旋压的基本成形方式 根据板坯厚度变化情况，旋压可分为普通旋压和强力旋压，分别简称普旋 和强旋。普通旋压是最早出现的一种旋压工艺，其板厚变化比较小，主要依靠 坯料圆周方向与半径方向上的变形来实现，而强旋主要依靠板厚减薄来实现。 普通旋压的基本成形方式有四种：拉深旋压( 简称拉旋) 、缩径旋压( 简称缩旋) 、扩 径旋压( 简称扩旋) 和摩擦旋压，详细分类见图2 - 4 。 强旋是在普通旋压基础上发展起来的成形技术，但发展比较迅速，无论在 工艺上还是在设备上都取得了很多重要的研究成果，我们的课题研究对象筒形 交薄作为强力旋压的一种方式，在加工进行过程中结合了普通旋压中的多道次 加工形式进行，但是多道次普通旋压的研究却比较薄弱，因而发展也比较缓慢。 在本章节中，我们将分别介绍这两种旋压方式【l 】。 2 3 1 多道次拉深旋压 简单拉深旋压的极限拉深比小，所以其应用范固有限。对于拉深比大的深 圆筒件或其他形状复杂的工件需要采用多道次拉深旋压。下面阐述这种成形技 术。 多道次普通旋压成形技术是指旋轮需要通过多次旋压毛坯才能完成工件的 旋压成形过程。与简单拉深旋压相比，其加工行程加长了，使成形时间也相应 地有所延长，但是成形过程的重复性好而且成形稳定。多道次成形的关键是旋 轮移动行程的构成及与此相关联的旋轮移动的原则。如图2 3 所示，旋轮的运 网j i i 大学颂t 毕业论文 动是通过仿形装置的上下两块靠模板来实现的。上面的固定模板的仿形型面与 芯模的形状相同，上面的固定模板的仿形型面与芯模的形状相同，下面的摆动 模板绕支点p 转动，仿形器将仿形动作传递给旋轮，使其进行逐次拉深旋压。 确定毛坯多道次旋压的方式受到毛坯尺寸、性能、旋轮形状、旋压道次安 排及旋轮进给速度等因素的影响。工艺参数和材料参数是影响多道次普旋成形 过程的重要因素，研究工艺参数和材料参数对多道次普旋成形过程的影响规律 是多道次普通旋压成形技术发展和应用中迫切需要解决的关键问题。主要注意 以下四个重要因素： ( 1 ) 毛坯的尺才和性能( 直径d 0 、板料t 。和材料的机械性能) 。 对筒形件旋压来说，拉深比d 0 d 越大且板坯相对厚度比d i d 越小，多道 次拉深旋压就越困难。当采用d 0 f 为指标来衡量时则d 0 r 越大越困难。所谓 困难足指成形参数的选择范围窄，容易起皱，壁部容易开裂。毛坯的外缘最好 还是整齐地冲切出来，这样可以防止旋轮通过时因拉深和弯曲作用而导致毛坯 外缘产生纵向裂纹。通常认为拉深比越大，毛坯相对厚度越小，多道次旋压越 困难，也越易起皱和破裂。 ( 2 ) 旋轮的形状( 圆角半径r ) 。 旋轮圆角半径是一个重要参数，根据经验，通常第一道次旋压时采用较小 值，以降低起铍的趋势 ( 3 ) 旋轮的进给速度圪。 旋轮进给速度是多道次普通旋压中最重要的参数。旋轮的进给速度大，工 件容易起铍，反之毛坯受拉使工件壁厚减薄。因此，通常建议在不起皱的前提 下，尽量选用大的旋轮进给速度，而在初期道次，为防止起皱选择小的旋轮进 给速度为宜。 ( 4 ) 加工道次影响。 对除铝合金外的普通材料进行筒形变薄旋压时，一道次的壁厚减薄率可以 达到0 6 o 8 ，但是考虑到旋压件的精度和表面质量而取r = o 5 5 为限。要达到 更大的壁厚减溥率就需要进行多道次旋压。如果每道次都要改变旋轮形状而更 换旋轮就会降低生产率。把旋轮顶端圆角半径r 取为工件壁厚“的十倍以下， 就可以用一个旋轮完成全部道次。在道次旋压时后期道次的壁厚减薄率冠可以 加大。这是因为初期道次的壁部厚、旋压力大，而且随着成形率的增加材料的 1 4 阴儿i 大学硕十毕业论文 隆起减小。 旋轮的进给需要随着壁厚的减薄而减小，但是不必对每一个道次的且。和吒 都加以严格区别，可以每2 3 道次取一个平均值。除了最终道次以外中间道次 所使用的迸给比圪应不使坯料与芯模贴合过紧，以免工件起铍。设各道次的管 坯内径变化量为f 。，则n 道次制出的旋压件的内径可以t 。用 占 t n 2 h + 乙厶1 n 1 ( z l ， 表示。f 。受圪大小的影响也有可能是负值，紧贴在芯模上的旋压件放取下 后内径将减小。从提高生产率来说希望旋压次数尽量小，旋轮进给比尽量大， 但是考虑到成型中的特点和各种限制还是以采用恰当的道次程序为宜。 多道次普通旋压成形规律的研究现状，多道次普通旋压能够很好地提高旋 压成形中的成形极限和成形精度，尤其对难加工材料和复杂形状工件更具有优 势，因此，研究多道次普通旋压成形规律具有重要意义。 