（材料加工工程专业论文）薄壁异形筒件的成形工艺有限元模拟与试验研究.pdf

摘要 中文摘要 根据太原科技大学与洛阳中信重工合作的项目一导弹前后段异形环的成形工艺 研究，本论文根据企业所具有的设备情况为前段异形环制定生产工艺流程，并设计 其中所要用到的相关模具，保证制件的成功制备。 所研究的异形环具有较大的特殊性：材料特殊，为一特殊钢种，高温下仍具有 大的变形抗力；形状上带有一定的小锥度；底部带收口：工件相对较大，壁厚相对 较薄：对于这样具有特殊用途的制件来进行工艺研究是具有重要意义的。 根据具有的设备情况，经过认真分析制件并参阅以前类似杯形件的生产工艺， 初步确定其成形工艺为热反挤压冲连皮辗环。成形工艺既采用了发展历史 悠久、使用广泛的挤压工艺也采用了特种锻造成形工艺辗环，工艺方法的制定具有 特殊性，组合了一系列不同的工艺方法。根据制定的工艺流程，本论文设计了相应 的热反挤压、冲连皮及辗环模具，并用有限元软件d e f o r m 模拟了制件的整个成形过 程。在反挤压过程中出现了制件端面不平整和组合凹模受力偏大的问题，本论文通 过增加预压盂和优化组合凹模解决了这两个问题。有限元软件d e f o r m 成功模拟了后 续的冲连皮及辗环工序，最终制件的形状尺寸及应力应变等情况均满足要求。 基于所设计的反挤压模具，本论文用铅代替实际中的钢材料，在室温下做了l ：5 的缩比试验。试验分为两组：一组为一次直接反挤，一组为预压盂再反挤；一次直 接反挤出现了制件端面不平整的缺陷，预压盂再反挤可以有效的解决这个问题。 由此，预压盂一反挤压一冲连皮一辗环的成形工艺流程可以成功制备出导弹的 前后段异形环，对于与此异形环类似的工件的制备具有重要的指导意义。 关键词：异形环；预压盂；反挤压；组合凹模；辗环 a b s t r a c t a b s t r a c t b a s e do nt h ec o o p e r a t i v ep r o j e c to ft a i y u a nu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g ya n dc i t i ch e a v yi n d u s t r i e sc o l t d - - r e s e a r c ho nt h ef o r m i n g t e c h n o l o g yf o rt h ep r ea n dp o s ts e g m e n ts p e c i a l s h a p e dr i n go ft h em i s s i l e ， a n de q u i p m e n tc o n d i t i o no ft h ec o m p o n y , t h i sp a p e rm a k e st h et e c h n o l o g i c a l p r o c e s sf o rt h ep r ea n dp o s ts e g m e n ts p e c i a l s h a p e dr i n ga n dd e s i g n st h e r e l a t e dm o l d st oe n s u r et h em a n u f a c t u r eo f p r o d u c t ss u c c e s s f u l l y t h es p e c i a l s h a p e dr i n gt h a tw es t u d yh a sg r e a t e rp a r t i c u l a r i t i e s ：s p e c i a l m a t e r i a l ，as p e c i a ls t e e lt h a th a st h eg r e a td e f o r m a t i o nr e s i s t a n c ea tah i g h t e m p e r a t u r e ；t h es h a p eh a sas m a l lt a p e r ；t h eb o t t o mh a sac o n t r a c t i n g ；t h e p r o d u c ti sb i ga n dt h ew a l l - t h i c k n e s si st h i n d o i n gt h et e c h n o l o g i c a lr e s e a r c h t ot h ep r o d u c tt h a th a sas p e c i a lu s eh a st h ei m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e b a s e do n t h ee q u i p m e n tc o n d i t i o n ，w ea n a l y z et h ep r o d u c tc a r e f u l l ya n ds e et h e p r o d u c t i o nt e c h n o l o g yo ft h ep r e v