（机械制造及其自动化专业论文）基于abaqus翅片单刀滚压成形过程有限元仿真及实验研究.pdf

摘要 论文题目：基于a b a q u s 翅片单刀滚压成形过程有限元仿真及实验研究 学科专业：机械制造及其自动化 研究生：程腾 指导教师：郑建明教授 摘要 签名： 签名：蛔 随着散热器在各工业领域的广泛应用，对其散热的性能要求也在不断的提高。翅片作 为散热器强化传热的关键元件，其加工质量和结构的优劣将直接影响其强化传热的性能， 而其加工制造一直是制造领域的一个难题。目前翅片成形的方法主要有铝挤、插翅、回流 焊接、刨床切削等方法，这些方法存在工艺繁杂、乱翅、材料利用率低、成本高等问题， 因此，本文针对目前翅片加工过程中所存在的问题，设计出了翅片单刀多次滚压成形方法， 并对该成形方法进行了仿真分析与实验研究。 在分析研究金属塑性成形过程及其力学理论的基础上，对翅片滚压成形过程进行了基 础理论研究。分析了翅片单刀滚压成形过程塑性变形的特点；建立了单刀滚压成形过程成 形刀具受力的力学模型，并推导出成形刀具上的受力预测近似计算公式；依据最小阻力原 理及在以往滚压成形刀具设计经验的基础上，改进设计出三种不同刃型的直壁式滚压刀 具，建立起不同刀具滚压成形过程的理论计算模型；基于体积不变原理，定性推导出不同 刀具滚压过程中滚压深度与翅高之间的函数关系，为翅片单刀多次滚压成形工艺的进一步 研究提供理论基础。 基于翅片单刀多次滚压成形过程中刀具和工件之间的相对运动关系，建立了翅片单刀 多次滚压成形有限元分析模型。采用a b a q u s 有限元软件，分别对三种不同刃型刀具的滚 压成形过程进行数值模拟分析，获得了翅片成形过程中等效应力、等效应变分布、翅片成 形过程中金属流动规律以及成形过程中刀具的受力情况。通过对有限元模拟结果的对比分 析，表明流线型刃型的滚压刀具是最有利于翅片长高的理想刀具。 依据模拟仿真结果所获得的滚压刀具结构参数，设计、加工出滚压刀具，在自行研制 的试验装置上进行翅片加工试验，获得了较为理想的翅片，测量得到试验翅片结构参数， 并将试验结果与仿真结果进行对比分析，表明有限元模拟仿真结果与翅片实际滚压成形结 果在结构和参数上基本是吻合的，验证了仿真模拟结果的正确性和可行性；通过采用不同 的滚压速度、不同的进给量、不同的润滑状态，研究了其对翅片长高过程的影响；对成形 翅片进行了硬度测试实验，表明滚压成形后翅片的性能得到了明显的改善；对试验过程中 所出现的一些问题，提出了相关的解决方案，为翅片单刀滚压成形方法在实际生产方面的 推广和应用奠定了一定的基础。 西安理工大学硕士学位论文 关键词：滚压成形；翅片；有限元模拟；工艺参数；应力应变 本课题属于陕西省教育厅专项科研计划项目“板式翅片滚压成形机理及参数控制方法 的研究 ( 项目编号：0 0 k 7 0 4 ) 。 i i a b s t r a c t t i t l e ：s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h ef i n r o l l i n gf o r m i n g p r o c e s su s i n gs i n g l et o o lb a s e do na b a q u s m a j o r ：m a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r i n g 一 一 一一 n a m e ：c h e n gt e n g s u p e r v i s o r ：p r o f z h e n gj i a n m i 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 ： w i t ht h er a d i a t o ri naw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n si nv a r i o u si n d u s t r i a lf i e l d s ，i t st h e r m a l p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t sa r ec o n s t a n t l yi m p r o v e d t h ef i na st h ek e yc o m p o n e n t so fr a d i a t o r ， t h ep r o c e s s i n gq u a l i t ya n ds t r u c t u r ew i l ld i r e c t l ya f f e c tt h em e r i t so ft h ep e r f o r m a n c