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汽车轮毂旋压成形过程的数值模拟 摘要 轮毂是车辆行驶时的主要部件之一，发挥着承载车辆重量、体现车辆外观、 转向和驱动等重要作用。旋压是一种综合了锻造、挤压、拉深、弯曲和滚压等 工艺特点的先进制造工艺方法，在航空航天、通用机械、汽车和化工等金属精 密加工技术领域得到了日益广泛的应用。作为一种先进的制造技术，旋压也开 始逐渐应用到汽车轮毂的制造和生产中去。汽车轮毂旋压是一个复杂的塑性成 形过程。为了系统研究汽车轮毂旋压的成形规律，本文采用计算机数值模拟和 理论分析相结合的方法对其成形过程进行分析研究。 本文以有限元理论为依据，在对汽车轮毂旋压的工艺特点进行深入分析的 基础上，建立了符合实际的合理力学模型。毛坯采用四节点四边形单元划分网 格，芯模和旋轮也进行了模型的离散化，并且对边界条件、摩擦接触条件和旋 轮运动轨迹等进行确定。然后利用成形分析软件d e f o r m 对汽车轮毂旋压的多道 次成形过程进行有限元数值模拟。在数值模拟的基础上，得到了不同道次下旋 压毛坯的变形网格情况，各道次下的应力应变分布情况及相应的曲线图，分析 了变形区的应力、应变分布规律和轮毂旋压成形的塑性变形机理。为有效地进 行工艺研究、优化工艺参数提供了方法和依据。 通过对不同工艺参数下的汽车轮毂旋压过程进行数值模拟，得到了名义拉 深系数、相对厚度、旋轮圆角半径和进给比等工艺参数对等效应力、等效应变 和旋压力等的影响规律。在此基础上，分析了汽车轮毂旋压时出现的起皱、不 贴模等缺陷，并对原因进行了解释说明。 在数值模拟的基础上，选取合适的工艺参数，并采用正交表分配各因素的 值，进行工艺参数的优化设计。以旋压力和壁厚偏差为主要判断依据，通过正 交试验的方法分析名义拉深系数、相对厚度、旋轮圆角半径和进给比对于旋压 成形质量的影响主次关系，并且在参数的可选范围内，得到一组最优的工艺参 数匹配关系。 关键词：汽车轮毂，多道次拉深旋压，数值模拟，工艺参数，正交试验 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no na u t o m o b i l eh u bs p i n n i n g n t o r m i n gp r o c e s s a b s t r a c t h u hi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t si na u t o m o b i l er u n n i n gs y s t e m ，i t s u p p o r t s t h eb o d yw e i g h t ，e m b o d i e sa p p e a r a n c ed e s i g n ，t u r n st h ed i r e c t i o na n d d r i v e st h ea u t o m o b i l e ，e t c t h es p i n n i n gi sa na d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y m e t h o ds y n t h e s i z i n gw i t ht h ep r o c e s sc h a r a c t e r i s t i co ff o r g i n g ，e x t r u d i n g ，d r a w i n g ， b e n d i n ga n dr o l l i n g i ti sw i d e l ya p p l i e di n t h ef i e l do fp r e c i s ep r o c e s s i n g t e c h n o l o g yo fa e r o s p a c e ，m e c h a n i c a l ，a u t o sa n dc h e m i c a li n d u s t r yd u et oi t sg o o d f o r m i n gp e r f o r m a n c e s a sa na d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ，s p i n n i n gi sa l s o a p p l i e dw i d e l yi nt h ea u t o m o b i l eh u bp r o d u c t i o n t h ea u t o m o b i l eh u bs p i n n i n gi sa v e r yi n t r i c a t ep l a s t i cf o r m i n gp r o c e s s t os t u d yt h ef o r m i n gl a wo f a u t o m o b