i o u ss i m i l a rc u ps h e l l ，a n dd e t e r m i n et h e f o r m i n gt e c h n o l o g yp r e l i m i n a r i l y ：h o tb a c k e x t r u s i o n - - - p u n c h i n g i e c e s s r o l l i n g t h ef o r m i n gt e c h n o l o g yu s e sn o to n l yt h ee x t r u s i o nt h a th a sal o n g d e v e l o p m e n th i s t o r ya n daw i d e s p r e a du s eb u t a l s ot h es p e c i a lf o r g i n g f o r m i n gt e c h n o l o g yr o l l i n g b e c a u s e i tc o m b i n e sas e r i e so fd if f e r e n t t e c h n o l o g i e s ，t h em a k i n go ft h et e c h n o l o g i c a lm e t h o di ss p e c i a l a c c o r d i n gt o t h et e c h n o l o g i c a lp r o c e s s ，t h i sp a p e rd e s i g n st h er e l a t e dh o tb a c k - e x t r u s i o nd i e ， p u n c h i n gr e c e s sd i ea n dr o l l i n gd i e ，t h e nw eu s et h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e d e f o r mt os i m u l a t et h ew h o l ef o r m i n gp r o c e s so ft h ep r o d u c t t h ep r o b l e m s o ft h ep r o d u c te n ds u r f a c ei su n e v e n n e s sa n dt h es t r e s so ft h ec o m b i n e dd i ei s l a r g ea p p e a rd u r i n gt h ep r o c e s so ft h eb a c k e x t r u s i o n t h i sp a p e rs o l v e st h e t w op r o b l e m ss u c c e s s f u l l yt h r o u g ha d d i n gt h ep r e - p r e s s i n gc a v e r n ap r o c e s s 。 t h ec o m b i n e dd i e t h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r edeformand o p t i m i z i n gt h ec o m t ) l n e dg l e l ) ei o i s i m u l a t e st h ef o l l o w i n gp u n c h i n gr e c e s sa n dr o l l i n gp r o c e s sa n dt h es h a p e s i z e s t r e s sa n ds t r a i na n ds oo nm e e tt h ed e m a n d so f t h ef i n a lp r o d u c t 。 b a s e do nt h eb a c k e x t r u s i o nd i et h a tw ed e s i g n ，t h i sp a p e ru s e sp b i n s t e a do ft h ea c t u a ls t e e lt od ot h e1 ：5s u b s c a l et e s ta tr o o mt e m p e r a t u r e t h e i l l t e s td i v i d e si n t ot w og r o u p s ：o n ei st h ed i r e c tb a c k - e x t r u s i o na n da n o t h e r 1 s t h ep r e p r e s s i n gc a v e r n a b a c k e x t r u s i o n t h ed i r e c tb a c k - e x t r u s i o np r o c e s s h a st h ed e f e c