eo fi t s e n h a n c e dh e a tt r a n s f e r ，a n di t sm a n u f a c t u r i n gh a sb e e nal e a d i n gm a n u f a c t u r ep r o b l e m a t p r e s e n tt h em a i nm e t h o d sf o rf o r m i n gf i ni n c l u d ea l u m i n u me x t r u s i o n ，ap a i ro fw i n g s ，r e f l o w s o l d e r i n g ，p l a n e rc u t t i n ga n do t h e rm e t h o d s t h e s em e t h o d sh a v em a n yp r o b l e m s ，f o re x a m p l e p r o c e s s i n gc o m p l i c a t e d ，c h a o t i cw i n g s ，m a t e r i a lu t i l i z a t i o ni sl o w ，h i g h e rc o s t sa n ds oo n ， t h e r e f o r e ，a i m i n ga tp r o b l e m sa n dp u t t i n gf o r w a r dan e wk i n do ff i nf o r m i n gt e c h n o l o g y r o l l i n gf o r m i n gm e t h o d su s i n gs i n g l e t 0 0 1 i nt h ea n a l y s i so fm e t a lf o r m i n gp r o c e s s e sa n dm e c h a n i c a lt h e o r yb a s e do nt h ef i nr o l l f o r m i n gp r o c e s sw a sf u n d a m e n t a lr e s e a r c h a n a l y s i s e dt h ef i nd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f r o l lf o r m i n gp r o c e s su s i n g s i n g l e t 0 0 1 e s t a b l i s h e dt h em e c h a n i c a lm o d e lo ft h et o o lf o r c eo fr o l l f o r m i n gp r o c e s su s i n gs i n g l e - t o o l ，a n dd e d u c e df o r e c a s ta p p r o x i m a t ec a l c u l a t i o nf o r m u l ao ft h e s t r e s so nf o r m i n gc u r e i m p r o v e dd e s i g nt h r e ed i f f e r e n t w a l l s t r a i g h te d g er o l l i n gt o o lb a s e do n t h ep r i n c i p l eo fl e a s tr e s i s t a n c ea n dt h e p a s tr o l lf o r m i n gt o o ld e s i g n ，a n de s t a b l i s h e d m a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h ed i f f e r e n tr o l l i n gp r o c e s s d e d u c e dt h er e l a t i o n sb e t w e e nt h ef i n h i g ha n dt h er o l l e rd e p t hi nd i f f e r e n tr o l l i n gp r o c e s sq u a l i t a t i v e l yb a s e do nt h ep r i n c i p l e so f c o n s t a n tv o l u m e i tp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ef