（材料加工工程专业论文）磁电机轴套摆辗成形有限元模拟研究.pdf

武汉理j ：大学硕十学位论文 中文摘要 摆动辗压是一种局部加压连续塑性成形技术。磁电机轴套摆动辗压精密成 形工艺是一种先进的轴套加工技术，具有材料利用率高、生产率高、生产成本 低、轴套机械性能好和使用寿命高、成形尺寸精度高等诸多优点。在轴套加工 领域有着广泛的应用。 本文在研究磁电机轴套摆动辗压工艺的基础上，利用有限元法分析了轴套 成形过程中金属的填充规律，阐述了磁电机轴套摆动辗压成形特点，重点研究 了三种毛坯形状对磁电机轴套成形质量的影响，并分析了毛坯最优形状尺寸设 计。 根据轴套零件及摆辗模具原型，利用三维造型软件u g 对零件及模具进行造 型，得到磁电机轴套摆动辗压成形的模具及零件模型，为成形工艺有限元模拟 分析提供了依据。 基于d e f o r m 一3 d 有限元模拟软件，应用三维刚塑性有限元算法对磁电机 轴套摆动辗压成形过程进行了模拟分析，得出三种毛坯金属的流动状态、等效 应力应变分布规律，轴套成形过程，由模拟结果分析出最有利于其成形的毛坯。 并对毛坯尺寸进行优化。 结合轴套成形规律，参照磁电机轴套摆辗成形生产经验，通过改变磁电机 轴套摆动辗压的工艺参数的有限元模拟，分析探讨了下模进给量、摩擦系数和 摆头倾角的改变量对摆辗成形的影响程度，获得了模具在不同工艺参数下的摆 辗力对比曲线，直观而又深刻地揭示了摆动辗压工艺参数对摆辗成形的影响程 度。 针对轴套摆辗机实际生产中产生的缺陷，进行了分析，找出了缺陷产生的 原因，并提出了相应的防止措施。 关键词：磁电机轴套；摆动辗压成形；有限元模拟 武汉理t 大学硕士学位论文 a b s t r a c t r o t a r yr o l li san e wt e c h n o l o g yt h a ta p p l i e di np a r t l yp r e s s w o r ks u c c e s s i o n p l a s t i c i t yf o r m i n g t h ec o l dr o t a r yf o r g i n gu s e di nf l a n g e ds l e e v ei sa na d v a n c e d t e c h n i q u ew h i c hu s e di nf l a n g e ds l e e v ep r o c e s s i n g i th a sag o o dm a n ym e r i t s ，s u c ha s l l i g hm a t e r i a lu t i l i z a t i o n ，h i g hp r o d u c t i v i t y ，l o wm a n u f a c t u r i n gc o s t ，h i g hm e c h a n i c a l p r o p e r t y ，h i g hs e r v i c el i f e a n dh i 曲f o r m i n gd i m e n s i o n a la c c u r a c ye t c i tw i d e l y a p p l i e di nf l a n g e ds l e e v ep r o c e s s i n g t h i st h e s i sb a s e do nt h er e s e a r c ho ft h er o t a r yf o r g i n gi nf l a n g e ds l e e v e f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i si s e m p l o y e dt or e s e a r c h t h ep r o c e s so fc o o lr o t a r yf o r g i n gi n d i f f e r e n t i a lf l a n g e ds l e e v e t h es t a t u s e so fs t r a i na n ds t r e s s ，m e t a lf l o wr u l ea n d f o r c e t i m ec u r v ea r eo b t a i n e da n dr e v e a lt h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c a n d i m p o r t a n t l y , t h ei n f l u e n c eo f b l a n k so nf l a n g e ds l e e v ew a so b t a i n e d t h ef l a n g e ds l e e v e sr o t a r yr o l lm o d e lh a sb e e nc r e a t e di nt h r e e - d i m e n s i o n a l m o l d i n gs o f t w a r eu gb