i l eh u b s p i n n i n g ，t h es p i n n i n gp r o c e s sh a sb e e ni n v e s t i g a t e db yc o m p u t e rn u m e r i c a l s i m u l a t i o nc o m b i n i n gw i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i si nt h i sp a p e r t h er e a s o n a b l em e c h a n i c a lm o d e lt h a tf i tw e l l w i t ht h er e a lp r o c e s so f s p i n n i n gh a sb e e ne s t a b l i s h e db ym e a n so ff i n i t e e l e m e n tt h e o r ya n dp r o c e s s c h a r a c t e r i s t i c so fa u t o m o b i l eh u bs p i n n i n g t h ef o u r - n o d eq u a d r i l a t e r a le l e m e n th a s b e e nu s e df o r p l o t t i n g t h eb l a n k ，m a n d r e la n dr o l l e rh a v e b e e nd i s c r e t e d r e s p e c t i v e l y , b o u n d a r yc o n d i t i o n ，f r i c t i o nc o n d i t i o na n dm o v e m e n tt r a c ko fr o l l e r h a v eb e e no b t a i n e d 。t h ef o r m i n gp r o c e s s i n go fa u t o m o b i l eh u bs p i n n i n gh a sb e e n s i m u l a t e d n u m e r i c a l l y w i t ht h ef o r m i n gs o f t w a r ed e f o r mi nt h i sp a p e r d e f o r m i n gg r i do fs p i n n i n gb l a n ki nt h ev a r i e dp a s so fs p i n n i n gf o r m i n gh a sb e e n d e t e r m i n e d ，t h ec u r v e so ff o r m i n gt a k e nw i t he v e r yp a s sh a v e b e e np r e s e n t e d ，t h e d i s t r i b u t i o nr e g u l a t i o no fs t r e s sa n ds t r a i no ff o r m i n gz o n ea n dp l a s t i cd e f o r m a t i o n m e c h a n i s mo fh u bs p i n n i n gh a v eb e e na n a l y z e d i ti st h eu s e f u lt h e o r e t i c a lb a s i st o r e s e a r c hr u bs p i n n i n gp r o c e s sa n do p t i m i z et h ep r o c e s sp a r a m e t e rc o l l e c t e d l y t h ea u t o m o b i l eh u bs p i n n i n go fd i f f e r e n tp r o c e s sp a r a m e t e r h a sb e e n s i m u l a t e di nt h i sp a p e r t h ee f f e c t so fv a r i o u sp a r a m e t e r ss u c ha sn o m i n a ld r a w i n g c o e 伍c i e n t ，r e l a t i v ew a l lt h i c k n e s so fb l a n k ，r a d i u so fr o l l e r sr o u n dc o m e ra n df e e d r a t i oo ne 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 