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多道次拉旋及皮带轮旋压成形工艺的有限元模拟研究 摘要 旋压成形可旋制整体无缝空心回转体零件，具有变形条件好、产品性能优、 尺寸公差小、材料利用率高、产品类别广泛等优点，广泛应用于兵器、航空、 航天、民用等金属精密加工技术领域。本文结合实际生产过程中遇到的问题， 以多道次拉旋成形筒形件( 卧机产品) 和旋压皮带轮( 立机产品) 两大系列产 品为研究对象，基于有限元模拟技术，实现了产品工艺的改进和工艺参数的优 化，有效地提高了产品质量。 多道次拉旋成形工艺应用广泛且比较成熟，但在产品调试过程中经常出现 起皱和拉裂等缺陷。实际生产中主要依靠技术人员的经验不断试旋，调整工艺 参数来保证产品质量。本文首先采用a n s y s l s d y n a 软件建立了能实现毛坯 自转符合实际生产的多道次拉旋有限元模型，并对模拟结果进行了试验验证： 再结合正交试验、神经网络和遗传算法以壁厚减薄率为目标，对工艺参数进行 优化；最后利用优化结果进行模拟，壁厚减薄率明显下降，得到了满意的效果。 研究表明较大的进给速度、较小的入旋角、合理的旋轮直径和圆角半径有利于 降低壁厚减薄率，保持工件壁厚的均匀性。 多楔轮是目前生产中较难成形的一种旋压皮带轮，本文运用体积不变原理 和刚性平移理论提出一种新的工艺方案。该方案采用旋压翻边取代拉深，实现 了多楔轮侧壁的单独增厚；设计了基于刚性平移的新预旋轮，使最难成形的齿 顶在预成形阶段先成形好，终成形阶段仅作刚性平移，在保证产品精度的同时， 减小了成形阶段的载荷，延长了成形轮使用寿命。为验证新工艺的可行性，分 别对多楔轮旋压成形两种工艺进行有限元模拟，提取应力应变场、速度场、行 程与载荷曲线等模拟结果进行对比，进一步证明了新工艺的优点。分析了工艺 参数对多楔轮旋压成形的影响，为生产调试提供参考。研究表明，采用多楔轮 成形新工艺在改善产品质量的同时，还降低了生产成本，提高了生产效率。 关键词：有限元模拟多道次拉旋工艺参数t 旋压皮带轮刚性平移 f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no fp r o c e s sf o rm u l t i c y c l es p i n n i n g a n dp u l l e ys p i n n i n g a b s t r a c t s p i n n i n ge a s i l ym a n u f a c t u r e st h ep r o d u c to fw h o l es e a m l e s sh o l l o wr o t a r y b o d y i th a sm a n ya d v a n t a g e s ，i n c l u d i n gg o o dd e f o r m a t i o nc o n d i t i o n s ，e x c e l l e n t p r o d u c tp e r f o r m a n c e ，p r e c i s ed i m e n s i o n a lt o l e r a n c e s ，h i g hm a t e r i a lu t i l i z a t i o nr a t i o ， g r e a tp r o d u c tc a t e g o r i e sa n ds oo n i th a sb e e nw i d e l ya p p l i c a t i o ni nw e a p o n s ， a v i a t i o n ，a s t r o n a v i g a t i o n ，e i v i la n do t h e rm e t a lp r e c i s i o nf o r m i n gt e c h n o l o g y d e p a r t m e n t s t h i sp a p e rc o m b i n e dw i t ht h ea c t u a lp r o d u c t i o np r o c e s sp r o b l e m s m u l t i 。