u r t h e r s t u d yo f r o l lf o r m i n gp r o c e s s e s t a b l i s h e dt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e lo ff i nr o l lf o r m i n gb a s e do nt h et o o la n dt h e w o r k p i e c er e l a t i v em o t i o n u s i n ga b a q u sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r et or e s p e c t i v e l ys i m u l a t et h e p r o c e s so ft h r e ed i f f e r e n te d g er o l l i n gt o o la n da n a l y s i st h ef i nf o r m i n gp r o c e s st oo b t a i n e q u i v a l e n ts t r e s s ，e q u i v a l e n ts t r a i nd i s t r i b u t i o n ，t h ef i nf o r m i n gp r o c e s sa n dm e t a lf o r m i n g p r o c e s sf l o wl a w ，t h ef o r c eo ft o o l s t h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ec o m p a r a t i v e a n a l y s i ss h o wt h a tt h es t r e a m l i n e de d g eo ft h et o o li st h em o s tc o n d u c i v et 0 0 1 i i b a s e d o nt h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r so b t a i n e db y r o l l i n gt h et o o lo fs i m u l a t i o nr e s u l t sd e s i g n e a n dp r o c e s st h er o l l i n gt 0 0 1 u s i n gt h ed e s i g no ft h et e s td e v i c ef o rf i np r o c e s s i n gt e s t o b t a i l l t h er o l l i n gf i ns t r u c t u r ep a r a m e t e r s c o m p a r e dt h et e s tr e s u l ta n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t 、e r e s h o w e dt h a tt h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h ea c t u a lf i nr o l l f o r m i n gr e s u i t si nt h e b a s i cs t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r si sc o n s i s t e n t s i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ev e r i f i e dn l ec o n e c 缸1 e s sa n d f e a s i b i l i t y t h es t r e n g t ht e s t i n ge x p e r i m e n t ss h o wt h a ta f t e rt h ef i nr o l lf o r m i n gp e r i o n n a i l c ei s s i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d p r o p o s e ds o l u t i o n sr e l a t e dt os o m ep r o b l e m sf o rr o l lf o m l i n gm e t h o d u s i