na n ds p i n n i n gf o r c e sh a v eb e e no b t a i n e d b a s e do nt h e s er e s u l t s ，s e v e r a lq u a l i t yd e f e c t ss u c ha ss u r f a c ew r i n k l i n g ，b l a n k u n f i tw i t hm a n d r e lh a v eb e e ns t u d i e dw h e na u t o m o b i l eh u bi ss p u n ，a n dt h er e a s o n s f o rt h e mh a v eb e e np u tf o r w a r d t h ea p p r o p r i a t ep r o c e s sp a r a m e t e r sh a v eb e e ns e l e c t e db yb a s i n go nt h e i v r e s u l t so ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n b yu s i n go r t h o g o n a ld e s i g nm e t h o di nt h e d i s t r i b u t i o no ft h o s ep a r a m e t e r s ，t h i sp a p e rh a sc a r r i e do u to p t i m i z i n gt h ep r o c e s s p a r a m e t e r i nv i r t u eo ft h ed e g r e eo fs p i n n i n gf o r c ea n dw a l lt h i c k n e s sd e v i a t i o n ， t h ei n f l u e n c eo fs p i n n i n gf o r m i n gq u a l i t yw h i c hw a sb o u g h ta b o u tb yn o m i n a l d r a w i n gc o e f f i c i e n t ，r e l a t i v ew a l lt h i c k n e s so fb l a n k ，r a d i u so f r o l l e r sr o u n dc o r n e r a n df e e dr a t i oh a v eb e e ns t u d ie dw i t ht h em e t h o do fo r t h o g o n a le x p e r i m e n t t h e b e s ta p p r o p r i a t em a t c h i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sh a v e b e e na c h i e v e di nt h ef i e l do ft h e e l e c t i v ep a r a m e t e r s k e y w o r d s ：a u t o m o b i l eh u b ，m u l t i p a s sd r a w i n gs p i n n i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， p r o c e s sp a r a m e t e r s ，o r t h o g o n a le x p e r i m e n t v 表格清单 表i i旋压工艺的分类4 表3 1轮毂旋压数值模拟参数2 2 表4 1模拟时采用的各项数值指标3 6 表5 1因素水平表一5 1 表5 2正交试验方案表5 1 表5 3正交试验工艺参数表5 2 表5 4试验结果表5 2 表5 5最佳参数组合列表5 4 表5 - 6 壁厚偏差的影响5 4 表5 7旋压力的影响5 5 表5 8极差分析后最佳参数组合列表5 6 表5 - 9试验结果5 7 x i 插图清单 图1 1汽车轮毂的结构1 图1 2轮毂旋压的工艺方法2 图1 3轮毂旋压件3 图1 4旋压示意图4 图1 5拉深旋压的分类6 图2 1物体的变形构形和参考构形1 3 图2 2应力的度量1 5 图2 3过渡区比例因子1 9 图3 1汽车轮毂零件图2 1 图3 2汽车轮毂拉深旋压原理图2 l 图3 3轮毂旋压模型2 2 图3 4各道次毛坯变形网格图2 5 图3 5第一道次等效应力等效应变分布图2 5 图3 - 6第一道次主应力主应变分布图2 7 图3 7第二道次等效应力等效应变分布图2 8 图3 8第二道次主应力主应变分布图2 9 图3 - 