c y c l es p i n n i n gt u b e ( h o r i z o n t a lm a c h i n ep r o d u c t s ) a n ds p i n n i n gp u l l e y ( v e r t i c a lm a c h i n ep r o d u c t s ) a r er e g a r d e da st h er e s e a r c ho b je c t b a s e do nt h ef e m s i m u l a t i o n t e c h n o l o g y t om o d i f i c a t i o n p r o d u c tp r o c e s s e s ，o p t i m i z ep r o c e s s p a r a m e t e r sa n de f f e c t i v e l yi m p r o v et h ep r o d u c tq u a l i t y m u l t i - c y c l es p i n n i n gp r o c e s sh a sb e e nw i d e l yu s e da n dr e l a t i v e l ym a t u r e t e c h n o l o g y ，b u ts o m ed e f e c t ss u c ha sw r i n k l i n ga n dc r a c k i n go f t e na p p e a ri nt h e p r o d u c t i o np r o c e s s p r o d u c t i o nm a i n l y r e l y o nt h e e x p e r i e n c e o ft e c h n i c a l p e r s o n n e lc o n t i n u et o s e tu p ，a d j u s tp r o c e s sp a r a m e t e r st oe n s u r ep r o d u c tq u a l i t y f i r s to fa l l ，u s i n ga n s y s l s d y n as o f t w a r ee s t a b l i s h e d t h em u l t i c y c l e s p i n n i n gf e mm o d e l ，w h i c ha c h i e v eb i l l e tr o t a t i o nm o r ei nl i n ew i t ht h ea c t u a l p r o d u c t i o n ，a n dv e r i f i e ds i m u l a t i o nr e s u l t st h r o u g ht e s t i n g t h e n t h ew a l lt h i c k n e s s r e d u c t i o na st h et a r g e tc o m b i n e dw i t ht h eo r t h o g o n a lt e s t n e u r a ln e t w o r k sa n d g e n e t i ca l g o r i t h m st oo p t i m i z et h ep r o c e s sp a r a m e t e r s f i n a l l y , t os i m u l a t i o nt h e r e s u l t so fo p t i m i z a t i o n ，t h ew a l lt h i c k n e s sr e d u c t i o nd e c r e a s e da n dg e ts a r i s f a c t o r y r e s u l t s s t u d ys h o w st h a tl a r g e rf e e dr a t e ，s m a l l e rr o t a t i o na n g l e ，r e a s o n a b l er o l l e r d i a m e t e ra n df i l l e tr a d i u st or e d u c et h ew a l lt h i c k n e s sr e d u c t i o n a n dm a i n t a i nt h e u n i f o r m i t yo ft h ep r o d u c tt h i c k n e s s m u l t i - vp u l l e ys p i n n i n gi sm o r ed i f f i c u l tt h a no t h e rp u l l e ys p i n n i n g ，t h i sp a p e r p r e s e n t san e wp r o c e s sb a s eo nt h es a m ev o l u m ep r i n c i p l ea n dt h er i g i dt r a n s l a t i o n t h e o r y t h en e wp r o c e s su s e ds p i n n i n gf l a n g i n gr e p l a c ed r a w i n gt oa c h i e v em