n gt h es i n g l et o o lf o rf o u n d a t i o nf i ns i n g l e t o o l r o l l i n g i nt h ea c t u a l p r o d u c t i o nf o r p o p u l a r i z i n ga n da p p l y i n g k e y w o r d s ：r o l lf o r m i n g ；f i n ；f e m ；p r o c e s sp a r a m e t e r s ；s t r e s sa n ds n a i n t h i sp r o j e c to r i g i n a l l yp a r to ft h es h a a n x ip r o v i n c i a ld e p a r t m e n to fe d u c a t i o ns p e c i a lr e s e a r c hp r o j e c t ”f i np l a t er o l lf o r m i n gm e c h a n i s ma n dp a r a m e t e rc o n t r o lm e t h o d ”( i t e mn u m b e r ：0 0 k 7 0 4 ) 目录 目录 1 绪论。1 1 1 课题来源l 1 2 课题的研究背景及其研究意义1 1 2 1 散热器性能影响因素1 1 2 2 翅片目前的成形方法2 1 2 3 翅片的塑性加工工艺4 1 3 金属塑性成形理论与有限元方法5 1 4 本章小结8 2 翅片单刀多次滚压成形原理及刀具设计9 2 1 滚压成形方法9 2 1 1 滚压技术9 2 1 2 轧制工艺的原理1 0 2 1 3 单刀多次滚压成形原理一1 l 2 2 滚压成形过程动力学分析1 1 2 3 滚压成形刀具设计1 5 2 3 1 刀具结构设计一1 5 2 3 2 滚刀刃型设计15 2 4 成形过程中的体积转移分析1 8 2 4 1 滚压成形理论计算模型的建立18 2 4 2a 型刃型滚刀滚压过程的理论计算1 8 2 4 3 圆弧型刃型滚刀滚压过程的理论计算1 9 2 4 3 流线型滚刀滚压过程的理论计算1 9 2 5 刀具受力近似预测公式的建立一2 0 2 6 本章小结2 4 3 滚压成形过程的有限元模拟2 5 3 1 滚压成形过程有限元建模2 5 3 1 1a b a q u s 软件概述2 5 3 1 2 滚压刀具及工艺参数的确定2 7 3 2 仿真模型的建立2 8 3 2 1 定义材料属性2 8 3 2 2 滚压成形仿真过程的建立一2 9 3 。3 分析计算流程一3 2 3 3 1 质量放大对仿真结果的影响3 3 3 4 成形翅片的最终效果3 3 西安理工大学硕士论文 3 5 本章小结3 4 4 滚压过程仿真模拟结果分析3 5 4 i 翅片成形过程中的金属变形规律分析3 5 4 1 1 翅片根部金属的变形规律3 5 4 1 2 翅片侧壁金属的变形规律3 8 4 1 3 翅片端面金属的变形规律。4 0 4 1 4 翅片顶部金属的变形规律4 3 4 2 翅片成形过程中各个力学参数的变化4 5 4 2 1 翅片滚压成形过程中应力场的分析比较4 5 4 2 2 翅片滚压成形过程中应变场的分析比较4 8 4 2 3 滚压成形过程中刀具受力分析4 8 4 3 本章小结5 0 5 翅片滚压成形过程的试验研究5 l 5 i 试验条件：51 5 1 1 试验装置5 l 5 1 2 成形刀具5 l 5 2 试验目的及操作方案5 3 5 2 1 试验目的5 3 5 2 2 试验方案5 3 5 3 试验和仿真模拟结果的对比与分析5 3 5 3 ia b a q u s 仿真结果5 4 5 3 2 实验结果分析一5 4 5 3 3 成形翅片硬度分析5 6 5 4 试验存在问题及解决方案5 8 5 5 本章小结6 0 6 结论与展望6 1 6 1 结论6l 6 2 发展与展望6 2 致谢。6 3 参考文献6 5 攻读硕士学位期间发表论文及研究成果6 7 1 绪论 1 绪论 1 1 课题来源 本课题原属于陕西省教育厅专项科研计划项目“板式翅片滚压成形机理及参数控制方 法的研究”( 项目编号：0 0 k 7 0 4 ) 。针对目前翅片加工方法中如铝挤、折叶、回流焊接、 刨床切削等方法中存在工艺复复杂、成本高、乱翅及热阻隔等问题，以绿色j j i l q - - t 1 , 2 为目 标，借鉴塑性滚轧成形的成功经验，依据塑性成形理论及其成形特点，提出一种翅片单刀 多次滚压成形加工的塑性成形方法。该方法属于塑性冷加工成形范畴，与传统机械加工相 比最大的优势在于其成形过程中不会有材料的浪费，并且在不破坏金属基本组织结构的基 础上，利用滚压成形的方法使得塑性良好的金属材料变形成为翅片，是一种具有广泛应用 前景的环保加工工艺1 3 剖。 