9第三道次等效应力等效应变分布图2 9 图3 1 0 第三道次主应力主应变分布图3 0 图3 1 1 第四道次等效应力等效应变分布图3 1 图3 1 2 第四道次主应力主应变分布图3 2 图3 1 3 各道次应力应变分布曲线图3 3 图3 1 4 毛坯上一点的应力变化3 4 图4 1等效应力随名义拉深系数的变化3 7 图4 2等效应变随名义拉深系数的变化3 8 图4 3旋压力随名义拉深系数的变化3 8 图4 4等效应力随相对厚度的变化3 9 图4 5等效应变随相对厚度的变化4 0 图4 6旋压力随相对厚度的变化4 0 图4 7等效应力随旋轮圆角半径的变化4 l 图4 8等效应变随旋轮圆角半径的变化4 2 图4 9旋压力随旋轮圆角半径的变化4 2 图4 1 0 等效应力随进给比的变化4 3 图4 1 1 等效应变随进给比的变化4 4 图4 1 2 旋压力随进给比的变化4 4 图4 13 起皱4 5 i x 图4 1 4 图4 1 5 图4 16 图5 1 图5 - 2 图5 3 图5 4 图5 5 不贴模一4 6 局部减薄4 6 局部减薄处受力情况一4 7 各工艺组合的壁厚偏差直方图5 3 各工艺组合的旋压力直方图5 3 各因素对壁厚偏差的影响趋势图5 5 各因素对旋压力的影响趋势图5 6 试验优化结果直方图5 7 x 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得金目曼王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字：殊咖棚 签字日期：z l 届年多月二胡 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金胆王些盔堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金胆王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：溯、协 签字日期：枷年) 月二明 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：气睁 电话： 邮编： 致谢 本论文是在导师胡小建，薛克敏教授严格要求和悉心指导下进行的。近三 年的学习期间，导师身传言教，以他严谨的治学态度、广博的知识领域、忘我 的工作热情、踏实的工作作风为我在今后的学习工作做出了表率，使本人终生 受益。值此论文完成之际，作者谨向精心指导学业的导师致以崇高的敬意和诚 挚的感谢! 特别感谢李萍教授在论文写作过程中对我的悉心指导和在生活上给予的帮 助。真诚感谢同课题组的周明智博士在论文的选题、构思等方面提出了十分宝 贵和实用的建议。 在课题的进行当中，同时得到了洪深泽教授、刘全坤教授、陈文琳副教授、 陈忠家副教授热情的指导和帮助，在此向他们表示诚挚的谢意! 在这里还要感谢博士生周林、张青、段园培、赵茂俞、许峰、甘国强，以 及实验室成员吴昊、黄灿彰、林秀秀、王峰、魏定等同学给予的热情帮助和支 持，感谢师弟师妹们给予的配合。同时，感谢0 5 0 1 班全体同学在生活上给予我 的关心、帮助以及学业上的切磋和指点。 最后，特别感谢爱人苏学满在学业上的支持，生活上的关心和照顾。还要 感谢养育我的父母，他们和我一起走过了生活的酸甜苦辣，一直在我身边默默 地支持和鼓励着我，感谢他们! 感谢所有关心和帮助我的老师、朋友和家人! v i 作者：孙丽丽 2 0 0 8 年3 月 第一章绪论 1 1 引言 轮毂是车辆行驶时的主要部件之一，是汽车与地面之间的传力元件，它发 挥着承载车辆重量、体现车辆外观、转向和驱动等重要作用。 汽车轮毂通常由轮辋、轮辐和气门孔等部分组成，其主要结构如图卜l 所 示【l 】。轮辋主要是与轮胎一起共同承受作用在车轮上的载荷，并散发汽车行驶 时轮胎产生的热量；轮辐主要用于连接车轴和轮辋，并支撑轮辋的车轮部分； 轮缘可以保持并支撑轮胎的方向。为了方便轮胎装拆的方便，轮辋上还要留有 一定深度和宽度的槽底凹坑。 轮 胎 气门孔 。 图卜1 汽车轮毂的结构 卜轮辋2 一轮辐3 一气门孔4 一槽底 5 一轮缘 按照材质的不同，汽车轮毂可以分为钢制轮毂和合金轮毂等。钢制轮毂的 主要优点是制造工艺简单，成本相对较低，抗疲劳能力较强。但是，钢制轮毂 也存在重量大、惯性阻力大、散热性较差等缺点。合金轮毂多以铝为基本材料， 并适当加入锰、镁、铬、钛等金属元素而成，合金轮毂主要包括铝合金轮毂和 镁合金轮毂等。其优点是重量轻、制造精度高、强度大、惯性阻力小、散热能 力强、视觉效果好等，缺点是制造工艺复杂、成本较高。 1 2 汽车轮毂的生产工艺 最早的汽车轮毂一般利用普通机床进行加工生产，经过铸造后的坯料首先 在车床上进行车外圆、内圆及两侧面，再利用铣床来铣削。目前，钢制轮毂一 般采用冲压、焊接和整轧等加工方法进行生产。近年来，无内胎卡客车车轮的 轮辐和乘用车的轮辋开始采用旋压工艺进行加工，法国、美国和日本等国宣称 已掌握此项技术 2 】。