u l t i v p u l l e ys i d ew a l ls e p a r a t et h i c k e n i n g ；d e s i g n e dn e wp r e - s p i n n i n gr o l l e rb a s eo nt h e r i g i dt r a n s l a t i o ns ot h a tt h ea d d e n d u mw h i c hi sm o s td i f f i c u l tf o r m i n gp a r th a sb e e n f o r mi nt h ep r e s p i n n i n gs t a g ea n do n l yr i g i dt r a n s l a t i o ni nt h es p i n n i n gs t a g e n e w p r o c e s sn o to n l yt oe n s u r et h ea c c u r a c yo ft h ep r o d u c t ，b u ta l s or e d u c e st h el o a di n t h es p i n n i n gs t a g e ，t oe x t e n dt h el i f eo ft h es p i n n i n gr o l l e r t ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t y o fn e wt e c h n o l o g y ，r e s p e c t i v e l ys i m u l a t e dt w od i f f e r e n tm u l t i - vp u l l e ys p i n n i n g p r o c e s s e s ，a c h i e v e dt h es t r e s s s t r a i nf i e l d ，v e l o c i t yf i e l d ，t h el o a dc u r v e w i t hs t r o k e a n ds oo n t h e s es i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ec o m p a r e d ，f u r t h e rt o d e m o n s t r a t et h e a d v a n t a g e so fn e wt e c h n o l o g y a n a l y s i so f t h ep r o c e s sp a r a m e t e r sa f f e c tt h em u l t i v s p i n n i n g ，p r o v i d ear e f e r e n c ef o rt h ep r o d u c t ed e b u g g i n g s t u d y s h o wt h a tn e w m u l t i vp u l l e yf o r m i n gp r o c e s sc a nb e t t e rp r o d u c tq u a l i t y , r e d u c i n gp r o d u c t i o n c o s t sa n di m p r o v ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y k e y w o r d s ：f e ms i m u l a t i o n ，m u l t i - c y c l es p i n n i n g ，p r o c e s sp a r a m e t e r s ，s p i n n i n gp u l l e y , r i g i dt r a n s l a t i o n 插图清单 图1 1 普通旋压2 图1 2 强力旋压2 图1 3 带轮旋压3 图1 4 多道次拉旋四种旋轮运动轨迹6 图3 1 三道次拉旋旋轮运动轨迹1 8 图3 2 多道次拉旋有限元模型1 9 图3 3 不同道次下应力场分布2 0 图3 4 不同道次下壁厚减薄率分布2 0 图3 5 三道次减薄率沿径向分布2 1 图3 - 6 旋压力变化情况2 1 图3 - 7 试验设备d s 3 5 0 卧式数控旋压机2 2 图3 8 线切割后的试验零件2 2 图3 - 9 模拟结果与试验结果的对比2 3 图4 1 优化对象示意图2 4 图4 2b p 网络结构图2 6 图4 3 训练迭代误差曲线2 8 图4 4 神经网络遗传算法复合优化流程图3 l 图5 1 劈开轮成形工序图3 5 图5 2 折叠轮成形工序图3 6 图5 3 多楔轮成形工序图3 7 图5 - 4 侧壁厚度对比图3 8 图5 5 