翅片单刀多次滚压成形方法是将单排滚压刀具平行布置在空间中，滚压刀具绕其固定 轴线旋转，工件送入滚压刀具间隙后，依靠滚压刀具和工件之间的摩擦力拖动工件向前运 动，利用滚压刀具提供的成形约束空间来控制金属材料的流动与变形，使得塑性良好的金 属材料发生局部连续塑性变形，最终成形出高于基体表面的翅片形状。 本文在提出翅片单刀多次滚压成形方法的基础上，采用有限元计算方法，对该翅片成 形过程进行了数值模拟仿真。依据金属塑性成形原理及在以往滚压刀具设计经验的基础 上，对原有滚压刀具结构进行了改进，设计出三种不同刃型的直壁式滚压刀具；依据体积 不变原理，分别建立了不同刀具滚压成形过程的理论计算模型，探索翅片成形高度与刀具 滚压深度之间的函数关系；通过模拟仿真所获得应力场分布，研究分析在成形过程中不同 刃型刀具所成形翅片的应力分布；通过模拟仿真所获得应变场分布，研究分析不同刃型刀 具成形翅片的结构特点及变形情况；通过模拟仿真所获得金属流动场分布，研究分析不同 刃型刀具在压入工件内部以后金属在刀具约束作用下的流动规律及变形特点：通过模拟仿 真所获得的刀具受力结果，探索出在滚压成形过程中不同刃型刀具在不同方向上的受力情 况，为计算滚压刀具寿命和强度以及改进刀具结构提供理论参考。通过对以上不同刃型刀 具模拟过程所获得结果的分析比较，选择出有利于翅片长高的成形刀具，并通过在自行研 制的试验装置上进行试验，将所得试验结果和仿真模拟结果进行分析对比，验证模拟仿真 结果的正确性，为今后翅片滚压成形工艺在实际生产中的推广和应用奠定了理论基础。 1 2 课题的研究背景及其研究意义 目前翅片式散热器已广泛应用于石油、化学、医药、焦化、纺织、轻工、冶金、轧钢 等各个工业领域，其结构种类繁多，其中翅片是散热设备中的关键元件，决定了散热器散 热性能的优劣。根据不同的散热要求各种新颖的翅片结构形式也在不断涌现。 1 2 1 散热器性能影响因素 在进行各种散热器设计过程中，都会用到以下关系式进行热量交换计算： q = k s a t ( 1 1 ) 西安理工大学硕士学位论文 式中：p 热量，w h k 传热系数，w ( m 2 h 。c ) s 散热面积，m 2 丁进行热交换的物体之间平均传热温差，。c 上式表明散热器的散热性能主要取决于k 、s 和a tz 个参数，提高散热系数k 、增 大散热面积s 和增加传热温差r ，都将有利于提高散热器的散热性能，其中最直接有效 的方法就是增大散热面积s 。增大散热面积以强化传热，可以通过改进散热面结构以增加 单位体积内的传热面积，增大散热表面后不仅增加了散热面积，而且还能够提高整个散热 器的传热系数k 值，这样使得散热器的散热性能会得到大大的提高。翅片式散热器就是 在以往散热器结构的基础上，通过增大散热表面积来提高散热器散热性能的一种散热结构 形式。根据散热器散热过程中的热交换原理，翅片式散热器中关键元件翅片成形质量的好 坏，将最终影响到所用散热器的散热性能，因此对散热器核心元件翅片成形工艺的研究和 开发新的翅片成形工艺具有非常重要的意义。 1 2 2 翅片目前的成形方法 随着翅片式散热器的广泛应用，涌现出了多种翅片成形技术，目前主要的翅片成形技 术有如下几种： ( a ) 铝挤压技术 铝挤压技术是在高温、高压下让高温液体状的铝液流经所设计的挤型模具内形成翅片 初胚，再对翅片初胚进行剖沟、裁剪等处理的一项翅片成形工艺方法。铝挤技术所成形的 散热片相对成本低，技术要求难度不是很大，但成形翅片的厚长比( 翅片厚度与翅片高度 的比值) 会严重受到限制，在一定的空间内提高散热面积的程度是有限的，故其散热效果 相对会比较差，如图1 1 所示。 ( b ) 折叶焊接技术 折叶焊接技术是将单个的翅片一个个的排列，用特殊焊接材料焊接在散热片基体上的 一种翅片成形方法。由于翅片薄，翅问距小，故在单位面积上可以使有效散热面积倍增， 从而达到提高散热效果的目的。但是，折叶焊接技术工艺很复杂，折叶和底部基体之间的 紧密接触要求一般很难得到保证，如果这点不能得到有效的保证，散热效果会大大降低， 如图1 2 所示。 ( c ) 插翅成形技术 插翅成形技术是在铜板上刨出细槽，然后使用6 0 吨以上压力将铝片压入刨出的细槽 中，最终形成翅片结构的一种复合式翅片成形工艺。该成形工艺最大程度的缩减了异种金 属之间所存在热阻隔问题，但不同金属接触的截面热阻依然存在，且插翅成形技术属于当 前比较高端的成形加工技术，为了能够保证良品率，其成本也会很高，如图l 一3 所示。 ( d ) 回流焊接技术 回流焊接技术利用计算机智能地对焊接过程中的温度和时间进行精确设定，使焊接膏 2 药与基体会届充分接触，从而焊接出翅片的一种成形方法。