tt h a tt h ee n ds u r f a c ei su n e v e n n e s s ，b u t t h ep r e p r e s s i n gc a v e m a b a c k e x t r u s i o np r o c e s ss o l v e st h ep r o b l e me f f e c t i v e l y t h e r e f o r e ，t h ep r e p r e s s i n gc a v e r n a - - h o tb a c k e x t r u s i o n - - p u n c h i n g r e c e s s _ - r o l l i n gt e c h n o l o g i c a lp r o c e s s c a nm a k et h ep r ea n dp o s ts e g m e n t s p e c i a l s h a p e dr i n gs u c c e s s f u l l y ，a n di t h a sa ni m p o r t a n tg u i d i n gs i g n i f i c a n c e t ot h es i m i l a rs p e c i a l s h a p e dr i n g k e y w o r d s ：s p e c i a l s h a p e d r i n g ；p r e p r e s s i n g c a v e r n a ；b a c k - e x t m s i o n ； c o m b i n e dd i e ；r o l l i n g i v 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 作者签名： 嫠墨玺 日期： 三q 哩笪 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原科技大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件、复印 件与电子版；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存 学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交 流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 作者签名： 袁丝聋 日期： 三幽：鱼 导师签名：主穹皇l 日期：三型兰是鱼一 第一章成形工艺的概述及d e f o r m 软件的介绍 第一章成形工艺的概述及d e f o r m 软件的介绍 1 1 反挤压工艺概述 1 1 1 反挤压工艺原理及优缺点 挤压是一种古老的金属塑性加工生产工艺，是将金属毛坯放入模具模腔内，在 强大的压力和一定的速度作用下，迫使金属毛坯产生塑性流动，通过凸模与凹模的 间隙或凹模出口挤出，从而获得所需形状、尺寸以及具有一定力学性能的挤压件【l 】。 挤压加工的方法适用于生产多种金属及其合金的挤压生产，广泛应用于机械、冶金、 航空、航天、兵器等诸多工业部门。自挤压技术发展以来，不断出现了新工艺、新 设备、新工具，使挤压加工技术有了长足的发展f 劫。 金属挤压的方法有多种，将常见的挤压方法分为如下几种：正挤压，反挤压， 复合挤压，减径挤压，径向挤压，镦挤复合法等【”。自1 9 7 0 年英国人用反挤压法挤 压铝管开始，反挤压法便开始应用于生产管材，现在的一些杯形件，筒形件等空心 件也借鉴了管材的成形方法，纷纷由传统的生产工艺转向反挤压成形。 图1 1 反向挤压法 f i g1 1t h eb a c k - e x t r u s i o nm e t h o d 反向挤压法如图1 1 所示，一种金属的流动方向与凸模的运动方向相反的变形方 式，这种挤压方法的主要特征是在挤压过程中，铸锭与挤压筒之间无相对运动，不 存在摩擦阻力，大大改善了金属在挤压筒内的流变特征和力学条件，显著提高了金 属的变形均匀性和制品的组织与性能的均匀性，可使挤压力降低3 0 4 0 。反向挤 压具有如下优点： ( 1 ) 由于不存在锭坯与挤压简间的摩擦力，因而挤压力比正向挤压低得多。在反 向挤压过程中，在挤压轴全行程范围内，挤压力保持不变。可在较低的温度下用较 高的挤压系数挤压难变形材料。 ( 2 ) 金属变形均匀，沿挤压制品长度上的组织及力学性能基本一致。 薄壁异形筒件的成形工艺有限元模拟与试验研究 ( 3 ) 与正向挤压相比，压余等废料损失显著降低，有较高的成品率；可采用较大 的锭坯，有助于提高设备效率和生产的连续化。 反向挤压与正向挤压法相比也存在下述一些缺点。 ( 1 ) 挤压机的挤压筒必须能够移动，为了保证反向挤压时的生产效率，挤压筒的 行程应略大于挤压筒的长度。因此，不是任何一台挤压机都适于反向挤压。 ( 2 ) 挤压制品的表面质量较低。 ( 3 ) 挤压周期一般比正向挤压时间长，但由于可以加大锭坯的尺寸和质量、压余 损失少、挤压速度高，因而在一定程度上补偿了辅助时间的增加，而使反向挤压具 有更高的生产效率。 ( 4 ) 挤压制品的最大外接圆直径受空心挤压轴强度的限制。 1 1 2 反向挤压技术发展趋势和推广应用前景 1 9 7 0 年以后，人们对金属反向挤压技术进行了重新评估，详细研究了它的特性、 优点和缺点，并对其产生了浓厚的兴趣。特别是近十几年来，随着科学技术的进步 和经挤的飞速发展，专用的反向挤压机和新型反挤压方法的出现及反挤压工具的改 进，金属反向挤压技术获得了新生，又有了重新兴起的趋势【4 】。与正挤压法相比，反 向挤压技术具有诸多突出的优点，特别适合于硬铝合金和易切削黄铜的大批量生产， 对于提高生产效率，改善制品的组织与性能的均匀性方面也有重要意义，因此，近 年来已获得了工业规模的发展和应用。反挤压机的数量和规格不断扩大，工艺技术 不断创新，发展势头强劲，特别在挤压生产铜管和铝管材方面，广泛采用反向挤压 法。美、英、德、日等国，近几年设计制造和安装投产了几十台不同类型的反向挤 压机，反挤压工艺和工模具技术也获得长足的进步。我国近年来也安装投产了十余 台铜、铝反向挤压机，上世纪9 0 年代在西北铝安装投产的日本宇部2 5 m n 反向挤压 机发挥了良好的效果1 5 j 。 人类的生存和发展面临能源、环保、安全等诸多问题，因此对铝材的产量、品 种、质量等提出了越来越高的要求，甚至在某些方面提出了特殊的要求，因而从一个 侧面促进了金属反向挤压技术的快速发展【们。金属反向挤压法虽然有悠久的发展历史， 但真正规模化产业化仅是近十几年的事，因此，其设备和技术的发展尚不太完善和 成熟，许多新设备、新技术、新工艺和新型工具正在研制开发之中。其主要发展趋 势是： ( 1 ) 在广泛试验的基础上，研制开发出适合于各种铝、铜、钢及其合金工业性 生产的新型反向挤压工艺，如高效反向挤压法的进一步完善、新型t a c 反挤压 2 第一章成形工艺的概述及d e f o r m 软件的介绍 工艺开发、脱皮一穿孔复合反向挤压工业等新工艺技术的开发。 ( 2 ) 为适应各种合金、不同规格和品种产品的生产，并不断提高生产效率和产 品质量，反向挤压机正在向大型化、专业化、精密化、多级别、多型式、多品种方 向发展。如i o o m n 专业反向挤压机、2 0 一- - 6 0 m nt a c 反向挤压机、大型立式反向 挤压机、脱皮一穿孔复合反向挤压机等的研制和开发。 ( 3 ) 挤压机的结构不断改进和创新，研制出不同用途、不同结构的新型反挤压 机，如短行程紧凑型反向挤压机等。 ( 4 ) 研制开发新结构反挤压工具及新型工模具材料，以扩大品种规格范围和提 高工模具寿命。总之，随着反向挤压设备和工具的不断完善和改进，新型反向挤压 技术、工艺的研制开发成功，铝、铜、钛、钢等材料的反向挤压产品的数量、品种 和质量将会大幅度提高，市场将会进一扩展。可以预料，金属反向挤压技术的推广应 用前景是十分宽广的。 与其它挤压方法相比，金属反向挤压法具有许多无可比拟的优点，特别是在改 善金属流变，提高变形均匀性和组织性能均匀性，降低挤压力和提高生产效率等方 面有很多独到之处，是一种很有发展前途的挤压方法，应加大对反向挤压设备、工 具和新工艺新技术的研究开发力度，使之成为金属挤压的一种主要方法 挤压作为一种古老的工艺，通过数值模拟对其进行分析和研究已经有很多年了， 一些著名的学者在研究金属成形的原理和实验时常采用挤压工艺，在1 8 7 0 年， t r e s c a 通过挤压实验建立了著名材料塑性屈服准则。在2 0 世纪5 0 年代，h i l l 第一 次应用了平面应变滑移线理论来研究挤压工艺中的金属流动问题【7 j 。s e w e r y n 瞵j ， w a n g 9 和c h i t k a r a 等【l o 】也应用滑移线理论分析了一些挤压工艺问题。另一种传统的 数值分析方法一上限元法也被应用到挤压工艺的分析中【1 1 3 1 。这些解析方法对于理 解挤压工艺中的金属流动问题很有帮助，能够进行简单的计算，在发展塑性加工力学 及其应用上起到了重要的作用。但是，这些早期的研究方法只局限于一般性的金属流 动分析，特别是二维的平面应变或轴对称分析，而且只能求解静态问题。 有限元方法的出现，为金属塑性加工的研究提供了一种有力的工具。有限元方法 在金属成形研究中的应用最早出现在2 0 世纪7 0 年代初【1 4 1 ，到了8 0 年代，随着计算机 硬件水平提高和计算力学不断发展，有限元模拟也得到很快发展。到了2 0 世纪9 0 年 代，出现了一些用于模拟金属塑性加工工艺( 体积成形) 的通用商业化软件，例如m a r c ， a b a q u s ，l s d a n a 等，以及一些专业软件，例如d e f o r m ，f o r g e ，q f o r m ，h y p e r x t r u d e ， s u p e r f o r g 和a u t o f o r g e 等。这些软件的应用，也使得挤压工艺的数值模拟从两维的 3 薄壁异形倚件的成形_ l = 艺有限元模拟与试验研究 平面应变、轴对称分析上升n - - 维模拟i i ”。由于计算机辅助技术和有限元方法可以 描述复杂的模具形状、边界条件以及材料在大变形中的复杂力学行为塑性加工界开 始应用这一技术进行工艺和模具设计的研究。