a s e do ni t sp r o t o t y p e t h em o d e l sw h i c hw i l lb eu s e di n d e f o r m - 3 dh a v eb e e ng o t t e n ，t h e y r et h ef o u n d a t i o no ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si n f l a n g e ds l e e v e sr o t a r yr o l l t h es t a t u s e so fs t r a i na n ds t r e s s ，m e t a lf l o wr u l eh a v eb e e ng o t t e nb a s e do nt h e t h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o ns o f t w a r ed e f o r m - 3 db yt h eu s eo fr i g i dp l a s t i c i t y f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s a n dt h ed e f o r m a t i o nr u l e r sh a v e b e e ng o t t e n t h ei d e a lb l a n k h a v eb e e ng o t t e nb ys i m u l a t i o n ，a n dt h ei d e a ls i z eo fb l a n kh a db e e nd e s i g n e d t h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nm e t h o di se m p l o y e dt oc h a n g et h ep r o c e s s i n g p a r a m e t e ro fr o t a r yr o l l t h ee f f e c to ff e e dr a t eo fc a v i t yd i e ，f r i c t i o nf a c t o ra n d i n c l i n a t i o no fr o t a r yh e a do nd i es t r e s sh a v eb e e na n a l y z e da n dd i s c u s s e db a s e do nt h e m a n u f a c t u r ee x p e r i e n c e sa n df i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s f o r c ec o n t r a s t i v ec u r v ei n d i f f e r e n tp r o c e s s i n gp a r a m e t e rh a v eb e e ng o t t e n t h e yr e v e a lt h ec o n c r e t i o ni n c i d e n c e o ft h er o t a r yf o r g i n gp r o c e s s i n gp a r a m e t e r t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec a u s e so fd e f e c t si nf o r g i n g sa n dp r e s e n t sp r e v e n t i v e m e a s u r e s k e yw o r d s ：f l a n g e ds l e e v e ；r o t a r yr o l l ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其 它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 做的任何贡献均已论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：季丝筮日期：婵丝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有 权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：拦2 兰二少 武汉理工人学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 磁电机是汽油机点火系统中的点火电源。在采用轴套为连接结构的磁电机 转子中【1 1 ，轴套是构成磁电机转子的主要部件，轴套的加工精度将直接影响磁电 机转子的品质。