回流焊技术最大的问题就是成 本问题，同时所利用的导热膏以及焊缝处会存在严重的界而阻抗，从而影响散热效粜，如 图14 所示。 ( e ) 精密切割技术 精密切割技术是将铝材或铜材用特殊的切割机床切割出散热翅片的加工方法。精密切 割工艺能够在单位体积内切割出较大的散热面积。同时由于是整体切割成形，翅片和底座 仍为一体不会存在异种金属之问的阻抗问题，但其切削加工破坏了金属组织的整体性和 连续性，容易形成局部的热阻隔，从而影响散热效果，同时精密切割技术的加工效率较低， 使得该工艺的生产成本加大，如图15 所示。 ( f ) 刨床切削技术 刨床切削技术是以挤型方式先加工出带有凹槽的初胚，然后再利用特殊的刀具，将初 胚切出一层层翅片结构的成形工艺。翅片与基体之问仍然是一体的，不会存在接口阻抗的 问题，但其缺点是成形过程中，由于材料应力集中的存在，使得翅片与基体接合处会产生 裂缝，从而影响散热效果，且会存在废料、批量生产及良品率问题，使得加工成本提高， 如图卜6 所示。 幽嘞烈螳醴暑昌一 ”、r - o 葡 图i l 铝挤技术刚i 2 折叶技术 煳i ，3 插齿技术 f i gl - la l u m i n u me x t r u s i o n t e c h n o l o g yf i gi - 2f o l df i nt e c h n o l o g y f i gi 3c r i m p e df i n t e c h n o l o g y 图1 - 4 同流焊接技术 幽l - 5 精密切割技术 f i 9 1 - 4 r e t l o ws o l d e r i n g t e c h n o l of i 9 1 5s k l v i n g t e c h n o l o g y 图1 6 刨床切削上艺 f i gl 正p l a n e rc u t l i n gp r o c e s s 通过对以p - ) l 乖i 目前加工翅片主流技术的分析，可以禹出其存在工艺复杂、成本高、 材科利用率不高及热阻等问题。由于金属塑性成形技术是一种有别于机械加工成形的无切 削金属成形方法，其不仅具有生产效率高、生产成本低、原材科消耗少的优点，而且还可 以有效的改善成形金属组织的性能，因此应用塑性成形方法加工翅片，可以很好的解决以 上加工方法中所存在的问题。 。纂 ”哿鬻 绪论 ( c ) 劈切一挤压加工方法 夏伟等提出的“劈切一挤压加工方法”是一种无屑_ 【- ；3 n 和挤压的复合加工翅片的成 形方法。该方法在普通车床上依照通常的切削加工方式进行利用专用刀具将管表面金属 劈切开后，随着刀具挤压量的不断增加，金属会沿径向和轴向流动，最终通过径向和轴向 的挤压作用使金属发生塑性变形成翅片结构，如图1 - 1 0 和l 一1 1 所示。 c 醋貊铪 图1 1 0 劈切一挤压成形原理 f i gl 一1 0 c h o p p i n ge x t r u s i o ns h a p i n g p r i n c i p l e 图i i i 劈切挤压刀具 f i gl - 1 1c h o p p i n ge x t r u s i o n t o o l ( d ) 双面犁加工方法 吴斌等【9 1 提出了“双面犁法”来加工翅片管。该方法采用专用的刀具使基管表层金属 产生局部的塑性变形，晟终形成翅片结构。在加工过程中，表层金属在专用刀具的作用下经 受了多次的挤压作用，并经过复杂的塑性流动后发生变形，从而形成表层强化的翅片结构， 是一种无浪费的金属成形过程，如图卜1 2 所示。 一， 幽1 一1 2 积面犁法加i 粘体翅片管 f i g l - 12t h e m o d e lo f f o r m i n g i n t e g r a l f i n t u b e sb y t h ed o u b l ep l o u g h i n g m e t h o d 1 3 金属塑性成形理论与有限元方法 金属塑性成形是具有久远历史的成形方法，早在几千年前的青铜器时代，中国古代劳 动人民就已经发现青铜其有良好的塑性变形能力，并且开始掌握锻打金属来制造兵器和劳 动工具的技术。随着近代科学技术的快速发展，赋予了塑性加工技术以新的内容和意义。 但是，作为塑性成形技术的理论基础一金属塑性成形原理发展的相对较晚一些，直至2 0 世纪4 0 年代中期才逐步形成了独立的学科【】。 金属塑性成形理论是在关乎于塑性变形的物理条件、物理一化学条件以及变形力学的 基础上发展起来的一门技术理论。自从上世纪3 0 年代提出“位错”概念以来，学者们丌 始对塑性变形的微观机理进行了进一步的研究。对金属塑性金属产生了塑性变形而能 够保持其完整性能的能力，学者们也有了更加深入的认识。塑性，作为金属存在的一种状 西安理工大学硕士学位论文 态属性，其不仅仅取决于金属材料自身属性( 如化学成分、组织结构等) ，还与金属产生 变形所需的外部条件，温度、速度以及力学条件有关。 