通过有限元模拟，可以深入了解金属塑 性加工中的材料成形机制、预测工艺缺陷，预测成形载荷、变形体的形状和尺寸变化、 应力应变分布以及确定最佳工艺参数等【l q 。采用计算机模拟，可以减少试验经费，缩 短试验时间，而且可以对整个成形过程的各个局部成形情况进行动态、数值的表现。 1 2 辗环工艺简述 121 辗环工艺的原理 环件辗扩又称环件轧制或扩孔，它是一种生产无缝环件的有效方法，作为一种 特种轧制技术，它是利用辗环机上旋转着的型辊对环坯局部连续加压，使环坯在回 转过程中径向厚度收缩、周向伸长达到直径扩大、壁厚减薄、截面轮廓成形的连续 局部回转塑性成形技术。与整体模锻成形工艺相比，它具有省力、节能、节材、生 产率高、生产成本低、产品范围广等显著特点，是轴承环、齿轮环、法兰环、火车 车轮和轮箍、燃气轮机环等无缝环形零件的先进制造技术，因而日益广泛地应用于 航空航天、汽车、火车、船舶、冶金、化工和能源等工业领域。由于近年来风电法 兰需求大量增加，大型矩形截面法兰的热辗扩加工越发受到重视。环件辗扩原理如 图1 2 所示，驱动辊为主动辊，沿固定轴线做旋转运动，驱动辊和环件之间的摩擦 力带动环件旋转，芯辊为从动辊，它在环件的作用下作随动旋转运动并且连续进给 趋近于大直径的驱动辊，使环件产生壁厚减薄、直径增大的变形，两个导向辊以一 定的约束力抱住环件起定心和防振作用。环件反复通过驱动辊和芯辊构成的孔型产 生壁厚减小、直径扩大的辗扩变形，最终成为具有一定几何尺寸和截面轮廓的环形 零件。 囤l2 环件辗扩简圉 f i gl 2 t h er i n gr o l l i n g d i a g r a m 第一章成形工艺的概述及d e f o r m 软件的介绍 目前环件辗扩可生产直径为4 0 m m 一1 0 0 0 0 m m ，高度为1 5 m m - - - 4 0 0 0 m m ，壁厚 为1 6 m m - - 4 8 m m ，重量为o 2 k g 一8 2 0 0 0 k g 的各种尺寸形状的环形件。直径1 0 0 0 0 m m 、 高度4 0 0 0 m m 的核反应堆容器环件是目前最大的辗扩环件。环件辗扩是轧制技术与 机械零件制造技术的交叉和结合，它有如下特点： 驱动辊与芯辊直径相差悬殊； 驱动辊作主动旋转辗扩运动，芯辊作从动旋转辗扩运动，且它们的转速不同； 旋转辗扩运动与直线进给运动相互独立； 径向辗扩运动与端面轴向辗扩运动相互制约，并都受导向运动的约束与干涉； 辗扩中环形毛坯反复多次通过高度逐渐减小的辗扩孔型； 环件变形区几何边界是复杂的、不稳定的，变形的热、力条件也是动态变化的。 由于这些特点，环件辗扩不仅表现出了普通平板辗扩、异步辗扩、型材辗扩、 多道次辗扩的性质，而且还表现出了这些辗扩的耦合性质。环件辗扩不仅表现出了 几何非线性和物理非线性，而且还表现出了几何非线性和物理非线性的耦合性质。 环件辗扩不仅受到静力学、运动学和动力学因素影响，而且还受到这些因素的耦合 影响，因而环件辗扩变形具有高度的复杂性。 目前可用于环件辗扩生产的材料主要有：碳素钢、合金工具钢、铝合金、不锈 钢、铜合金、钛合金、钻合金等。 最常见的环件产品有：轴承环、齿轮环、火车车轮箍、燃气机环、电机集电环 及核反应堆容器环件等。 1 2 2 环件辗扩的研究现状和发展趋势 1 2 2 1 国内外环件辗扩的研究现状 环件辗扩技术是伴随着铁路运输业的发展而产生的。自1 9 世纪中叶以来，铁路 系统的迅速发展使得火车的行驶速度和载重量大幅度提高。火车的铸铁车轮无法满 足高速、重载的要求，于是人们在火车铸铁车轮上装备性能更好的、可更换的钢制 轮箍。为了生产火车轮箍，1 8 4 2 年英国建造了轮箍轧机，1 8 8 6 年俄国奥斯特洛维茨 炼铁铸造厂设立了火车轮箍生产车间。随后，环件辗扩技术不仅在火车轮箍、火车 车轮生产中得n t 广泛应用，在其他环形机械零件生产中也逐渐得到了推广应用。 美国m i d v a l e & 0 r d a n a n c e 公司副经理s l i c k 早在1 9 0 0 年就提出了辗环工艺，1 9 0 6 年制 成t s l i c k 辗环机，1 9 2 0 年获美国专利【。德国最早制造环件轧制机器并用于生产的 是蒂森机器公司瓦格纳工厂，1 9 8 5 年首次把配有自动上料和自动卸料装置的a g w 4 0 0 型辗环机投放市场。洛阳矿山机器厂锻造分厂引进的r a w 2 0 0 1 6 0 型辗环机，是目前 气 薄壁异形筒件的成形工艺有限元模拟与试验研究 国内少有的大型高精度、高水平设备，可径向一轴向双向轧制，年产5 0 0 t 环形件。 我国于2 0 世纪5 0 年代开始应用环件轧制技术生产轴承环，1 9 5 9 年在上海建立了锤一 压力机一扩孔机的轴承环轧制生产线。现在，环件轧制技术已经成为机械零件生产 的高效、先进和主要的工艺方法之一，受到越来越广泛的认识【1 8 】。 武汉理工大学的华林【l 蛇4 】等系统研究了环件辗扩的咬入条件、锻透条件以及静 力学、运动学和动力学、金属流动规律、轧环机工艺参数设计和工艺设计与优化等 问题。