铝合金轮毂的成形方法有很多，目前国内外采用的主要有 低压铸造、重力铸造和挤压铸造等铸造工艺或液态模锻成形、热模锻和半固态 锻造等锻造工艺。如今，铝合金轮毂也开始采用旋压工艺进行生产。镁合金轮 毂的生产方法主要有真空压铸、充氧压铸、低压铸造和电磁泵低压铸造等。 1 2 1汽车轮毂的生产方法 1 - 2 1 1 铸造法 铸造法主要包括重力铸造、低压铸造、压力铸造和挤压铸造等。 重力铸造是指液体金属在常压下依靠自身的重力作用填充金属铸型，从而 获得铸件的加工方法 3 】。低压铸造是指利用干燥、洁净的压缩空气将保温炉中 的铝液自上而下通过升液管和浇注系统平稳地上压到铸造机的模具型腔中，并 保持一定的压力，直到铸件凝固后才释放压力【4 】。压力铸造是使液态金属在高 压下以极高的速度充填型腔，并在压力的作用下凝固以获得铸件的方法【5 j 。挤 压铸造是将一定量的金属液体直接浇入敞开的金属型腔内，并通过冲头施加压 力，使得液体金属充填成型和结晶凝固【6 】。 1 2 1 2锻造法 锻造法主要包括常规锻造、铸造锻造和半固态模锻等。 常规锻造法是利用压力机使整块锭料在模具上直接成形的加工工艺。铸造 锻造法是铸造与锻造的复合成形技术，它是将铸件作为锻造工序的坯料来使用， 并对其进行塑性加工的方法。半固态模锻是将半固态坯料加热到有5 0 左右体 积液相的半固态状态后一次模锻成形，是一种介于固态成形和液态成形之间的 新型工艺【7 。 1 2 1 3旋压法 旋压是一种制造汽车零件的先进成形技术。轮毂旋压是指利用旋轮将平板 毛坯或回转体锻坯进行连续的局部旋转压缩，用以成形所需的内外截面形状的 一种成形工艺。在轮毂旋压加工的过程中，毛坯主要依靠尾顶装置来进行装夹， 并在主轴的带动下作旋转运动。旋轮的运动轨迹主要由数控系统进行控制，并 且按照制定的形状轨迹做往复运动，同时旋轮相对于毛坯还要有一定量的径向 进给，以便使毛坯能够逐渐向芯模表面贴合，从而得到所需要的工件形状。轮 毂旋压的主要工艺方法有：板材劈开式旋压( 图卜2 a ) 、无缝管材缩径旋压( 图 卜2 b ) 和预铸( 锻) 件毛坯强力旋压( 图i - 2 c ) 等j 。 a ) 板材劈开式旋压整体车轮b ) 无缝管材缩径旋压车轮毂 c ) 预制锻件强力旋压整体车轮 图1 - 2 轮毂旋压的工艺方法 随着金属塑性成形技术的发展和完善，旋压在汽车轮辐和轮辋的加工生产 2 中已经得到了日益广泛的应用【9 。目前，我国的专家学者已经开始对轮毂旋压 的成形工艺和变形机理进行研究。文献 1 0 以汽车轮辐旋压成形为例，说明了 等强度轮辐在旋压时，其锥形段和圆柱段采用的剪切旋压和普通旋压相结合的 复合工艺。并讨论了在同一个旋压道次中，如何在旋压机上更好地实现普旋与 强旋的复合。文献 11 推导出了等强度轮辐旋压的毛坯尺寸计算公式，探讨了 旋压参数选择中需要考虑的因素，并给出了等强度轮辐旋压工艺的实例。文献 1 2 论述了国内外旋压技术在钢质车轮、铝质车轮生产制造中的新发展，并介 绍了轮辐旋压设备新的发展趋势。文献 13 分析了目前国内外铝合金车轮、镁 合金车轮的发展状况和旋压车轮的研究制造概况，比较了通过旋压技术制造合 金车轮的优越性，并对铝镁合金旋压车轮的前景进行了展望。文献 1 4 通过对 6 0 6 1 铝合金的旋压变形性能进行系统分析，阐述了某对称式碟形车轮轮毂在 p t 3 0 5 0 l c n c 双轮卧式强力旋压机上进行旋制的方案实施过程。并通过选取合理 的旋压工艺参数，解决了轮毂旋压过程中出现的堆积、起皮和破裂等缺陷。 同时，国内一些厂家企业也开始采用旋压工艺生产不锈钢轮辋和钢制卡车 车轮等汽车零件。生产的典型零件如图卜3 所示【l 孓伯j 。 a ) 钢制卡车车轮b ) 不锈钢轮辋c ) 铝合金汽车轮毂 图1 - 3 轮毂旋压件 1 2 2旋压轮毂与锻造、铸造轮毂的区别 铸造轮毂的优点是适应性强，花色品种多样，生产成本较低，而且适合大 批量生产。但铸造的轮毂表面质量欠佳，刚度较小，受到撞击后容易发生弯曲 变形。锻造轮毂的优点是尺寸精确，加工量小，而且强度、韧性和抗疲劳性能 较好。但锻造的轮毂容易产生脆断，常常无法承受车辆行驶时的猛烈撞击；而 且锻造轮毂的生产工序较多，成品率较低，生产的成本也远高于铸造轮毂。旋 压作为一种制造汽车零件的先进成形技术，在轮毂加工行业中的优势体现在诸 多方面： ( 1 ) 与铸造和切削加工相比，旋压制造轮毂时，通过旋轮的运动可以使轮 毂实现等强度不等壁厚，使受力点均匀分布。 ( 2 ) 旋压时，由于金属内部纤维保持连续完整，使得旋压后的零件抗疲劳 强度好，屈服点、抗拉强度和硬度得到提高。 ( 3 ) 旋压后的轮毂内外表面质量良好，无需进行后续精加工，减少了加工 工序。 ( 4 ) 旋压工艺减少了钢板材料的使用量，节约了生产制造的成本。 ( 5 ) 通过更换旋压模，可以旋压各种不同规格的汽车轮毂。 总之，利用旋压工艺生产的汽车轮毂，具有结构轻、省材料、无污染、低 能耗、生产效率高、尺寸精度高以及使用寿命长等诸多优点，正在逐渐成为轮 毂制造行业的发展方向。