冲压设备3 9 图5 6 立式数控旋压机3 9 图5 7 旋轮示意图3 9 图5 8 多楔轮成形新工艺流程图4 0 图6 1 多楔轮旋压成形三维几何模型4 1 图6 2 多楔轮旋压成形有限元模型4 2 图6 3 旋压翻边成形应变场分布图4 2 图6 4 旋压翻边成形效果截面图4 3 图6 5 不同旋轮进给速度下的应变场分布图4 3 图6 6 不同旋轮进给速度下的成形载荷4 4 图6 7 不同摩擦条件下成形载荷4 4 图6 8 不同预成形工作量下的成形载荷4 5 图6 9 预成形结束时应力场分布图4 6 图6 1 0 成形结束时应力场分布图4 6 图6 1 l 预成形结束时应变场分布图4 6 图6 1 2 成形结束时应变场分布图4 6 图6 一1 3 两种工艺成形载荷的比较4 7 图6 1 4 多楔轮旋压成形应变场分布图4 8 图6 1 5 多楔轮旋压成形速度场分布图4 9 图6 1 6 不同旋轮进给速度下的应变场分布图4 9 图6 17 不同旋轮进给速度下的成形载荷5 0 图6 - 18 不同摩擦条件下的成形载荷5 1 表3 1 表4 1 表4 2 表4 3 表4 4 表格清单 毛坯材料的力学性能参数l6 因素水平表25 正交试验表25 神经网络学习与预测结果28 优化结果32 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， 也不包含为获得盒胆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。 学位论文作者酶声锄飙叩彳月3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金世王些太堂有关保留、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。本人授权金月坠王些太 兰l 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： 导师签名： 签字日期：护7 年每月雪日 签字日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 本文是在导师刘全坤教授的悉心指导下完成的。两年半的硕士研究生学习 期间，从课程学习、论文开题，到课题研究、学术论文发表，至最后的硕士学 位论文成稿，都倾注了刘老师大量的心血。导师渊博的专业学识、严谨的治学 态度和精益求精的工作作风始终深深激励和鞭策着我，使我获益匪浅，也是我 今后工作和学习上的榜样。在论文完稿之际，谨向恩师的辛勤的培养与无私的 关怀致以崇高的敬意和衷心的感谢! 特别感谢芜湖众发旋压科技有限公司，在课题研究的过程中得到了王其善 总经理及其他技术人员的帮助，使我对课题中涉及到的许多问题有了更加深入 的理解和认识，在此表示感谢! 感谢合肥工业大学高性能与协同计算开放实验室为本课题提供硬件平台! 特别感谢薛克敏教授、李萍教授、陈文琳副教授、陈忠家副教授及王强高 工等老师在我两年半的学习期间给予学业上的指导和帮助! 衷心感谢同实验室的胡成亮、胡龙飞、王成勇、雷声、王可胜、刘克素、 陈从生、程伟、来亚敏、邓陶勇、汪泽波、祝慧、郑超、肖福成、舒洁、赵雅 丽、张金宝、韩豫、李亨、侯磊、李奋强、桂中祥、马灿、李恩及其他师弟师 妹们在学习和生活上给予我的关心和帮助! 深深感谢家人和朋友对我的支持和鼓励。在此向所有给予我帮助和支持的 人表示我最诚挚的谢意! 作者：唐凯 2 0 0 9 年0 3 月 第一章概论 1 1 引言 塑性加工是指在一定外力作用下，利用材料的塑性使其成形为具有一定形 状及力学性能的制件的加工方法。塑性加工具有高产、优质、低耗等显著特点、 已成为当今先进制造技术的重要发展方向，在冶金、机械、航空、航天、船舶、 军工、仪器、仪表、电器和日用五金等工业邻域得到了广泛的应用，在国民经 济中占有十分重要的地位n 1 。通过与计算机技术的紧密结合，数控加工、激光 成型、人工智能、材料科学和集成制造等一系列与塑性加工相关的技术飞速发 展，塑性加工新工艺和新设备如雨后春笋般地涌现，把握塑性加工技术的现状 和发展前沿有助于我们及时研究、推广和应用高新技术，推动塑性加工技术的 持续发展【2 j 。 旋压成形工艺是塑性加工的一个重要分支，具有柔性好、成本低等优点， 适合加工多种金属材料，是一种经济、快速成形薄壁回转体零件的方法。与其 它冲压工艺方法相比，由于它能制造出形状多样、尺寸各异的产品，特别在结 合高效、精密的数控技术后，更具有明显优越性。因此，不仅在兵器、航空、 航天、民用等金属精密加工技术领域占有重要地位，而且在化工、机械制造、 电子及轻工业等领域也得到了广泛应用 3 4 】。 在旋压成形技术中用得最多、最具有代表性的是拉深旋压，简称拉旋。为 提高产品的成形质量和成形极限，常采用多道次成形【6 1 。多道次拉旋成形机理 复杂，旋轮运动轨迹和成形工艺参数对成形规律、成形质量以及加工效率都有 及其重要的影响。