金属塑性成形的另一个很重要的分支就是塑性成形力学，它的出现与发展是伴随着塑 性理论的发展与应用逐步发展起来的。自1 8 6 4 年塑性理论发展至今，起先由法国工程师 屈雷斯加首先提出了最大切应力的屈服准则，距现今已有百多年的历史。德国学者卡尔曼 最早将塑性理论应用于金属塑性成形过程中，他在1 9 2 5 年用初等方法建立- ts l n 成形过 程的应力分布规律。此后不久，萨克斯和齐别尔在研究拉拔问题时提出了另一种相似的求 解塑性问题的方法切块法，即后来的主应力法。至此，研究工作者们对塑性成形过程 中的应力、应变和变形力的求解建立起了许多的理论求解方法，如：滑移线法、工程计算 法、变分法和变形功法、上限法、有限元法等。同时，还建立起了理论分析与实验相结合 的方法：如塑性变形材料力学法和直观塑性法等。 在国内，很多学者也开始在塑性成形理论及其力学研究方面进行了不少的科研工作， 且成果颇丰。中国工程院院士王仲仁院士从工程实际应用的角度出发，采用了增量补偿理 论的观点，于1 9 7 9 年提出了“应力应变顺序对应规律”理论，该理论将应力状态、应变 状态、屈服准则三者之间的关系联系了起来，并根据应力、应变的变化情况可定性地分析 出工件各部分形变的变化趋势。同时还给出在平面应力状态及三向应力状态下屈服图形上 的应力分区。王仲仁院士还应用塑性成形理论得出了“无膜胀球工艺”，的成形方法，它 是一种形变效率较高的成形方式。在塑性成形问题的力学分析方法理论研究及应用方面， 王仲仁院士及顾震隆提出了一种用莫尔圆求证h e n c k y 方程的方法；朱吉君将滑移线理论 用于求解三辊仿形斜轧变形力问题；李双义利用基圆矩形技术对平面应变的正挤、反挤优 化上限解进行了简便且有效的分析研究；王祖唐等老师利用有限元法分析了静液挤压过程 的应力应变场。这些研究成果都进一步推动了金属塑性成形理论的发展与应用。 有限单元法起源于4 0 年代所提出的结构力学中的矩阵算法。“有限单元法”这一术语 是英国科学家克拉夫于1 9 6 0 年提出来的。起初它是作为一种力学分析的数值计算方法， 后来则发展成为求解偏微分方程边值、初值问题的一种离散化方法【1 1 1 。 有限单元法的基本思想是把连续体视为离散单元的集合体来考虑。在应用有限单元法 分析问题时，首先采用“化整为零”的思想，将连续体分解成为有限个性态比较简单的“单 元 ，利用所分解出的个体单元分别进行数值计算：然后再采用“积零为整”的思想，将 分解的各个单元重新组合为连续体的简化“模型”，通过求解该模型在若干离散点上的数 值解来获得问题的基本未知解；最后，根据所得到的基本解值回到各个单元中去计算问题 的其他物理量，如：应力、应变。 对金属弹塑性和刚塑性变形采用有限元法进行分析的步骤可归纳如下： ( 1 ) 采用假想的线或面将连续体分成若干“有限单元”，这些单元都具有简单几何形 状的特点。 ( 2 ) 假设划分出的单元在且仅在其边界上若干个离散节点处互相连接。将这些节点 6 1 绪论 的位移( 或速度) 作为求解问题的基本未知量。 ( 3 ) 选择适当的差值函数，以便由每个“有限单元”的节点位移( 或速度) 唯一地 确定该单元中的位移分布。 ( 4 ) 利用位移函数对坐标的偏导数唯一地确定该单元中的位移分布。由单元的应变 以及材料的本构关系，确定出单元的应力分布。 ( 5 ) 根据虚功原理可建立每个单元中节点位移和节点力之间的关系，即单元刚度矩 阵。 ( 6 ) 将每个单元所受的外载荷根据作用力等效的原则移置到单元的节点上，形成等 效节点力。 ( 7 ) 按照各节点整体编号及节点自由度的顺序，将单元的刚度方程迭加，组装成问 题的整体刚度矩阵。 ( 8 ) 根据边界节点必须满足的位移条件，对整体刚度矩阵进行适当的修改。 ( 9 ) 求解整体刚度方程，获得到节点位移。 ( i 0 ) 根据求得的节点位移计算各个单元的应变和应力。 在金属塑性成形过程中，工件发生大的塑性变形，其位移与应变的关系存在几何非线 性，材料的本构关系( 应力- 应变关系) 存在材料非线性，即物理非线性。不仅如此，成 形过程中所用模具型面的几何形状往往比较复杂，工件与模具的状态不断改变，摩擦规律 也难以准确地描述。因此，金属塑性成形问题难于求得精确解值。有限单元法是目前进行 非线性分析的最强有力的工具，成为模拟金属塑性成形过程最常用的方法。 在塑性成形过程的有限元模拟中，根据材料应变与位移以及应变与应力之间的关系不 同可将有限单元法分为小变形弹塑性有限元法，有限应变弹塑性有限元法、刚塑性有限元 法和黏塑性有限元法。 1 9 6 7 年，m a r c a l 和k i n g 1 2 - 1 4 1 首先提出了弹塑性有限元法。