因此，轴套加工工艺的先进与否，一方面影响着磁电机转子的 产品品质；另一方面又决定着磁电机转子的生产效率，影响着产品的成本构成。 而如何在确保产品品质的基础上，改进产品的加工工艺，降低产品的生产成本 也就成了磁电机轴套生产中的重要课题。 ，1 1 1 传统轴套, h i 方法 传统的轴套加工方法主要是镦挤成形工艺。在镦挤成形工艺中，车加工工 艺占有很大的比重。通常采用的加工工艺包括【2 】：下料、锻坯、热处理、粗车加 工、半精车加工、精车加工、拉键等主要工序。其中仅车加工就需要5 道工序， 工序非常繁杂。由于工艺水平比较低，需要重复地装央工件，增加了周转，而 造成生产效率低下，制约了产量的提高。在传统加工工艺中，毛坯的材料利用 率较低，质量为4 6 0 9 的毛坯，经加工后，成品质量为1 6 0 9 。另外，由于工艺本 身所采用的工装专用性差，强度不够，容易造成精加工中工件夹持不牢而影响 加工精度。 由上可知，传统的加工方法，其基本原理都是采用切削手段，去除多余金 属，以得到满足精度要求的产品。采用这些常规工艺，不仅材料利用率低而且 工序较多，占用了大量的人力、设备。从而造成轴套零件的生产成本较高，经 济效益差。 1 1 2 轴套精密锻造 近年来应用塑性成型工艺来取代传统的机械切削加工方法【3 1 ，已经越来越被 武汉理工人学硕十学位论文 受到重视。精密成形工艺克服了切削加工工艺中的材料利用率低、生产率低， 尤其是由于切断了金属流线而造成的强度低的种种缺点，以其高效率、高精度 而成为加工领域变革的主要方法之一。 精密成形工艺作为一种先进制造技术【4 】，是在传统模锻工艺的基础上逐步发 展起来的。精密成形工艺目前被普遍接受的定义 5 】是“至少锻件的部分表面的尺 寸精度和形状精度达到可直接用于装配或仅需磨削加工即可装配的程度”。采用 精密成形技术生产轴套件，不仅具有节材、节能、减少机加工工序与工时、成 本低、效率高等显著优势，而且可大幅度提高产品内在与外观质量。但是精密 模锻工艺也存在一些问题，如工序多，热锻、温锻时的加热温度要严格控制， 锻件上氧化皮不能太多等，且精锻工艺并不适合于小批量生产【6 】。 通过生产比较得知，在采用摆动辗压这种精密成形工艺代替传统加工方法 后，减少了多步车加工工序；同时，材料利用率也提高了近2 0 。在保证或提 高原来加工精度和表面粗糙度的情况下，较旧的加工工艺提高工效1 0 倍以上。 可见，采用冷摆辗成形工艺来精密成形磁电机轴套，不仅能节省金属材料，降 低生产成本；还能减少生产时间，提高工作效率。冷摆辗成形工艺来精密成形 轴套既可以避免热锻时加热所带来的种种缺点，也克服了普通冷锻时变形抗力 过大，模具寿命低等缺点。而且采用冷摆辗成形，省去了加热设备以及有关的 能量消耗【7 】；又由于摆辗件金属纤维的合理分布，以及摆辗过程中的加工强化， 大大提高了成品零件的机械性能，其加工精度、表面光洁度也能够大大提高。 所以，冷摆辗精密成形工艺在轴套类零件的加工领域有着广阔的应用前景。 1 2 摆辗成形工艺 1 2 1 摆辗成形工艺简介 摆动辗压，简称摆辗，也称轴向轧制。最早出现在2 0 世纪3 0 年代，直到 7 0 年代初期波兰人马尔辛尼克研制出四轨迹冷成形摆动辗压机后 8 】，才真正作 为一种工艺技术转入生产应用。 图1 1 为摆动辗压原理图，摆动辗压工艺具有如下特点： ( 1 ) 摆辗模具有两部分：上模( 即摆头) 和下模。摆动辗压与其它形式的 压力加工方法( 一般锻造、冲压、挤压、拉拔、轧制、旋压、斜轧，辊锻、楔 2 武汉理t 大学硕十学位论文 横轧、旋转锻造、轧环等等) 相比，其模具之间相对运动的状况要复杂的多。 上模的运动可以分解为：绕自身轴线的转动+ 轴线绕设备主轴的摆动；下模作 沿设备主轴向上的进给运动【9 】。( 2 ) 摆辗成形过程中，摆头与坯料之间始终局部 接触。如图1 1 所示，摆头中心线o z 与机器主轴中心线o m 相交成7 角，此 角称摆角。当主轴旋转时，o z 绕o m 旋转，于是上模便产生了摆动。与此同时， 下模在油缸作用下上升，并对毛坯施压，这样上模母线就在毛坯上连续不断地 滚动，最后达到整体成形地目的。相当于锥体沿母线在工件上滚动+ 滑动，接触 面偏向一旁，即机床承受周期变形偏心载荷。摆头与坯料之间的接触面积是整 体投影面积的1 n ( n = 5 1 0 ) 倍，变形力仅为原来的1 n t l u j 。 ( 3 ) 与传统的塑性加工方法相比，摆辗加工的运动轨迹多样，有圆、直线、 螺旋线、菊花线( 即叶瓣不交叉的多叶玫瑰线) ，多叶玫瑰线( 叶瓣交叉的多叶 玫瑰线) 等l l l ，1 2 j 。不同的轨迹适用于不同特征的零件。 ( 4 ) 摆辗工艺主要适用于成形轴对称零件。 触区加压区) 图l 一1 摆辗原理示意图 摆辗加工具有如下特点： ( 1 ) 省力。首先，由于锻压时变形力的大小是由平均单位压力和接触面积 之积来确定的，而摆辗加工是连续局部变形的过程，接触面积仅为常规锻造接 触面积的1 n ；同时，模具与工件之间的相对运动有滚动，摩擦系数小，降低了 塑性流动阻力；再者，接触面积小，则塑性区相对厚度大，应力状态系数小， 武汉理下大学硕士学位论文 变形抗力小。综上所述，摆辗变形抗力仅为常规锻造变形抗力的1 5 - - - - 1 2 0 t 1 3 】。 ( 2 ) 精度高。摆动辗压能够使锻件毛坯变形均匀，金属纤维流动合理，加 上摆辗过程中的加工强化，大大提高了成品零件机械强度，且加工精度和表面 质量亦大大改善，一般机械零件冷摆辗成形精度可在0 0 3 - - - 0 1 m m ，热成形精度 o 1 - - 0 5 m m ，成形后表面粗糙度可达r a 0 0 8 r a 0 2 ，可用于少无切削加工，节 约金属材料。 ( 3 ) 可加工外形复杂的零件，尤其适合一般锻造方法难以加工的局部很薄 的锻件，例如仅有o 5 m m 厚的带杆法兰盘。 ( 4 ) 采用冷摆辗成形，还省去加热设备及有关的能源消耗。 ( 5 ) 工作时无冲击，振动和噪声小易于创造良好的工作条件，无环境污染。 ( 6 ) 可以单机生产也可组线生产，易实现生产过程的机械化和自动化。 由于摆辗工艺具有上述优点，使其在精密成形领域具有独特的优势。我国 在摆辗工艺的理论研究和生产实践方面起步较早，并且取得了许多成果【l4 1 。 1 2 2 摆辗成形工艺的研究情况 目前，世界上生产摆辗机的国家有：同本、德国、瑞士、波兰等。近年来， 这些国家生产厂家都是在原有机型生产的基础上新设计了不同规格摆辗机，使 摆辗机成系列化生产。这些摆辗机特点是自动化和标准化程度高、精度高、微 机控制、操作方便。不但供给国内厂家使用，而且加速向国外推销，并向大型 化和多样化发展，有的厂家还试制在普通液压机上的摆辗机。德国热摆辗机的 辗压力可达1 25 0 0 k n ，其辗压工件直径达16 0 0 m m ，日本森铁工株式会社已具 备生产1 00 0 0 k n 冷摆辗机的能力【l5 1 。日本不但有波兰、瑞士、美国的机型，而 且自己还创造了如日本住友的倾斜回转模压床等不同的摆辗机型，还生产了不 少摆辗铆接机。同本不但热衷于热摆辗机，同时非常重视发展冷摆辗机。不但 重视摆辗工艺和设备理论研究，而且还注重用摆辗机开发新产品。近年来用摆 辗机造火车轮就是一例【j 刮。 近年来我国对摆辗的研究有了较大的发展【1 7 】。据全国第五届摆辗学术会议 统计，我国已拥有5 6 台摆辗机用于锻件生产。到目前为止，我国己能采用摆辗 工艺生产汽车后半轴、大直径薄壁圆盘法兰、铜锣、扬声器导磁体、端面齿轮、 各种齿轮坯及各种薄壁圆盘类、饼类锻件等。汽车用行星伞齿轮、后桥被动齿 4 武汉理t 大学硕十学位论文 轮、半轴伞齿轮和钢质同步器环等锻件的冷摆辗生产，尚处于试制阶段。另外， 摆辗铆装技术的发展给摆辗技术提供了新的应用领域，目前全国已有几百台摆 辗铆接机j 下常运行。 随着机械制造业的发展，人们对摆辗技术的认识在逐步提高，摆辗工艺的 应用范围将不断扩大，摆辗己成为塑性加工发展的主要方向之一。为使这种节 材、节能、节约投资、改善环境又节约人力、实现少无切削加工的工艺在制造 业中普及而发挥其应有的作用，必须对现有的摆辗机的不足之处进行改进，使 之适应生产实际的需要。 目前，关于摆动辗压的研究，英国、日本、中国、前苏联和波兰等都做了 许多工作 1 8 - 2 0 】，主要集中于力能参数的计算和验证、接触区域表面压力分布的 测试等；主要采取的方法有网格法、电测法和密栅云纹法等，得出了接触面积率 【2 1 2 2 1 、摆辗力和摆头扭矩等力能参数的解析式及经验公式以及接触区域表面压力 的分布规律等1 2 3 1 。但是，由于研究者各自采用的实验方法和手段以及实验条件 的不同，得出的结果也不尽一致。同时，摆辗过程中的许多问题，比如是否像 轧制一样存在着前后滑区【2 4 】、接触区域变形金属的流动规律如何、剪切变形是 如何发生的以及受哪些因素的影响等等，尚很少有人进行全面的系统的分析和 研究，这主要是由于摆辗变形的复杂性，许多实验手段和分析方法难以达到要 求 2 5 1 。 1 3 塑性加工的数值分析法 1 3 1 塑性加工分析方法简介 金属塑性成形过程是一个复杂的变形过程，材料的特性、变形速度、温度、 摩擦条件、坯料形状和尺寸、模具的形状等因素对成形过程都有一定的影响。 这些因素及其作用就是塑性成形研究的主要对象。金属塑性成形过程的主要任 务是结合金属材料的特性，分析和研究塑性成形过程中的应力应变的分布情况 以及不同的因素对成形过程的影响。例如通过研究坯料形状和尺寸、模具入口 处的形状和尺寸对成形过程的影响，进而得到金属塑性成形的规律。从而为解 决塑性加工过程中出现的各种实际问题，制定最佳的工艺参数，高效低耗地实 现成形过程，获得优质的产品而提供科学的依据。 5 武汉理j 二犬学硕+ 学位论文 塑性加工工艺模拟时采用的分析方法大致分为三类f 2 6 】：( 1 ) 解析法，包括 主应力法( 切块法) 、滑移线法和上限法，它们都属于塑性力学中的经典解法； ( 2 ) 实验解析法，即实验与解析的综合方法，有相似理论法和视塑性法；( 3 ) 数值法，它是随着计算机的发展和应用而产生的，包括有限元法、有限差分法 和边界元法，其中有限元法是一种广泛使用的方法。 1 、主应力法 主应力法的基本要点是：根据金属的流动方向，沿变形体整个截面切取基 元体，假定切面上的正应力为主应力，由此建立该基元体平衡方程，联立塑性 条件进行求解。