多道次拉旋技术的发展迫切需要设计、优化旋轮运动轨迹和 工艺参数。 皮带轮是一种重要的机械传动零件，它广泛应用于各种机械设备的传动中。 钣制旋压皮带轮作为皮带轮的一种新型结构形式，以其精度高、节能、节材、 动平衡好、无污染等特点，已被汽车行业广泛应用【7 1 。汽车行业的特殊性对带 轮精度要求高，而实际生产中很多厂家旋压模具制造精度不高，设计上理论性 不强，如何提高带轮精度、延长旋轮使用寿命已成为一个迫切需要解决的问题。 运用科学理论方法改进现有工艺，重新设计预旋轮结构对皮带轮旋压成形具有 重要意义。 1 2 旋压的定义及分类 旋压成形技术是一种利用旋压工具对旋转的坯料施加压力，使之产生连续 的局部塑性变形，从而获得各种母线形状的空心回转体零件的塑性加工技术。 旋压成形是制造薄壁回转体零件常用的一种工艺方法，可以完成拉深、缩径、 翻边、卷边、收口等多种不同的成形工序。旋压成形方式繁多，根据旋压成形 过程中毛坯厚度的变化情况，将旋压工艺分为普通旋压、强力旋压。在旋压工 艺应用中又派生出特种旋压。 1 2 1 普通旋压 普通旋压是指在旋压过程中，毛坯形状改变，直径增大或减小，而其厚度 不变或发生少许变化的成形过程。普旋的基本加工方式有三种：拉深旋压、缩 径旋压和扩径旋压，如图1 1 。拉深旋压是指毛坯拉深过程的旋压成形方法， 毛坯弯曲塑性变形是它主要的变形方式。缩径旋压是指使用旋轮将回转体空心 件或管状毛坯进行径向局部旋转压缩以减小其直径的成形方法。扩径旋压是指 利用旋压工具使其空心回转体容器或管状毛坯局部直径增大的旋压成形方法。 其中，拉深旋压是普旋中最主要和应用最广泛的成形方法，它是以径向拉 深为主而使毛坯直径减小的成形工艺。也可以说它与拉深成形相类似但不用冲 头而用芯模，不用冲模而用旋轮。由于是靠旋轮的运动旋制工件，所以与拉深 相比其加工条件的自由度更大，能制出很复杂的回转对称体【引。拉深旋压成形 一次极限很小，为提高产品成形极限和成形质量一般采用多道次拉深旋压成形。 榉 _ & - 巧趼 ， 一 ( a ) 拉深旋压( b ) 缩径旋压( c ) 扩径旋压 图1 1 普通旋压 1 2 2 强力旋压 强力旋压是指旋压过程中，不但毛坯形状改变，而且壁厚也显著改变( 减 薄) 的成形过程。根据旋压件类型和金属变形机理的差异，强力旋压可分为锥 形件剪切旋压和筒形件变薄旋压，如图卜2 。前者用于加工锥形、抛物线形和 半球形等异型件，而后者则用于筒形件和管形件的加工，有时两种方法联合运 用，加工各种复合形零件【9 1 。 ( a ) 剪切旋压( b ) 变薄旋压 图l - 2 强力旋压 2 1 2 3 特种旋压 特种旋压区别于常规的变薄旋压与普通旋压，没有明确的界定定义。是随 着旋压技术的深入发展，根据工件形状特征而派生出的新成形方法【lo 。皮带轮 旋压成形是一种典型的特种旋压，按照皮带轮的槽型和加工工艺可将其分为三 大类：劈开轮、折叠轮和多楔轮。由于这三大类旋压皮带轮的结构特点不同， 其加工工艺也不相同。劈开轮一般采用一次冲裁制坯，在旋压机上用旋轮从材 料厚度二分之一处劈开后整形旋压而成形，影响产品质量的主要因素是毛坯本 身的平面度精度。折叠轮是采用冲压和拉深方法制坯，并在旋压机上旋压，同 时适当加以轴向压力而成形，成形过程中没有发生金属流动，只是形状的变化， 工艺上比较简单。多楔轮同样采用冲压和拉深方法制坯，然后在旋压机上旋压 成形。由于齿形是在材料壁厚上用挤压方式使之产生金属流动和塑性变形而形 成，所以影响产品最终质量的因素就较多，包括上下模、旋轮形状、旋压道次。 材料等。旋压皮带轮作为一种新工艺产品，已经广泛用于汽车、拖拉机等用内 燃机驱动的辅助设备，以及机床、农业机械、家用电器等设备。 c a ) 劈开轮 ( b ) 折叠轮( c ) 多楔轮 图1 3 带轮旋压 1 3 旋压成形技术发展概况 1 3 1 旋压技术的国内外发展概况 根据文献记载，公元前殷商时代曾使用旋轮制作陶瓷制品的形体，唐代的 银器有普通旋压成形的痕迹。l8 世纪6 0 年代末期，德国出现了第一个金属旋 压技术的专利。普通旋压工艺在国内长期处于落后状态，设备由人力驱动，直 到2 0 世纪中叶以后，随着工业的发展和航天事业的开拓，普通旋压工艺才开始 大规模应用于金属板料成形领域，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技术冲破了小批量生产的限制，而应 用于中批量和大批量生产中。 强力旋压是在普通旋压基础上发展起来的成形技术。第二次世界大战前后 应用于欧洲的民用工业。由于旋压工艺的先进性、经济性和实用性，且具有变 形力小，节约原材料等特点，在近四十年中，旋压技术得到了长足的发展，不 仅在航空航天领域而且在化工、机械、轻工等民用工业中都得到了广泛应用。 钣制旋压皮带轮是采用旋压工艺制成的，具有结构轻、省材料以及转动惯 量小等优点，已逐步淘汰了铸铁等其它形式的传统皮带轮。早在2 0 世纪7 0 年 代旋压皮带轮被一些西欧国家所采用。