北京科技大学的蒋日东等【2 5 对环件辗扩的几何学、运动学与动力学进行了分 析，建立了环件辗轧过程的数学模型，提出了满足各种约束条件的径一轴向环轧机 综合可轧区，并对环轧机的控制系统和环轧过程c a d c a e c a p p c a m 等进行了研 究，为环轧过程的工艺设计优化提供了有效手段。上海交通大学的张文君等【2 6 】对冷 辗扩中圆度辊的定位及其运动方向和速度进行了研究。武汉工业大学的张猛、朱春 东等对径向辗环过程尺寸控制、齿轮坯净形辗环等进行了研究。 国内外许多学者采用有限元技术模拟对辗扩过程进行了大量的研究，其中包含 了对仿真方法的探究，使得环件辗扩这一大型、复杂过程的模拟更加全面、精确、 高效，弥补试验和解析方法的不足，并被用来解决了许多实际问题。y a n g 和k i m l 2 7 j 首先用有限元方法研究环件辗扩过程，采用刚塑性有限元法分析了平面应变环件辗 扩过程，得到了变形材料的速度场以及接触表面的外力，计算了应变速率的分布、 驱动辊的力矩以及正应力的分布。由于环件辗扩过程是一个非线性、非稳态、多因 素耦合的复杂变形过程，并且环件旋转次数非常多，模拟过程非常复杂，常常因为 计算庞大，不得不采用大量的简化假设如平面假设2 踟、准平面假设【2 9 】等，以缩短运 算时间。k i m 等【3 0 】首先开发了一有限元程序一砒n g ，对环件辗扩进行了完整的三维有 限元分析，在此三维模拟中，采用了两种网格系统：计算网格( c o m p u t a t i o n a lm e s h ) 和材料网格( m a t e r i a lm e s h ) ，大大提高了计算效率，模拟结果和实验结果吻合得很好。 他们采用相同的网格技术研究了平辊辗扩中磅铅合金环件金属的轴向流动以及蹄铅 合金和铝合金的t 型截面辗扩，得到金属轴向流动与压缩量的变化规律以及铝合金环 件辗扩后t 型截面形状。k a n g 等【3 l 】针对开式环件辗扩过程设计了一有限元程序，采 用反向追踪法得到预成形毛坯，辗扩后可得到端面平整的环件，弥补了矩形截面环 件在开式辗扩中端面高度不一致的缺陷。x u 等【3 2 】以刚塑性有限元法，用三维方法模 拟了辊缝间的金属的变形过程，得到了轴向宽展的变化规律。s h i v p u r i 等1 3 3 开发了一 计算机辅助程序，计算工艺参数辗扩力、辗扩力矩、环件的壁厚、环件的高度以及 环件的温度等与时间的函数关系，大大帮助了操作人员进行工艺设计以及如何设计 6 第一章成形工艺的概述及d e f o r m 软件的介绍 辗扩程序表以减少废品率。h u 等【3 4 1 在更新的拉格朗日方法上采用弹塑性有限元算法， 用两个无摩擦的圆柱表面模拟导向辊，采用环件体积不变的假设粗略计算了导向辊 的位置，分析了环件辗扩过程中变形、应变以及力能参数，并且还预测了鱼尾缺陷。 为了得到符合最终尺寸的无缺陷的环件，更真实地模拟环件辗扩过程不稳定性，l i r a 等【3 5 j 在有限元仿真中对整个环件采用混合单元，对环件进行侧面成形辗扩，发现对 于平面辗扩和v 形辗扩，轴向辊的采用可以大大减少端面鱼尾缺陷，控制环件高度， 但是不能完全消除端面缺陷。环件辗扩工艺是生产轴承座圈的一个非常重要的方法， 为了避免填充不完全、过渡填充出现毛刺以及刀具断裂等缺陷的发生，预成形毛坯 的设计非常重要，j o u n 等口6 1 假设环件辗扩中金属的塑性变形是轴对称的，认为环件 辗扩过程为一系列连续的锻压过程，采用“环件锻压 模型预测了轴承座圈成形中 的金属流动，从而为生产类似轴承座圈的环形零件的预成形毛坯提供了一种很有用 的途径。研究表明，环件辗扩第一圈中的变形与随后数圈的辗扩中变形不同，在第 二圈辗扩后，环件内表面单元的周向应力为张应力，而外表面及内部的单元的周向 应力为压应力。近年来，d a v e y 等p ”纠结合三种处理方法一a l e 方法( a r b i t r a r y l a g r a n g i a n e u l e r i a nm e t h o d ) ，累次前置共扼梯度( s u c c e s s i v ec o n j u g a t eg r a d i e n t m e t h o d ) 以及有限元流动算法( f i n i t ee l e m e n tf l o wf o r m u l a t i o n ) 建立了环件辗扩模型， 大大减小了计算时间，采用此模型对径向和径轴向环件辗扩过程进行了模拟，环件 的径向、轴向金属流动，直径的长大与相关文献上的实验结果吻合很好：f o r o u z a n a 等【4 0 l 采用温度辐条的方法( t h et h e r m a ls p o k e s m e t h o d ) ，将导向辊的影响引入了环件辗 扩的模型当中，此方法不需要额外增加模型的非线性，因此引入导向辊后对计算时 间的影响非常小，研究结果表明导向辊对工艺参数的影响非常大。y o u n g s o 笔j 9 4 1 在商 用软件f e m c o d e 的基础上开发了一专门针对环件三维非稳态流动、工件直径和厚度 连续变化的特点的有限元程序s h a p e 删，预测了平面和t 形辗扩过程环件的宽 展、压力分布以及辗扩力的大小。