在列出该基元体的塑性条件时，通常假定接触面上的正应力为 主应力，即忽略摩擦应力的影响，从而使塑性条件简化。主应力法实质是通过 一些假设，将偏微分形式的应力平衡方程简化成常微分方程，将非线性关系的 屈服条件简化为线性关系，因而数学运算简单。但这些假设从变形方面来看， 实际上是均匀变形假设，所以它只能确定接触面上的应力大小和分布，而内部 应力场、应变场均无法给出。其计算结果的准确性和所做假设与实际情况的接 近程度有关。 2 、滑移线法 由于最大剪应力成对正交，因而在变形体内滑移线形成两族相互正交的网 格，即滑移线场。滑移线法就是针对滑移线场某些特性求解塑性加工问题，如 确定变形体内的应力分布、计算变形力、分析变形和决定毛坯的合理外形、尺 寸等。滑移线法对于理想刚塑性体的平面应变问题的求解是精确的，它能近似 处理轴对称问题，但无法解决诸如温度、材料性能等参量的不均匀问题。对于 加工硬化、速率敏感性问题，虽已开始考虑，但用滑移线法来解决是相当困难 的。 3 、上限法 2 0 世纪5 0 年代，英国学者约翰逊( j o h n s o n ) 和同本学者工藤英明等人， 根据理想刚塑性材料的极值原理提出了一个较滑移线法简单的求极限载荷的方 法，称之为上限法。上限法的优点是不仅适用于平面应变，也适用于轴对称和 三维问题，同时不用解复杂的平衡方程，数学运算比较简单【2 7 2 8 1 ，加之上限解在 工程上来说比较安全，因而其研究应用较多。但是，上限法的应用是建立在对 变形体提出合适的运动许可速度模式的基础上的，因此，在很多情况下还要借 助实验建立运动许可速度场，方能进行正确计算。另外，上限法不能计算出变 6 武汉理t 大学硕士学位论文 形体内部的应力分布规律。 4 、相似理论法和视塑性法 金属塑性加工的实验研究是研究金属塑性变形的一个重要方面。除尺寸较 小的工件可以用实物进行试验外，通常还必须选择适当的模型来进行试验，一 般称为模拟试验。利用模型进行试验，条件比较简单，比较容易实现。相似理 论的作用就是告诉人们如何利用简化的方法研究复杂的实际工艺问题。相似理 论是模拟试验的基础，通过三个相似定理，规定了模型与实物之间在几何( 形 状与尺寸) 、物理( 化学成分、微观组织、温度、等效应变等等) 和接触摩擦系 数等三个方面的相似条件，按这样设计的模型进行的模拟试验，其试验结果可 以应用到实际工件上去。 视塑性法则是一种实验与理论计算相结合的方法，可以用来确定变形体内 的应力、应变和应变速率的大小和分布。首先通过实验建立变形体内的位移场 和速度场，然后借助塑性理论的基本方程，算出各点的应力、应变和应变速率。 这种方法特别适用于稳定流动过程，对于挤压、拉拔等工艺获得较好的应用。 5 、数值分析法 数值分析法是以现代电子计算机为工具，用现代数值方法求解塑性加工问 题的方法，典型的有有限差分法、边界元法和有限元法。边界元法是一种继有 限元发之后发展起来的一种新的数值方法，与有限元法不同，边界元法仅在定 义域的边界划分单元用满足控制方程的函数去逼近边界条件，所以边界元法与 有限元法相比具有单元和未知数少、数据控制准备简单等优点，但边界有限元 法解非线性问题时，遇到同非线性项相对应的区域积分，积分奇异点处强烈的 奇异性，使求解遇到困难。有限差分法和边界元法在塑性问题中应用还比较少。 有限元法的基本前提是：将有限连续求解域离散为一组有限个单元的组合 体，这样的组合体能近似地模拟或逼近求解区域。有限元法可以模拟形状复杂 的求解域，该方法的一重要步骤是利用在每一单元内假设的近似函数来表示全 求解域上代求未知场函数。单元内的近似函数通常由未知场函数在单元各个节 点上的数值以及插值函数表达。这样一来，一个问题的有限元法中，未知场函 数的节点值就成为新的未知量，从而使一个连续的无限自由度问题变为离散的 有限自由度问题。求解出这些未知量，就可以利用插值函数确定单元组合体上 的场函数。显然，随着单元数目的增加，亦即单元尺寸的缩小，解的近似程度 将不断改进，如果单元是满足收敛性要求的，其近似解最后将收敛于精确解。 7 武汉理t 大学硕十学位论文 1 3 2 模拟加工工艺的分析模型 塑性加工工艺是一个复杂的系统问题，简而言之，工艺分析的目的就是实 现工艺过程和工艺参数的优化。当然，这种优化取决于对塑性加工工艺本身的 了解程度以及各工艺参数对给定目标的影响情况，而工艺模拟研究分析则是实 现这一目标的关键手段。 图1 1 表示塑性加工工艺模拟分析的一般框图。它由三个部分组成：第一， 工艺模型的建立，它包括变形毛坯及产品、模具、材料、工艺参数等方面信息； 第二，工艺模拟分析，它是分析模型的核心部分，它完成分析工艺的各种力能 参数、变量的结果数据，为最终的结果分析提供依据；第三，模拟结果的解释 与评价，如工艺参数优化、产品几何尺寸控制、微观组织预报等等，这部分工 作可能涉及到产品的技术要求、工艺流程以及利用大量实验所确定的某一评价 模型，如产品表面裂纹的生成模型。 图l _ 2 塑性加工工艺模拟的典型框图 8 武汉理工人学硕+ 学位论文 1 4 选题的背景和意义 轴套是磁电机转子的主要部件，轴套加工工艺的先进与否，一方面影响着 磁电机转子的产品品质；另一方面，决定着磁电机转子的生产效率和成本构成。 