德国l e i f e l d 公司制造的v k l 2 0 、 v k l 4 5 、p f c 2 1 4 1 t 、h k 6 0 c n c 旋压机为例，可生产汽车发动机上的水泵轮、 风扇轮、主轴轮、空调压缩机涨紧带轮、减震器、传感器带轮等，其技术属于 领先水平；其次是美国的a u t os p i n 公司、日本的n i h o ns p i n d l e 公司等在旋压 皮带轮技术上有很强的代表性【i l - l4 1 。 我国旋压技术的现代化进程始于2 0 世纪6 0 年代中期。当时，国内开始研 究变薄旋压技术并用以制造航空和特殊冶金制品。此后，旋压技术又被陆续推 广到兵器、核能、电子等行业。自8 0 年代中期以后，我国旋压技术的发展，由 以变薄旋压为主，转为变薄旋压与普通旋压并重；旋压设备由液压控制转向数 字控制【l5 1 。我国旋压皮带轮的研究最早始于8 0 年代末期。北京航天航空大学 制造的v p s 2 0 吨立式数控v 型带轮旋压机、v p s 3 0 吨立式数控带轮旋压机被 原机械工业部确定为“八五 科技成果推广项目，被广泛应用在汽车零部件生 产制造业【l 引，而大规模应用旋压皮带轮是在1 9 9 5 年之后。 旋压设备的发展水平是旋压技术水平高低的标志。旋压设备制造业在控制 方面，实现了由液压控制到数字控制，尤其是数控通用和专用旋压机的研制能 力得到了迅速提高【l7 1 。旋压的数字控制使多旋轮之间的协调，多道次旋轮轨迹 的设置与调整得以解决，产品精度不断提高。随着经济的发展，各种不同类型 的特殊零部件需要旋压加工，多种专用旋压机需求旺盛，如带轮旋压机、封头 旋压机等。2 l 世纪旋压设备的发展趋势是大型化、系列化、高精度、多用途和 自动化。 国外旋压技术发展状况为旋压机品种齐全，生产工艺稳定，旋压产品多样， 应用范围广泛。德国设备装置标准化，工艺产品系列化。其设备多为中小型， 以卧式为主，用途广泛。西班牙旋压技术发展历史较为悠久，其设备与工艺研 发均较为完善，但规模不及德国。美国的设备与产品趋向大型化，其旋压变形 原理研究深入。前苏联旋压工艺应用广泛，企业的旋压产品批量生产，并将自 动车床改装为自动旋压机，成本低廉。意大利专门生产封头旋压机。日本以叶 山益次朗为代表的学者对旋压技术进行了深入的试验研究，促进了旋压成形理 论的发展【1 8 19 1 。近半个世纪国外旋压技术发展很快，从日臻成熟进入完善提高 阶段。 我国旋压技术的发展状况与国外先进水平相比有较大差距。从6 0 年代开 始，经过四十多年的努力，近年来已取得了较大发展，许多产品精度和性能都 接近或达到国外先进水平。在旋压工艺、设备制造和理论研究及技术推广等方 4 面都取得了很大的成绩。先后有北京航空工程研究所，北京有色金属研究总院， 北京航天航空大学，航天7 0 3 研究所，沈阳金属研究所，西安重型机床研究所 等单位开展了旋压技术的研究。据不完全统计，当前全国从事旋压技术的单位 数百家，拥有旋压设备近千台，从事旋压技术的人员数千名，大型旋压设备国 产数量与进口数量相当。国内许多研究所已研制出性能较好的旋压设备【2 0 2 2 1 ， 如北京超代成科技有限公司的c d c s 系列专用皮带轮旋压机，该系列旋压机能 满足现在所有类型的旋压皮带轮生产的要求。其中c d c $ 8 0 立式数控旋压机是 目前我国皮带轮旋压设备中吨位最大的，代表了国内同类设备的最高水平。 1 3 2 多道次拉旋成形技术的研究现状 多道次拉深旋压属于连续局部成形工艺，并且速度比一般冲压快，加载和 变形过程相对复杂。与强力旋压相比，普旋的理论发展相对滞后，由于多道次 拉旋影响因素很多，工艺非常灵活，仅参照已有的试验数据往往很难实现。实 际生产中，工艺参数的选取，旋轮轨迹的设计主要依靠现场试验摸索。近年来 各国学者在多道次拉旋理论方面进行了大量研究，多道次拉旋成形规律、旋轮 运动轨迹设计与工艺参数优化等逐渐成为研究热点。 1 3 2 1 拉深旋压的力学分析 拉深旋压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，推导出各应力之间的 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( 含拉深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 环形金属薄板，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，并优化屈服线间的夹角，从而 求出临界状态下的旋压力计算公式。 1 3 2 2 拉深旋压的成形性能 对于材料的可旋性，国外学者给出了一些定义。r l k e g g 曾于1 9 6 1 年做 过著名的椭球体芯模可旋性实验【2 3 1 ，将材料的可旋性定义为材料旋压后不断裂 时所能达到的最大减薄率，并得出了锥形件变薄旋压时壁厚减薄率与材料断面 收缩率间的关系。