2 3 2 筒形变薄旋压 这是用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从而制 出薄壁长筒件，这种成形就是筒形变薄旋压，如图2 5 所示。它能轻而易举地 将冲压或切削难于加工的长而粗的圆筒件制造出来，并且达到较高的精度。这 种旋压有如图2 5 所示的两种形式，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。 网川i 大学硕士毕业论文 图2 - 5 筒形变薄旋压加工 在简形变薄旋压加工中，产生缺陷的原因和影响精度的因素有如下几个方 面： ( 1 ) 毛坯方面包括材料、热处理和硬化程度等条件。如果零件不能在一道工 序中旋压完成，可在不同的芯模上进行连续旋压，但芯模的最小直径比相同的 旋压过程材料的硬化程度比在压床上拉深要大得多，故经几个道次后需中间退 火。 ( 2 ) 旋轮形状包括外径d 、成形角a 和顶端圆角半径r 等。一般根据经验a 在2 0 0 3 0 0 的范围内选定。如果工件的壁厚在o 5 m m 以下，无论a 是过大还足 过小都会使工件起镀。就防皱这点来讲，旋压不锈钢时a 最好取3 0 。旋轮圆角 半径r 的确定几乎没有规律可寻。r 取得过d , n 容易产生材料的剥落。 ( 3 ) 旋轮的进给比v o 、壁厚减薄率& 、道次程序以及润滑条件等，而且减薄 率凡直接影响到旋压力的大小和旋压精度的高低，其中 民= ( t o t ) t o 圪= v n o ( m m r ) ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 式中t o 为毛坯厚度；f 为旋压件厚度：v 为拖板进给速度；n o 是旋轮个数。一般 旋压筒形件可能成形的比值为： 四川大学硕士毕业论文 二= 0 6 0 8( 2 - 4 ) f o ( 4 ) 主轴转速。它对旋压过程影响不显著，但提高转速可提高生产率和零件 表面质量。对于铝、黄铜和锌最大转速约为1 5 0 0 m m i n ，对于钢则为此数的 3 5 - - - 5 0 ，不锈钢常取为1 2 0 3 0 0 m m i n 。 ( 5 ) 其他如芯模与旋轮之间的间隙、旋压温度、旋轮的结构尺寸、正旋、反 旋方式等对旋压过程亦有影响。 2 4 筒形变薄旋压加工成形主要失效形式 旋压加工作为一种复杂的成形方式，影响成形的效果的因素很多，掌握成 形技术的系统知识是非常必要的。虽然有许多制品只要得出其形状就可以了， 但是在制品稽度要求高时必须对工艺条件进行精选。在以下内容中归纳了实际 成形中可能产生的工件缺陷及其原因，应该选择适当的工艺条件以防止产生这 些缺陷c 2 4 1 。 ( 1 ) 破裂 轴向破裂：通常由于材料硬化度大，进给比率过大，或者壁厚减薄率过大 引起，多出现在硬料时候。 周向破裂：通常由于进给比过大，壁厚减薄率过大，或者成形角过大，隆 起过大是其原因，所有材料都会出现。 端部裂纹：主要形成原因为硬化度过大，管壁端部有伤痕，这是不锈钢合 金钢延迟断裂的原因。 人字形裂纹：主要由于壁厚减薄率小和旋轮圆角半径过小，多发生在圆筒 内表面以及铝及其合金制品中。 内部龟裂：主要形成原因为前道次的进给比与成形时的进给比的关系不适 当，主要发生在壁剖面内部和错距旋压过程中。 ( 2 ) 皱折 1 7 网川大学硕 毕业论文 端部铍折：主要形成原因为壁薄时进给比过大和扳材旋压的拉深比过大。 主要发生在几乎所有的薄壁圆面上。 壁部皱折：主要产生原因为最终道次之静坯料与芯模贴合太紧，进给比过 小，和壁厚减薄率过小。主要发生的位置和大小各不相同。 螺旋形皱折：主要形成原因为旋轮圆角半径过大和进给比过小，主要发生 在薄壁圆筒上。 ( 3 ) 表面缺陷 鳞状剥落：主要形成原因为壁厚减薄率过大，进给比过大，冷却不够等因 素。此种缺陷主要发生在板材的拉深旋压或者为铝、钢和铁质件上。 波纹状剥落：主要形成原因为材料纯度不高和各向异性材料属性影响。主 要出现在圆筒内表面和材料拉深旋压过程中。 局部变形：主要形成原因为材料中夹有杂质和润滑不均匀。 旋轮压痕：主要形成原因为材料粘附在旋轮上或足旋轮顶端有伤痕。 2 5 本章小节 在这一章节中介绍了传统旋压加工的一些基本知识，了解到了一般旋压加工 的材料、形状等，认识了旋压加工的主要设备，旋压加工的基本方式以及与我 们课题相关的多道次旋压加工和简形变薄旋压加工，介绍了筒形变薄旋压生产 过程中容易产生的失效形式，还涉及到了不同旋压方式应该着重考虑的工艺参 数等，为第五章中我们分析筒形变薄旋压加工方式提供了很好的实际加工分析 依据。 