如何改进轴套加工工艺，减化加工工序，在确保品质的基础上，降低成本是磁 电机转子生产中的重要工艺课题。摆动辗压工艺及技术是一项发展起来还不到 四十年的特种成形工艺，在国内的应用并不是很广泛。由于摆辗成形是通过连 续的局部反复的挤压已达到整体成形的目的，所以它的金属流动规律要比单纯 的锻压复杂的多。由于摆动辗压变形的复杂性和研究的难度，人们对其变形机 理还没有形成规律性的认识，通过对磁电机轴套摆辗成形的研究，可丰富摆辗 工艺理论，同时，对该零件的实际生产以及同类型零件的实际生产具有直接的 指导意义，它可有效地减少实际试验、工装模具次数，有效地降低生产成本， 提高生产效率。本文所研究的轴套形状如图1 3 所示。 图1 3 磁电机轴套零件图 9 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 主要研究内容和目标 研究目的： 通过改变磁电机轴套坯料的各个参数，利用有限元法，借助计算机和模拟 分析软件对磁电机轴套摆辗成形过程进行有限元模拟，了解了毛坯形状与尺寸、 摆辗进给速度、摆辗角、摩擦系数等工艺参数对金属填充过程的影响。借助相 关生产实践，找出毛坯形状尺寸参数以及相关工艺参数的影响规律。 研究内容： 1 利用三维c a d 软件，初步建立模具和坯料的实体模型。 2 针对摆辗件形状，不同的工艺参数等几种生产方案，从理论上分析各种 坯料形状及工艺方案的优、缺点，探索摆辗过程中金属的流动规律。 3 研究摆辗角、摆辗时间和摩擦系数等不同工艺参数对磁电机轴套摆辗成 形的影响，结合现有方案，分析出最佳工艺参数，以减少生产缺陷。 拟解决的关键问题： 揭示出磁电机轴套在摆辗成形过程中的金属流动规律，成形力变化规律和 摆辗参数的影响，找出最优毛坯形状尺寸参数以及合适的生产工艺参数。 1 6 本章小结 本章概述了现行的磁电机轴套成形的一般方法的利弊，以及磁电机轴套精 密成形的研究现状，阐述了摆动辗压加工的原理、特点及优点，以及摆辗研究 在国内外的研究现状，分析了摆动辗压在磁电机轴套精密成形中的应用，简要 地介绍了数值模拟分析法在塑性加工中的应用。 1 0 武汉理t 大学硕士学位论文 第2 章刚塑性有限元法及模拟软件介绍 2 1 有限元法概述 数值模拟丰富了塑性成形机理的研究手段，使得塑性成形技术向智能化方 向发展，改善了工程师的试验环境，节省了试验费用，缩短了产品研发周期， 使得成形过程可控，它是提高产品质量，改进制造工艺的有效手段，是提高企 业竞争力的有效途径。而有限元法【2 9 】与其它塑性加工模拟方法相比，功能最强、 精度最高、解决问题地范围最广。它可以采用不同形状、不同大小和不同类型 的单元离散任意形状的变形体，适用于任意速度边界条件，可以方便地处理模 具形状、工件与模具之间的摩擦、材料的硬化效应、速度敏感性以及温度等多 种工艺因素对塑性加工过程地影响，能够模拟整个金属成形过程的流动规律， 获得变形过程中任意时刻的力学信息和流动信息，如应力场、速度场、温度场 以及预测缺陷的形成和扩展。 2 1 1 有限元法的研究历程 有限元法在金属塑性加工领域的出现始于2 0 世纪7 0 年代。3 0 多年来， 塑性有限元法发展成为方法种类较为齐全、软件功能丰富、工程应用广泛，其 中刚塑性有限元法尤为显著。有限元法在金属塑性加工中的发展和应用，与计 算原理、计算机软件以及计算机硬件技术密切相关。 1 9 6 7 年，马卡尔( p v m a r c a l ) 和金( i e k i n g ) 开始用有限元法分析二维应 力系统地弹性变形，后来亚马得( k y a m a d e ) 等人推导了小变形弹塑性应力矩 阵，这样就促进了小变形弹塑性有限元法在塑性成形中的应用。2 0 世纪7 0 年代 初李( c h l e e ) 和小林史郎( s k o b a y a s h i ) 对很多成形工艺做了分析，如平砧 压印、布氏硬度实验、镦粗，圆柱侧压和压挤等。同时，艾沃特( 1 w a t a ) 等分 析了静液挤压，永松( a n a g a m a s t u a ) 分析了平面应变压缩。由于小变形弹塑性 有限元法仅适用于分析变形体从弹性状态到塑性状态的初期阶段，随着变形的 增加会出现明显的误差，并且步长小，计算效率较低，因此就限制了其在塑性 成形领域的进一步应用。与此同时，这也推进了大变形弹塑性有限元法的发展。 武汉理t 大学硕十学位论文 大变形有限元法的理论基础研究可以追溯到1 9 5 9 年希尔( h i l l ) 的工作。 1 9 7 0 年，希伯特( h d h i b b i t ) 等人首先采用了以拉格朗同描述法为基础的大变 形弹塑性有限元列式；2 0 世纪7 0 年代中期，麦克米金( r m m c m e e k i n g ) 等建 立了基于欧拉( e u l e r ) 描述法的大变形弹塑性有限元列式。由于这些算法充分 考虑了变形过程中的大变形、大转动对于各种场量计算的影响，因此适用于进 行金属塑性成形模拟的要求，并能够得到更为合理、准确的模拟结果。但是， 由于在数学方面关于大变形几何非线性处理的困难，使得大变形弹塑性有限元 法未能得到更为广泛的应用。 