而且，随着数控技术的发展以及旋压生产线的应用， 也使得轮毂旋压加工的生产效率和加工精度得到逐步提高。 1 3旋压的分类和发展概况 旋压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 模和坯料旋转，利用旋轮对坯料施加压力，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加工方法【1 7 2 2 】。其原理图如图卜4 所示。 图i - 4 旋压示意图 卜芯模2 一毛坯3 一尾顶4 一旋轮 旋压工艺的种类有很多，按照金属的变形特征可分为普通旋压和交薄旋压 两大类，详细分类见表卜1 。 表卜1 旋压工艺的分类【1 9 】 分类原理图 、 拉 、t 心 次 深 厂、(h 旋 9 j j 监 压 日 ，4 。i 通 t l 旋 ， 压 ， 缩 l 径 厂、 旋 弋：一一d 压 j 。 、 、， 4 一愿 ， 扩 炎i 径 厂、 旋 u 1压 f 已 锥 形 一 件 ，、 变 陡 薄 旋 - _ 压 n 寡了脯工伟 变 正 i 耳 薄 旋 l _ 旋 镑 ， 卜 压 才 筒 u 严苍援 形 f 坯 件 变 薄 几。五于= = 工件 旋 压 反 旋 沙 ， ir 严1 荔 譬垤 普通旋压的特点是在成形过程中只改变毛坯的形状而不改变其壁厚大小， 成形时主要依靠坯料沿圆周方向的收缩以及沿半径方向上的伸长来实现。在变 形过程中，由于直径上的变化容易引起失稳或局部减薄，因此，普通旋压一般 可以分为多个道次进行，以逐步完成成形的整个过程。普通旋压主要包括拉深 旋压、缩径旋压和扩径旋压等。 拉深旋压是指由板料旋成筒形件或小锥角的锥形件，主要以径向拉深为主 体变形以使得毛坯的直径减小。拉深旋压是普通旋压中最常用、最有代表性的 一种工艺方法，也是旋轮运动轨迹形式最多、最复杂的一种旋压形式【23 1 。在旋 压过程中，平板毛坯被尾顶装置顶住并紧靠芯模，在旋轮力的作用下由圆弧形 逐渐旋压成杯形，接着旋轮继续作轴向进给，毛坯的壁部被碾压，直至与芯模 贴合。变形时，毛坯与旋轮之间的接触基本上为点接触。在旋轮的作用下，毛 坯一方面产生局部的凹陷发生塑性变形，一方面沿旋压力的方向发生倒伏。按 照旋轮运动轨迹的不同，拉深旋压又可分为简单拉深旋压和多道次拉深旋压， 如图卜5 所示。 4 a ) 简单拉深旋压b ) 多道次拉深旋压 图1 - 5 拉深旋压的分类 卜芯模2 一工件3 一毛坯4 一旋轮5 一固定模板6 一仿形板7 一仿形器 缩径旋压是指将回转体空心件或管状毛坯进行径向的局部旋转压缩，以使 其直径缩小的工艺方法【2 4 1 。在缩径时，将预成型毛坯置于夹紧装置中，并随着 主轴的旋转而旋转。旋轮在毛坯的外部作径向进给运动，经过一次或多次的逐 渐变形，直到获得所需的零件形状。缩径旋压主要包括无芯模( 又称空气模) 的缩旋、内芯模的缩旋和滚动模的缩旋等。 扩径旋压与缩径旋压相反，是利用旋压工具使回转体空心件或管状毛坯进 行局部( 中部或端部) 直径增大的工艺方法。在旋压时根据工件扩径程度的大 小，可以分为若干道次进行。扩径旋压主要包括外芯模扩旋和支撑滚轮扩径等。 变薄旋压既改变毛坯的形状又改变其壁厚大小，主要包括锥形件变薄旋压 和筒形件变薄旋压。锥形件变薄旋压又称剪切旋压，是指在较高的接触压力下 坯料壁厚逐渐减薄而外径并无显著变化的旋压工艺。筒形件变薄旋压又称流动 旋压，是指在变形过程中旋轮对管状毛坯施加压力，使金属沿径向发生塑性变 形。变薄旋压主要用来成形深锥形零件和高精度的长筒类零件等【2 孓2 6 1 。 除了按照变形特征进行分类外，旋压工艺还可以按照所旋零件形状、成形 温度、材料种类和旋轮形状等进行不同的分类。 1 4 普通旋压的研究状况 按照旋轮运动轨迹的不同，普通旋压可以分为简单普通旋压和多道次普通 旋压。简单普通旋压是指旋轮只需沿着芯模移动一次就可成形工件的加工工艺， 多道次普通旋压是指旋轮需要经过多次旋压毛坯才能完成工件的成形过程。与 简单旋压相比，多道次普通旋压的成形时间增加，成形行程增长，但成形过程 6 的重复性好而且成形比较稳定。 1 4 1 普旋成形的基本理论研究 目前，针对变薄旋压工艺己经建立了各种理论分析方法，有些计算结果己 经可以达到工程上许可的程度，但由于普通旋压和变薄旋压的变形机理不太相 同，有关变薄旋压的分析方法无法直接推广到普通旋压工艺中去【2 h2 7 】。 普旋力学分析的理论方法主要包括主应力法、能量法、扰度法和极限分析 法等。 主应力法是通过在工件的变形区内截取一定形状的单元，推导出各个应力 之间的相互关系，然后根据一定的边界条件和屈服准则来计算旋压力的大小。 能量法是利用工件旋转一周，旋压力所做的功等于毛坯的塑性变形能的特 性，求出单位载荷p 和接触区形状后，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。 扰度法的研究对象是高径比较小的浅碟形零件。