四l 大学硕卜毕业论文 第三章大变形弹塑性有限元理论 筒形变薄旋压加工过程中工件成形是由旋轮对毛坯材料的挤压变形而获 得，在这一过程中毛坯材料将表现出弹塑性材料的大变形行为，因此在这一章 节中介绍了与课题中材料的成形方式相关的大变形弹塑性有限元理论。使得我 们从理论上能清楚地认识到弹塑性材料发生大变形的有限元求解方式，从而指 导我们能够更好地应用有限元分析软件进行建模分析。 金属塑性成形是一种非常复杂的三维弹塑性变形过程，既包括物理非线性， 又包括几何非线性，而且它的边界条件往往也很复杂。虽然有限变形的弹塑性 有限元法求解金属塑性成形问题比较复杂，但是由于能够比较正确地反映客观 实际，模拟出包括卸载过程的金属塑性成形全过程，计算变形过程中质点的流 动规律、应力应变分布、卸载后残余应力和残余应变的分布，所以近年来弹塑 性有限元法在塑性加工领域受到了越来越多的重视，并得到日益广泛的应用。 随着塑性力学和有限元技术的发展以及计算机的广泛使用，弹塑性有限元法将 拥有更加广阔的发展空日j 和应用前景闭。 筒形变薄旋压成形过程实质上是一种大位移有限应变的弹塑性问题。采用 弹塑性有限元法分析金属成形问题，不仅能够按照变形路径得到塑性区的发展 情况、工件中的应力、应变分布规律及大小、以及几何形状的变化，而且还能 有效地处理卸载问题，计算残余应力和残余应变，从而可以分析产品的缺陷及 防止产生缺陷等问题。但是从分析金属成形过程的计算角度来看，弹塑性有限 元的不足之处就是计算工作量大。以下就与大变形弹塑性相关的有限元理论进 行详细介绍【2 5 1 【2 6 】f 2 7 】【2 8 】。 3 1 物体的构形及其坐标描述 连续介质构成的某一物体，在某一瞬时物体在空间所占的位置称为物体的 四川大学硕士毕业论文 一个构形( c o n f i g u r a t i o n ) 。给定了物体的一个构形，就给定了这个构形下物 体不同质点在同一时刻占有的不同空间点位，就描述了瞬时连续介质所占用的 位置和形状。另一方面，同一质点在不同时刻占有不同的空间点位，这说明了 连续介质的运动规律。所以，研究连续介质的运动就是研究物体构形的变化【2 5 1 。 物形变化的描述主要基于两种参考系：物形参考系q = “= 1 ，2 ，3 ) 和空间参 考系葺= ( f = 1 ，2 ，3 ) ( 如图3 1 ) 所示。开始( t = 0 ) 时的物形q ，称为研究物 形的参考物形；t 时刻的物形q 称为现时物形。 图3 1 参考系示意图 无论哪种参考系，在q 中的任意物质点的位置向量，记为口= k ，岛，q 】， 并且就是该物质点的标记；q 中任一物质点的位置向量，记为x = h ，而，x 3 1 。 同时也是该物质点所占据的空间位置的标记。图3 - 1 中的粗箭头表示针对物形参 考系；细箭头表示针对空间位置参考系。 在连续介质力学中，假定g 中的每一个物质点口，与且仅与q 中的一个物质点 对应，反之亦然。于是，任一物质点的运动规律，就可以用下列方程描述。 薯= ( 口，t )( f = l ，2 ，3 ) ( 3 - 1 ) 根据上述假定，函数t = ( 口，t ) 是单值、连续和可微的，因此它的逆函数唯一存 在。 口，= 口f ( x ，t )u = l ，2 ，3 ) ( 3 - 2 ) 从物理上看，式( 3 - 1 ) 和式( 3 - 2 ) 反映了物质点与它所在空间位置关系。式 阴川大学硕十毕业论文 ( 3 1 ) 表示质点a 在t 时刻所处的空间位置；式( 3 - 2 ) 表示t 时刻占据空j 日j 位 置工的是质点口。由此可见坐标q 是识别质点的“标志”，而是识别空间位置 的“标志”。在力学中，q 和五分别称为l a g r a n g e 坐标$ 1 1 e u l e r ( t ! 标。 令”为任一物质点口的位移向量，于是从物形岛变换到物形q 的变换可以 表示为： x = 口+ “+ o ( 3 - 3 ) 式中，0 为两个坐标原点的相对位置向量( 图3 - 1 ) 。为了简化处理，将两个坐 标系的原点重合，则0 = 0 ，式( 3 3 ) 就可以写为： 工=a+u(3-4) 即： 五= 岛+ u t ( j = 1 ，2 ，3 ) ( 3 - 5 ) 当然，和x ，口一样，“也是相对于参考系来度量的，并且为