而叶山益次朗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【2 4 1 。 对于拉旋加工中的毛坯起皱现象，国内外学者进行了许多研究。叶山益次 朗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，材料抗起皱能力就越强，且c 值与材料硬化指数间存在着某种固定 的关系。s k 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，假设法兰区的应力状态与拉深工艺相似，引用无压边时的拉 深临界应力公式，得出了法兰的临界尺寸关系。h a y a m a 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。牛卫中以成形不起皱条件为基础，利用数值计算方法推导了单道次拉旋极 限成形参数1 25 。胡伟蓉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1 2 6 j 。 多道次拉旋成形中旋轮轨迹的设计和确定一直是普旋工艺研究的重点。早 在7 0 年代，日本学者h a y a m a 就通过试验方法对旋轮轨迹进行了研究，设计了 四种基本类型的仿形板如图1 4 ，根据四种仿形板成形工艺的研究结果，提出 了一种渐开线仿形板。叶山益次朗通过试验确定了筒形件拉旋渐开线轨迹控制 参数的选取范围1 2 7 j 。夏琴香等对锥状预制坯普旋成形的渐开线轨迹进行了分 析，提出用渐开线仿形模板进行锥状预制坯普旋的设计方法，并开发出“分段 普旋 的新工艺1 2 引。刘福若等采用三次b 样条作为描述旋轮轨迹曲线的数学模 型，把道次轨迹的确定转化为一族函数的构造，并建立了道次轨迹生成的相应 算法1 2 引。康达昌等研究了斜直线、凹曲线和凸曲线三种情况下毛坯拉旋的变形 方式，第一道次的变形对拉旋最终零件的壁厚具有决定性影响【30 1 。马振平等通 过使用x k 2 0 1 型数控录返旋压机编制各种不同形状的道次曲线进行旋压实验， 分析道次曲线对旋压成形的影响，提供了一些较为合理的道次成形曲线p 1 1 。西 北工业大学刘建华、李玉强等对多道次拉旋成形机理与旋轮运动轨迹作用进行 了深入研究，并提出了旋轮运动轨迹相对曲率半径的概念【3 2 刁4 1 。 糟 疆 ( a )( b ) ( c ) ( d ) 图1 4 多道次拉旋四种旋轮运动轨迹 多道次拉旋成形中，工艺参数的选取非常关键。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，以降低起皱的趋势。旋轮 进给速度是多道次拉旋中最重要的参数。旋轮进给速度大，工件容易起皱，反 之毛坯受拉使工件壁厚减薄。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。此外还要 考虑到各因素之间的交互作用。前人在筒形件强旋工艺参数对金属流动、旋压 力、壁厚等的影响方面，做了许多有益的工作，并提出了一些工艺参数的优化 6 一 一隆 方法【3 9 4 5 1 。华南理工大学的夏琴香研究了单道次拉旋成形工艺的变形特点【4 6 1 ， 分析了成形工艺参数对拉深旋压力的影响1 4 7 1 。西北工业大学材料科学与工程学 院在工艺参数对拉深旋压的影响方面做了许多深入研究。李玉强等研究了工艺 参数对多道次拉旋应力应变分布的影响规律，对于提高成形件质量和成形极限 具有重要意义，为工艺参数的确定与优化提供了依据【4 引。马飞等基于a b a q u s 平台建立了符合实际的拉旋有限元模型，运动方式采用毛坯被芯模和尾顶压紧， 通过摩擦力作用与芯模同速转动。研究了旋轮进给率、旋轮圆角半径、旋轮入 旋角、板料厚度四个关键参数对拉旋( 第一道次) 成形过程及旋压件质量的影 响【4 引。詹梅等基于a b a q u s 建立了包括回弹与退火的大型复杂薄壁壳体多道 次拉旋全过程的有限元模型，分析了该过程中壁厚的分布与变化及工艺参数对 壁厚的影响规律，为多道次拉旋成形工艺参数的确定和优化设计提供了理论依 据【50 1 。 1 3 3 皮带轮旋压成形技术的研究现状 皮带轮是一种重要的机械传动零件，它广泛应用于各种机械设备的传动中。 皮带轮的传统制造工艺是采用铸造的方法制成毛坯，再经切削加工制成。传统 制造工艺的缺点是浪费材料、生产率低、产品精度低，所生产的皮带轮因精度 低，需要进行平衡处理。为了克服传统工艺的缺点并实现皮带轮轻量化，近3 0 年来世界各国均致力于皮带轮新生产方法的研究开发1 5 卜5 2 1 ，其中旋压皮带轮成 形是目前最流行的一种成形工艺。 在皮带轮旋压工艺上已取得了折叠式带轮、劈开式带轮和多楔式带轮一系 列科研成果，在理论与实践方面解决了旋压成形中的各种技术难题，并成功用 于生产1 5 引。北航现代技术研究所自1 9 9 4 年开始推出专用带轮旋压设备，技术 达到国际先进水平。