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，并在非对称集中 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，并优化屈服线间的夹角，从而得出临界状态下的旋压力计 算公式。 1 4 2 普旋的研究现状 1 4 2 1 普旋的成形性能方面 对于材料的可旋性，不同的学者对其定义也不完全相同。r l k e g g 2 8 根据 所做的著名的椭球体芯模可旋性实验，将材料的可旋性定义为材料旋压后不破 裂时所能达到的最大减薄率。叶山益次郎【2 0 】将材料的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。这种定义方法第一次将起 皱因素引入到可旋性的概念中去。 对于加工时的起皱现象，叶山益次郎【l8 】根据法兰部分的起皱与法兰的瞬间 相对宽度有关，提出了起皱系数c 的概念。他认为材料的抗起皱能力随着c 值 的增大而增大，而且c 也和材料硬化指数间存在着某种固定关系。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，在出现起皱时， 假设法兰处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【2 9 1 ， 得出了法兰的临界尺寸关系。 对于普旋时的成形机理，叶山益次郎认为筒形件的拉旋变形是初始阶段的 拉深变形和后期的变薄旋压的复合，并以此解释了拉旋筒形件圆角处壁厚减薄、 边缘处径向应变为正和周向应变为负等现象产生的原因。s o r t a is 通过分析不 同间隙情况下毛坯变形规律及壁厚分布情况，指出径向应力是造成壁厚不均的 主要原因【3 0 1 。文献 3 1 - 3 2 认为锥形件变薄旋压与拉旋之间存在着有机的联系， 在无模旋压时，材料的变形方式随着毛坯厚度和直径之比的不同而有所不同， 在毛坯的厚径比上存在着“分界圆”，当大于分界圆时，材料的变形方式为变薄 旋压，当小于分界圆时，材料的变形方式为普通旋压。文献 3 3 3 4 提出了成形 图的概念，并给出了根据毛坯与工件的几何形状和工件厚度的实测结果来建立 成形图的方法。 基于旋压成形过程的分析，文献 3 5 针对普通旋压的起皱问题，以弯曲塑 性铰理论为基础，运用刚塑性极限分析方法，提出了普通旋压时失稳的理想模 型，并对波纹的形状进行了描述。推导出与试验结果接近的旋压力公式，得出 工艺参数对临界皱波数的影响规律。文献 2 9 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研究的结果，认为普旋的起皱机理是因为 产生了弯曲塑性铰，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，利用能量法的原理分析了普旋的起皱过程，推导出旋压力的计算公 式。文献 3 6 分析了起皱、拉裂和变薄超差等产生的原因，给出了旋压成形过 程中预防起皱缺陷的相关措施。文献 3 7 根据锥形工件普通旋压中的变形模型， 用数值计算的方法推导了锥形工件单道次普通旋压时各极限成形参数的计算表 达式，给出了此类工件能否单道次成形的判别条件。文献 3 8 以最小能量原理 为基础，利用实验统计分析和有限元法对起皱进行了预测。 随着航空技术的发展，对于价格昂贵的新型难成形材料的普旋成形性能研 究也在逐渐增多。文献 2 4 对难成形材料2 0 9 1 a 1 - l i 合金的普旋成形性能进行 了实验研究，文献 2 5 采用缩径旋压对紫铜筒形件的成形性能进行了研究，文 献 3 9 研究了铜合金的衬套旋压工艺，文献 4 0 对钛合金的冷旋进行了实验研 究，文献 4 1 对大直径的难变形材料钛质筒体的旋压工艺进行了研究。 1 4 2 2 普旋的成形规律方面 文献 4 2 对多道次三旋轮缩径旋压进行了实验研究，发现缩径旋压时的坯 料在轴向方向上长度增加。文献 4 3 对多道次缩旋进行了弹塑性有限元模拟， 发现坯料的应力应变集中地分布于旋轮的周围区域，等效应力应变由内层向外 层、由非变形区向变形区逐渐增大，而且最大值存在于旋轮作用点处。模拟结 果还反映出旋压变形属于局部加载和局部塑性变形。文献 4 4 针对不同材料在 不同参数下的多道次旋压进行了数控旋压实验，发现当参数选择不当时会产生 破裂和起皱等缺陷。文献 4 5 采用弹塑性有限元法对多道次拉深旋压成形进行 了数值模拟，发现应力应变随着进给量和道次的增加逐渐增大。还分析了工艺 参数选取不同时对应力应变分布造成的影响。文献 4 6 对无芯模旋压的成形规 律进行了研究，发现不论旋轮的轨迹如何变化，平板毛坯在无芯模旋压时的变 形方式均为剪旋变形。一般壳体毛坯在无芯模旋压变形时，毛坯的壁厚有时增 加有时减小，其变形方式介于剪旋变形和缩旋变形之间。文献 4 7 4 8 设计了一 套椭圆件的旋压装置，并通过数值模拟和实验研究，得到了毛坯应变场和壁厚 分布的规律，并认为椭圆件和轴对称锥形件的旋压基本类似。 