在国内，解春雷等【4 2 1 开发了基于能量泛函的刚粘 塑性动态显式有限元程序一h 1 删g ，可以分析比较复杂的环件辗扩成形，着重研究 了矩形截面辗扩中鱼尾产生的原因以及消除鱼尾的方法和l 形截面侧面成形环件辗 扩中应变的分布。许思广【4 3 】采用三维刚塑性有限元数值方法对不同截面辗扩过程进 行了分析，解决了芯辊转速的确定、压下量的分配、咬入曲线计算以及边界条件处 理等问题；他们还针对环件辗扩的特点，提出了连续辗扩的有限元方法，得到了环件 宽展变形、侧表面形状与压下量的关系以及辗扩力、辗扩力矩随时间的变化规律州j ； 采用热刚塑性有限元法分析了热环件辗扩过程中温度的变化和晶粒变化的三维分布 7 薄壁异形筒件的成形工艺有限元模拟与试验研究 4 5 】。解春雷、李尚健等【4 6 1 ，根据环件辗扩过程的有限元模拟结果制订控制策略，将 模拟的最佳辗扩力曲线转换为压力辊运动的等效速度曲线，控制压力辊使其按预定 的速度曲线运动。武汉工业大学的朱春东、张猛等【4 7 】研究了数学模型在5 0 0 型辗扩 机测控系统中进行尺寸数字控制的方法，使该机在汽车后桥伞齿轮生产中，尺寸精 度误差达到o 1m m ，从而保证了毛坯质量。近年来，在德国钢铁工程师协会环 件辗扩委员会以及生产厂家的大力支持下，各研究机构对环件辗扩在线控制方面进 行了大量的研究。在此基础上，德 n t h y s s e n 机器制造公司开发的c n c 辗环机具有o c s ( o p e r a t o rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 和c a r ( c o m p u t e ra i d e dr o l l i n g ) 系统，使整个环件 生产过程实现了计算机自动控制，能灵活地生产各种规格的产品，大幅度提高了生 产率和产品质量，降低了成本，环件辗扩技术又上了一个新台阶。 1 2 2 。2 环件辗扩技术的发展趋势 从环件辗扩技术的发展趋势来看，该领域的研究方向主要有以下几个方面： ( 1 ) 大型环件辗扩技术。直径在2 0 0 0 m m 以上的大型环件越来越多地采用环件辗 扩工艺生产，而原来的马架扩孔工艺由于劳动强度大、生产率低、环件尺寸精度低、 加工余量大等缺点逐步被淘汰。直径2 0 0 0 o 1 0 0 0 0 m m 环件辗扩设备在美国、德 国、英国、法国、日本、俄罗斯等国家的安装数量迅速增加，我国洛阳矿山机器厂 也从德国引进了直径5 5 0 0 m m 的环件辗扩设备。 ( 2 ) 高速环件辗扩技术。随着环件辗扩设备及其上、下料辅助设备的机械化自 动化程度的提高，环件辗扩速度和生产率随之迅速提高。小型轴承环辗扩自动生产 线，不仅下料、加热、制坯、辗扩工艺过程实现了流水自动生产，而且生产率达到 3 0 0 10 0 0 件1 1 。 ( 3 ) 精密环件辗扩技术。随着制坯的精化和环件辗扩过程测控系统的进展，环 件辗扩精度逐步提高，精密环件辗扩技术迅速发展。目前，精密辗扩的环件直径尺 寸精度可达到1 1 0 0 0 。 ( 4 ) 复杂环件辗扩技术。一般环件辗扩主要用于生产截面为矩形或近似矩形的 环形零件，复杂截面的环件通常简化成近似矩形截面的环件进行辗扩生产，然后再 进行机械切削加工。为了减少机械力n - r _ 量、提高环件材料利用率，复杂截面环件成 形辗扩生产得到高度重视和迅速发展，通过辗扩用毛坯的优化和辗扩孔型的合理设 计，许多复杂截面的环件逐步实现了直接成形辗扩生产。 ( 5 ) 柔性环件辗扩技术。为了满足小批量、多品种、多规格环件辗扩生产，具 有辗扩孔型快速更换、工作参数调节方便的柔性环件辗扩设备受到了重视。目前已 8 第一章成形工艺的概述及d e f o r m 软件的介绍 有的柔性环件辗扩设备，其辗扩孔型更换时间为1 5 2 h ，辗扩的环件直径为 2 5 0 9 0 0 n u n ，重量为2 0 1 0 0 蚝，非常适合每批环件数量为5 0 件的小批量辗扩生产。 ( 6 ) 轧制生产设备的发展趋势。 1 3 有限元分析软件d e f o r m 的简介 近年来，随着计算机软硬件的迅速发展和数值计算方法的不断完善，c a e 技术 在实际工程中得到成功的运用，在金属塑性成形问题的分析中，有限元方法与解析 计算方法相比有如下优点：不受成形问题的限制，对各类金属塑性成形过程均可进 行分析；有丰富的单元类型从而可以分析复杂成形过程；能综合考虑成形过程中的 各种影响因素；能提供应力应变、温度场以及金属流动规律来优化工艺。本课题的 研究对象为筒形件反挤压成形，属于体积成形方法，选用d e f o r m 进行有限元数值模 拟。 1 3 1 d e f o r m 软件的简介 d e f o m a 是美国s f t c 公司开发的一套基于有限元的工艺仿真系统，用于分析金 属体积成形及其相关的各种成形工艺和热处理工艺，通过在计算机上模拟整个加工 过程，帮助工程师和设计人员设计工具和产品的工艺流程，减少昂贵的现场试验成本； 提高模具设计效率，降低生产和材料成本；缩短新产品的研究开发周期。d e f o r m 是 专门针对金属成形模拟仿真的，其友好的图形用户界面便于工程设计人员可以很方 便地进行前期的数据准备工作以及成形模拟分析，这样使得设计人员可以把精力集 中在成形的模拟分析上，另夕t d e f o r m 的自动网格重划分优化技术特别适合分析大型 复杂的成形工程问题。 