在旋压皮带轮的工艺研究方面，涉及折叠轮和劈开轮的比 较多，多楔轮成形工艺研究尚未见报道。雷娜等分析了折叠式皮带轮旋压成形 原理，简单介绍了折叠式皮带轮的工艺流程及工艺设计中应注意的几个问题 垆引。欧阳瑞丽通过折叠式皮带轮旋压成形过程的金属流动和受力情况的分析及 大量的工艺试验，总结出预成形轮的各种设计参数是合理的，有一定的通用性 p 5 。肖海波介绍了一种折叠式皮带轮的旋压工艺，分析了成形原理，提出了模 具设计的思路及工作中的控制要求【56 1 。刘金年介绍了采用劈开式旋压工艺将拉 深的毛坯旋压成v 型或者多v 型皮带轮【5 7 1 。陈晓红基于旋压皮带轮成形技术 的研究，在退料力分析基础上，对退料装置的结构进行了改进，并采用了退料 油缸。解决了旋压皮带轮退料难的问题【5 8 1 。国内目前的现状是对于劈开轮和折 叠轮，许多厂家的生产技术已经成熟，而多楔轮的生产技术还未完全成熟。采 用国产多楔轮易发生带轮拉伤断裂现象，其原因是齿形尖锐、槽型尺寸精度不 够及带轮强度不高等，故目前基本还是采用进口多楔轮【5 9 1 。 7 1 4 有限元模拟技术在旋压方面的应用 旋压成形过程是一个复杂的弹塑性大变形过程，既有材料非线性，又有几 何非线性，再加上复杂的边界接触条件的非线性，这些因素使得旋压成形机理 非常复杂，难以用准确的数学关系式来进行描述1 6 0 1 。有限元法是随计算机技术 的应用而发展起来的一种有效的数值计算方法，适用于分析多种材料模型，多 种结构形状以及复杂边界条件的塑性成形工艺。近年来，数值模拟方法在旋压 工艺方面的研究也日益增多，并在分析旋压成形过程的变形机理、受力以及合 理地选取工艺参数等方面都取得了很大的进展【6 卜6 2 l 。 有限元法在旋压技术中大多用于研究强旋问题，用于普旋加工方面的则比 较少。西北工业大学在多道次普通旋压有限元模拟方面做了许多有益的工作。 杜坤，李玉强采用四节点四边形轴对称单元实现了计算模型的离散化，有效处 理了旋轮加载和边界约束等条件，建立了多道次拉旋弹塑性有限元模型，采用 能量法推导出了起皱临界压应力计算公式，为多道次拉旋稳定成形过程的数值 模拟提供了依据。运动方式将旋轮沿坯料周向瞬时连续加载看作周向同时加载， 并且坯料几何形状沿中心轴对称【6 3 - 6 4 1 。刘建华根据多道次拉旋特点，系统深入 地研究了多道次拉旋弹塑性有限元模拟中的连续加载、材料强化以及边界条件 处理与网格重新划分等关键技术问题，并进行了有效处理。基于弹塑性有限元 基本原理，自主开发了多道次拉旋有限元数值模拟系统m p c s 6 5 j 。马飞基于 a b a q u s 平台建立了符合实际的多道次拉旋三维有限元模型，不仅考虑了成形 过程中材料强化、动态边界和局部加卸载等问题，同时考虑了摩擦问题，经试 验验证，该模型是可靠的【6 6 1 。马明娟基于a b a q u s 平台建立了包含回弹和退 火工序的符合实际并兼顾计算精度和效率的大型复杂薄壁壳体多道次拉旋三维 有限元模型，解决了建模中涉及到的关键问题，并验证了模型可靠性1 6 7 】。 钣制旋压皮带轮在成形过程中，毛坯变形极大，现有的有限元软件受网格 数量的限制，无法很好地表现毛坯的变形，并且网格在成形过程中不断减小， 在显式算法中会导致最小时间步长不断减小，最终导致c p u 计算时间无法接 受，因此关于旋压皮带轮成形过程有限元模拟的研究尚未见报道，仅有对皮带 轮疲劳强度的静力学分析【6 3 1 。 1 5 课题来源及研究内容 1 5 1 课题来源 本课题来源于科技部中小企业技术创新基金一一旋压皮带轮关键技术研究 ( 项目号：0 7 c 2 6 2 13 4 0 0 51 4 ) 。以芜湖众发旋压科技有限公司两大系列产品， 多道次拉深旋压筒形件( 卧式旋压机产品) 和旋压皮带轮( 立式旋压机产品) 为研究对象，紧密结合实际生产情况。就公司目前情况来说，卧机产品的芯模 和旋轮比较简单，且通用性好，难点在于工艺参数的调试。而立机产品的调试 8 过程不是很复杂，难点在于工艺的制定和旋轮的设计。 课题研究目标为，通过建立符合实际的旋压有限元模型，对多道次拉旋的 工艺参数进行优化，避免筒形件生产中常见的拉裂缺陷。对目前较难成形的多 楔式皮带轮进行工艺改进，提出新的工艺方案，并重新设计旋轮，从而保证工 件侧壁厚度、降低成形载荷、延长旋轮使用寿命和改善金属充填性。 1 5 2 研究内容 ( 1 ) 采用通用有限元软件建立能实现毛坯自转的更符合实际生产过程的多 道次拉深旋压有限元模型，并对建模过程中涉及到的一些关键技术进行处理。 ( 2 ) 通过在d s 3 5 0 卧式数控旋压机上进行多道次拉深旋压试验，对比减 薄率的试验值和模拟值，验证所建立有限元模型的可靠性。 ( 3 ) 对多道次拉深旋压的工艺参数进行优化，最大限度地降低减薄率，保 证产品尺寸精度，避免拉裂缺陷。 ( 4 ) 分析旋压皮带轮工艺，针对目前实际生产较难成形的多楔式皮带轮工 艺进行改进，基于科学的理论与方法提出一种新的多楔式皮带