兰格( k l a n g e ) 于1 9 7 1 年在马可夫( m a r k o v ) 变分原理的基础上，把体 积不可压缩条件用拉格朗日乘子法引入到泛函中，通过这种表述建立了刚塑性 有限元公式。1 9 7 3 年，李和小林史郎以矩阵分析法，独立地提出了类似的刚塑 性有限元法。1 9 7 8 年，陈( c c c h e n ) 和小林史郎提出了刚性区的处理方法以 及反正切摩擦力模型，并用于圆环镦粗分析，这一工作为刚塑性有限元法开始 应用于金属成形奠定了重要基础。1 9 7 9 年，监凯维奇( o c z i e n k i e w i c z ) 等提 出了采用罚函数法处理体积不可压缩条件的刚塑性材料的有限元法。1 9 8 2 年， 莫里( k m o r i ) 和坂田( k o s a k a d a ) 提出了刚塑性可压缩条件的有限元法。至 此，刚塑性有限元基本理论和方法已初步形成。由于这种方法通过速度积分避 开了几何非线性，不像弹塑性有限元法那样用应力、应变增量求解，因此计算 时每步的增量步长可以取得较大一些，可以用小变形的计算方法来处理塑性大 变形问题。与大变形弹塑性有限元法相比，其计算模型和求解过程简单、计算 效率高，并且其精度和可靠性都可以满足工程要求，因而迅速发展为体积成形 工艺模拟的主要方法。 1 9 8 1 年帕克( j j p a r k ) 和小林史郎给出了三维刚塑性有限元公式，并进行 平砧压缩的三维刚塑性有限元模拟。与二维或轴对称相比，三维问题变量急增， 限于当时计算机硬件条件，孙捷先和小林史郎于1 9 8 3 年提出拟三维有限元法， 分析了楔形平砧压缩问题。刚塑性可压缩材料是在大矢根守哉等1 9 7 3 年提出的 用于粉末冶金的多孔材料塑性理论基础上发展起来的，这种方法首先由小坂田 宏造1 9 8 3 年所采用。 虽然这一时期塑性有限元的各种理论方法已基本齐备，但限于当时计算机 系统、图形等方面软件技术的限制，有限元法在金属塑性成形中的应用水平还 较低，具有以下特点：( 1 ) 塑性有限元软件刚具雏形，仍是以一般计算程序为 1 2 武汉理上人学硕十学位论文 主，其前后处理功能十分简单，输入、输出采用数据文件格式，计算前的数据 准备和模拟结果的分析都耗时费事；( 2 ) 分析对象通常为平面变形或轴对称等 二维简单工艺问题，并且模具型腔曲面较为简单，可计算的变形量较小；( 3 ) 模拟计算时，有限元网格单元、节点数较少，一般仅有数百个，因而计算精度 较低，往往只能进行成形过程中变形规律的分析和总结。 上述这些特点与当时的计算机硬件与软件技术有关，所用计算机以大型通 用计算机为主，如i b m 系列、c d c 系列等等。大型机以分时方式连接数十个终 端，加之当时大型机内存较少、运算速度较低，故不适于分析复杂问题。此外， 计算机系统、图形等方面软件技术也证在发展，尚未形成体系。 2 1 2 有限元法的分类 根据变形特征，金属塑性成形可以分为体积成形和板料成形工艺。体积成 形中，如锻造、挤压、轧制等，金属材料产生较大塑性变形，弹性变形相对较 少，可忽略不计。而在板料成形中，如冲压、冷轧等，金属材料虽然总的变形 较大，但其中的弹性变形部分所占的比例并非太小，此时必须与塑性变形同时 考虑。正因为如此，形成了两种典型的材料模型，即刚塑性材料模型和弹塑性 材料模型。由于金属材料的弹性与塑性本构关系差别较大，其对应问题的描述 乃至求解都有明显的不同。因此，与之相对应塑性有限元法也分为刚塑性有限 元法和弹塑性有限元法。 刚塑性有限元法不计弹性变形，采用列维一米席斯( l e v y - - m i s e s s ) 方程和 m i s e s s 屈服准则，求解未知量为节点速度。它通过在离散空间对速度的积分来 处理几何非线性，因而解法相对简单，并且求解效率高。由于体积成形中工艺 条件的差异而使金属材料呈现不同特性，典型的有刚塑性硬化材料和刚黏塑性 材料( 即速度敏感材料) 。刚塑性硬化材料对应的有限元法是习惯上称谓的刚塑 性有限元法，它适用于冷、温态体积成形问题。刚黏塑性材料模型对应为刚黏 塑性有限元法，它适用于热念体积成形问题，并且可以进行变形与传热的热力 耦分析。实质上，刚塑性只是刚黏塑性的一个特例。上述方法的主要不足是不 能进行卸载分析，无法得到残余应力、变形及回弹，此外刚性区的应力计算也 有一定的误差。但由于该方法自身的特点，仍然在金属塑性成形中得到了十分 广泛的应用。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 弹塑性有限元法同时同时考虑金属材料的弹性变形和塑性变形，弹性区采 用胡克( h o o k e ) 定律，塑性区采用普朗特一罗伊斯( p r a n d t l - - r e u s s ) 方程和米 席斯( m i s e s s ) 屈服准则，求解未知量是节点位移增量。弹塑性有限元法又分为 小变形弹塑性和大变形弹塑性有限元法，前者采用小变形增量来描述大变形问 题，处理形式简单、但累积误差较大，目前很少采用。后者以大变形( 有限变 形) 理论为基础，采用拉格朗日( l a g r a n g e ) 描述，同时考虑材料的物理非线性 和几何非线性，因而理论关系较为复杂，并且增量步长很小，计算效率低。