1 3 2d e f o r m 软件的系统构成 ( 1 ) 前置处理模块 该部分的主要功能是准备初始材料信息( 包括网格信息) 和模具信息用以进行 塑性加工过程的计算机模拟。材料信息中最主要的是网格划分，既要考虑金属可能 的流动情况而在某些部位实现局部加密，又要保证合理的单元数量和网格数量以及 最小的半代宽( 既可节约内存，又能提高处理速度) 。模具信息则主要是采用代数 法或参数曲面、样条曲面来描述模具的复杂型腔。 ( 2 ) 有限元求解器 有限元求解器是整个系统的核心。因本构关系的不同其材料模型有刚性、弹性、 刚粘塑性、弹塑性以及烧结体。 9 薄壁异形筒件的成形工艺有限元模拟与试验研究 d e f o r m 的求解器无缝集成了自动网格重划分技术，当变形体网格畸变严重时可 自动生成新的有限元网格，使求解过程得以继续下去。 ( 3 ) 后置处理模块 该部分的主要功能是从求解器中读入结果并以三维图形的方式显示网格变形和 有关场量。 1 3 3d e f o r m 软件的功能 d e f o r m 具有以下主要功能和特点： ( 1 ) 提供刚塑性，刚粘塑性，弹塑性，弹性及多孔材料模型，并且有各种金属 材料性能参数库。 ( 2 ) 可以模拟锻造、轧制、挤压、冲裁、切削、粉末成型等多种加工工艺，提 供材料流动、应变、应力、温度分布、变形载荷、模具应力与变形等详尽信息，分 析变形工件内的残余应力及回弹，预测模腔充填不满、折叠、变形损伤、等成型缺 陷。 ( 3 ) 可以模拟正火、淬火、回火、渗碳等热处理过程，预测热处理后工件的硬 度、相含量百分比、热处理变形、含碳量分布。 ( 4 ) 具有良好的前后处理用户界面，数据准备简便，模拟结果的图形处理功能 丰富。 1 4 本论文的主要研究内容 本论文的主要研究内容是前段异型环的成形工艺有限元模拟与试验研究。所研 究的筒形件有几点特殊之处：材料特殊，为一种特种钢3 0 0 r sim o v ；形状上带有一定 的小锥度；底部带收口；件相对比较大；壁厚相对较薄；对于这样的新制品来进行 工艺研究是具有重要研究意义的。 经过认真分析制品并参阅以前类似环件的生产工艺，初步确定其成形工艺为热 反挤压冲孔辗环成形，流程图见图1 3 。成形工艺既采用了发展历史悠久、 使用比较广泛的挤压工艺也采用了特种锻造成形工艺辗环，工艺方法的制定具有特 殊性，不是常规的生产工艺。 l o 第一章成形工艺的概述及d e f o r m 软件的介绍 2 。1 2 。 由2 s 7 雾 i 刎 2 1 2 斗j 形爿钐殇 o ，、 热反挤压冲连皮辗环 a 毛坯_b 反挤压件c 冲连皮件_ d 成品件 图1 3 异形环成形工艺示意图 f i g1 3t h ef o r m i n gt e c h n o l o g ys c h e m a t i cd i a g r a m 第二章反挤压成形工艺的有限元模拟研究 第二章反挤压成形工艺的有限元模拟研究 2 。1 反挤压模具模芯部分的设计 2 1 1 反挤压凸模的设计 反挤压凸模是反挤压模具成形的重要零部件，凸模的设计是反挤压模具设计的 重要环节之一。反挤压凸模一般由夹紧和成形两部分构成，见图2 1 。反挤压凸模主 要有三种形式，见图2 2 。平底凸模用于要求平底或单位挤压力要求较低的情况；尖 顶锥形凸模可以降低单位挤压力，但易造成壁厚不均，生产中很少应用；带平底的 锥形凸模兼有两者的优点，既可以减小单位挤压力，又可以保证均匀的壁厚，因此 在生产实际中应用较多。 f 、 。 i r ： 图2 1 反挤压凸模的典型结构 f i g2 1t h et y p i c a ls t r u c t u r eo ft h eb a c k - e x t r u s i o np u n c h ii 式 | j d： lf 曹 l i i l i da ， 。夕1 4 、l0 - 一i 、 la i u i _ 。1 d a ) 带平底的锥形凸模 b ) 尖顶锥形凸模 c ) 平底凸模 图2 2 反挤压凸模的形式 f i g2 2t h ef o r mo f t h eb a c k - e x t r u s i o n 薄壁异形筒件的成形工艺有限元模拟与试验研究 反挤压带平底锥形凸模设计尺寸计算表见下表2 i ： 表2 1 带平底锥形凸模设计尺寸计算表 t a b l e2 。1t h ec a l c u l a t i o nt a b l eo ft h ed e s i g ns i z et ot h et a p e rp u n c hw i t ht h ef l a t - b o t t o m 名称 被按压毛坯材皋 种类 愚色金属有色金属 结合工艺方案中的反挤压成形件的形状，由于成形件是侧壁带有锥度的杯形件， 所以凸模的成形部分选择反挤压凸模的常用形式是不行的，只能与成形件的内壁尺 寸保持一致，设计成直径d ：为2 6 1 5 锄，锥度q 为2 1 2 度，底端圆角r z 为4 0 咖， 高度h 。为5 0 71 1 1 1 1 1 的杯形形状，见图。其余尺寸可以参照反挤压带平底锥形凸模设计