1 9 6 8 年，y a m a d a 等推导了 塑性应力一应变矩阵。1 9 7 0 年，h i b b i t 等提出了建立在有限变性理论基础上的大变形有限 元列式。7 0 年代中期，o s i a s 、m c m e e k i n g 等采用欧拉描述法建立了大变形有限元列式， 不仅能计算工件的变形和应力、应变分布，而且还能有效地处理卸载问题，计算金属成形 过程结束后工件的回弹和残余应力、残余应变的分布。因此，它适宜于板料成形等问题的 模拟。但是，弹塑性有限元法采用的增量型本构关系不允许使用大的变形增量，总的计算 时间较长。 在大变形的金属成形问题中，有时候可将其中的弹性变形忽略，进而采用刚塑性材料 模型。1 9 7 1 年德国的l u n g ，1 9 7 3 年美国的l e e 和k o b a y a s h i 分别提出了刚塑性有限元法【l 5 1 。 采用刚塑性有限元法，由于不需要考虑材料弹塑性状态的变化，所以可采用比弹塑性有限 元法大的增量步，从而减少计算时间。但刚塑性有限元法不能确定刚性区的应力、应变分 分布，也不能处理卸载问题。在锻造等体积成形问题中，金属材料的塑性变形量很大；由 7 西安理工大学硕士学位论文 于温度的影响，材料的弹性参数难以确定；同时回弹的影响不大。因此，用刚塑性有限元 法模拟及成形过程比较适宜。为了考虑变形速率对金属塑性流动和变形抗力的影响，可采 用由刚塑性有限元法扩展而得到的刚黏塑性有限元法【l6 1 。 1 4 课题研究的主要内容 本文主要对翅片单刀滚压塑性成形方法进行一些理论和试验方面的研究，依据金属塑 性成形原理及以往滚刀设计经验，设计出三种不同刃型的滚压刀具，通过数值模拟仿真结 果分析，选择出更有利于翅片长高的理想刀具，并进行单刀滚压成形工艺的试验验证研究。 ( 1 ) 根据金属塑性成形理论及其成形特点设计出三种不同刃型的滚刀，利用等体积 转移原理分析翅片成形高度和刀具滚压深度之间的函数关系，为今后的金属塑性滚压成形 理论研究提供参考。 ( 2 ) 采用有限元计算方法，通过a b a q u s 有限元分析软件建立滚压成形过程的有 限元模型进行模拟仿真过程，并分别对不同刃型刀具的滚压过程进行模拟仿真。 ( 3 ) 分析对比不同刃型刀具滚压成形过程中工件的金属变形情况，掌握金属流动规 律和变形特点。通过对刀具结构参数的不断调整，进行多次模拟仿真过程，控制金属按预 定的要求迅速的流动和变形，获得理想的翅片。通过对不同刃型刀具仿真结果的分析比较， 最终选择出最有利于翅片长高的成形刀具。 ( 4 ) 利用所设计的滚刀，在自行开发设计的试验设备上对纯铝进行试验研究，并将 实验所得的翅片结构和参数与仿真模拟结果进行比较，验证仿真模拟结果的正确性，解决 翅片滚压成形过程中关键部件刀具设计的问题，为翅片滚压成形工艺应用于实际生产提供 一定的参考依据。 8 2 翅片单刀多次滚压成形原理及刀具设计 2 翅片单刀多次滚压成形原理及刀具设计 依据金属塑性成形原理，结合滚轧技术，提出翅片单刀多次滚压成形的加工方法。该 方法具有生产效率高、成形质量好、生产成本低、不浪费材料等特点。滚压刀具是该加工 工艺的关键装备，滚压工艺的效率及效果很大程度上取决于滚压刀具结构，其强度和寿命 也将会直接影响滚压工艺的顺利进行。本章将介绍翅片单刀滚压成形工艺及其基本原理， 对滚压成形过程的动力学原理进行分析；在以往滚压刀具设计经验的基础上依据最小阻力 定律，改进设计出三种不同刃型的直壁式滚压刀具结构；依据体积不变原理，分别建立三 种不同刃型滚压刀具滚压成形过程的理论计算模型；对滚压过程中滚压刀具的受力进行分 析，并建立起滚压刀具受力的预测近似公式。 2 1 滚压成形方法 现今所用到的各种滚压加工工艺都是在传统滚压技术的基础上，结合轧制工艺原理所 演变的各种新型金属塑性成形方法。这些金属塑性成形方法分别应用在不同的加工领域范 围。下面将分别介绍传统滚压技术和轧制技术的成形过程及其原理。 2 1 1 滚压技术 传统滚压成形工艺【1 7 】作为一种有别于机械加工的成形工艺，最早主要应用于改善成 形零件的表面质量。随后该工艺得到不断发展、演变，被应用到工业生产的各个领域，并 取得了很好的加工效果。 传统滚压技术的主要的工艺装备就是滚轮器，其一般在普通车床上就可以实现。在给 定的滚压深度e 下，滚轮器一方面做绕自身中心轴线的旋转运动，这样有助于加工过程中 减小摩擦阻力，另一方面滚轮器做直线进给运动，工件做绕自身轴线的回转运动，这样就 完成了在给定滚压深度下的一次滚压过程，最终使得工件直径由原来的d 。变为d ：，成形 出了表面质量良好的零件。传统滚压加工技术的原理如图2 1 所示。 工件旋转方向 伊 乡 滚轮器旋转方向 图2 - 1 传统滚压技术原理图 f i g 2 - 1t h er o l l i n gp l a s t i c i t yf o r