文献 4 9 建立了多道次普旋时的弹塑性有限元模型，采用自行开发的多道 次普旋有限元模拟系统m p c s 对多道次普旋过程进行了模拟。得到了各道次网格 和应力应变分布，并分析了筒形件多道次普旋成形的机理。文献 5 0 对锥形件 无芯模旋压进行了静态分析，求出了成形时毛坯构形的变化以及应力场的分布。 并采用了忽略切向力和用接触问题的处理方法来处理旋轮对毛坯加载的简化模 型。文献 5 1 使用录返式数控旋压机编制了各种不同的普旋道次曲线轨迹，分 析了各种轨迹对成形效果的影响。文献 5 2 对平板毛坯的变形方式进行了实验 研究。发现平板毛坯普旋( 即拉深旋压的第一道次) 的变形主要是剪切变薄旋 压变形，并认为第一道次的变形对普旋最终零件的壁厚起决定作用。文献 5 3 通过对铝质筒形件进行简单的旋压实验，探讨了各工艺参数对壁厚、工件形状、 表面质量和旋压力的影响规律。文献 5 4 对锥状预制坯普旋成形的渐开线轨迹 进行了分析，提出了用渐开线仿形模板进行锥状预制坯普旋的设计方法，并提 出了“分段普旋”的新工艺。另外，文献 5 5 5 6 也对普旋时旋轮运动轨迹的确 定进行了一系列研究。 1 5有限元法在旋压方面的研究进展 1 5 1有限元法的发展 有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的数值方法，是工程方法和数 学方法结合的产物，可以求解许多用解析法无法求解的问题。1 9 5 6 年，t u r n e r 、 c l o u g h 等人在分析飞机结构时第一次成功尝试使用现代有限元法，将矩阵位移 法的方法和原理推广应用于弹性力学平面问题。1 9 6 0 年，c o u g h 进一步处理了 平面弹性问题，并第一次提出了“有限元法 的名称。1 9 6 7 年，p v m a r c a l 和i p k i n g 提出把有限元方法用于弹塑性分析。1 9 6 8 年，y y a m a d a 等推导出 了弹塑性小变形问题的应变矩阵显式。1 9 7 3 年，l e e 和k o b a y a s h i 以变分法为 基础，提出了一种用连续加载条件分析金属成形过程的“矩阵法的刚塑性有 限元法。此后，有限元法便开始在金属塑性成形中得到应用 5 7 - 6 0 】。 有限元法可以采用不同形状、不同大小和不同类型的单元离散任意形状的 变形体，适用于各种速度边界条件。它可以方便地处理复杂模具形状，变形工 件与模具之间的摩擦，材料硬化效应，速度敏感性以及变形温度等多种因素对 塑性成形过程的影响；还能够模拟整个成形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。 如今，有限元的应用范围已经由平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由 平衡问题扩展到稳定问题、动力问题、波动问题和接触问题；由小变形的几何 线性问题扩展到各种大变形的几何非线性复杂问题；由单一非线性的问题，扩展 到包括材料非线性、几何非线性和边界非线性等的多重非线性问题：从固体学 9 扩展到流体力学、传热学和电磁学等领域；分析对象从弹性材料扩展到弹塑性、 粘弹性、粘塑性和复合材料等。随着计算机技术的发展和有限元理论的逐渐完 善，有限元法必定会在金属塑性成形领域得到更大更广的应用。 1 5 2 有限元法在旋压中的应用 作为一种模拟金属塑性成形过程的有效方法，有限元法已经成为分析旋压 成形过程的主要手段，许多专家学者正在运用有限元数值模拟技术对旋压成形 过程进行研究和分析。文献 6 1 通过对数值模拟技术在普通旋压和强力旋压中 的应用进行总结，回顾了研究中取得的成果和存在的不足，并指出多道次旋压 工艺的数值模拟、热一机耦合分析、成形质量和极限的模拟将是今后旋压模拟研 究的方向和重点。文献 6 2 将筒形件旋压成形简化成沿工件轴截面内的平面变 形问题，采用八节点等参单元对旋压过程进行分析，得到了不同阶段下的网格 畸变图以及等效应变的分布。文献 6 3 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，得到了反旋和正旋时的速度场、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 6 4 - 6 6 采用 三维刚塑性有限元法对筒形件反旋加工进行了模拟分析。模拟结果反映了在旋 轮作用区周向两侧，存在两个产生切向收缩变形的区域。文献 6 7 - 6 9 取毛坯 的1 3 建立三维弹塑性力学模型，对筒形件三旋轮强力旋压进行数值模拟。得 到了变形区应力应变场的分布以及坯料在轴向、径向和切向的受力情况。 如今，随着有限元软件开发技术的发展，越来越多的有限元计算程序开始 出现。目前，主要的商用模拟软件有a d i n a 、a b a q u a s 、l s - d y n a 、a n s y s 、d e f o r m 和m s c m a r c 等，这些软件在旋压成