弹 塑性有限元法既可以分析塑性变形的加载过程，又能分析卸载过程，包括计算 工件变形后内部的残余应力、应变、工件的回弹以及与模具的相互作用。 2 2 刚塑性有限元法的基本理论 本文利用有限元法对磁电机轴套成形过程中的坯料变形情况、金属的流动 规律、应力应变分布规律进行研究。由于轴套的成形属于变形量较大的体积变 形，弹性变形远小于塑性变形。刚塑性有限元法忽略变形过程中的弹性变形， 能够较大地简化计算过程，提高计算效率，求解精度可以满足工程要求3 0 1 。 2 2 1 刚塑性材料的边值问题 塑性变形问题是一个边值问题，可以描述如下：设- - n u 塑性体，体积为y ， 表面积为s ，在表面力p ，作用下整个变形体处于塑性状态，表面积s 分为s p 和s ， 两部分，其中s p 上给定表面力p ，s v 上给定速度u ? 。它由以下塑性方程和边界 条件定义，即 ( 1 ) 平衡微分方程 ( 2 ) 几何方程 ( 3 ) 本构方程 仃盯，=0(2-1) 营f ，= j 1 ( 。，+ u _ ，) 1 4 ( 2 2 ) 武汉理工大学硕士学位论文 3 云 白2 石仃； 式中，歹、手分别为等效应力和等效应变速率。 ( 4 ) 米席斯屈服准则 万= y 式中，y 表示材料的屈服应力。 ( 5 ) 体积不可压缩条件 宅v = 宅口64 = 0 ( 6 ) 边界条件，包括应力边界条件和速度边界条件，表示如下 o n j = p is s p u f = o os s ， 2 2 2 刚塑性材料的变分原理 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 理想刚塑性材料的变分原理也可称为马可夫变分原理( m a r k o vp r i n c i p l e ) ， 其表述如下：对于刚塑性边值问题，在满足变形几何方程式( 2 2 ) 、体积不可 压缩条件式和边界位移速度条件式( 2 - - 7 ) 的一切运动容许速度场d ? 中，使泛 函( 2 - - 8 ) 取驻值( 即一阶变分占丌= o ) 的u ? 为本问题的精确解。 兀= 眵+ d y 一。掣沁( 2 - - 8 ) 对一般的刚塑性材料，运动允许速度场须满足速度边界条件、几何方程和 体积不变条件，把这些限制条件作为约束条件引入总能耗泛函，则可使上述约 束条件在对泛函求变分的过程中得到满足，从而使初始速度场的设定容易得多。 引入约束条件后，变分原理的表述要有相应的变化，统称为广义变分原理。 1 、拉格朗r 乘子法 刚塑性有限元法中，拉格朗同乘子法的数学基础是数学分析中多元函数的 条件极值理论，若求目标函数 = ( u l ，_ 9 2 ，u 一一l ，u 。) 武汉理工大学硕士学位论文 在约束函数 g ，2 9 ，( 0 1 ，d 2 ，d 。) 2 0 ， i2 1 ，2 ，m 的条件下的极值，可构造如下修正函数 f - - - ( u l ，u 2 ，u 疗) + 丑g ，( q ，u 2 ，d 一) ， 并令其一阶偏导数为零，即 婴：0 f - 1 ，2 ，胛 o u f 罢：0 渊，2 ，m a 这里 称为拉格朗日乘子，数值待定。上式共有( m + 以) 个方程，恰好可解出 q ，u ：，d 。和五，以，以共( m + n ) 个未知数。 把上述方法用于马可夫变分原理，即把体积不可压缩条件式( 2 5 ) 用拉 格朗日乘子引入泛函式( 2 8 ) ，构造的新泛函如下 h 1 膨矿+ l 旯屯+ 。p ，如，d s = 0 ( 2 9 ) 同理，对于一切满足几何方程和位移速度边界条件的容许速度场，其精确解使 式( 2 9 ) 取极值，即满足 万兀。= p 瘌矿+ l 五色酷，d 矿+ l 泓磊营d 矿一。p j 8 v , d s = 0 ( 2 1 0 ) 2 、罚函数法 罚函数法的基本思想是用一个足够大的正数口( 如口= 1 0 6 ) 把体积不可压 缩条件引入泛函式( 2 8 ) ，构造出一个新泛函，即 h 2 = 弦y + 詈胁c ，y l 。p ，o , d s = 0 ( 2 1 1 ) 则对于一切满足几何方程和位移速度边界条件的容许速度场，其真实解使式( 2 1 1 ) 取极值，即满足 万兀：= 膨y + a l v g 矿掰矿d y 一。p ，鼬，d s = 0 ( 2 1 2 ) 这里的罚函数源于最优化原理中的罚函数法，具有数值解的特征。其中a 取值应适宜，通常口= 1 0 5 。1 0 7 较好。 当速度场v 1 为真实解时，拉格朗同乘子法与罚函数法的泛函驻值点应相同， 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 即万兀。= j i - i ：，比较( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ，容易得出，罚函数法中静水应力仃。为 o m = a 宅y 。( 2 - - 1 3 ) 2 2 3 三维刚塑性有限元求解列式 四面体常应变单元具有简单，计算速度快，边界适应性强，易于自动划分 且便于由表面向实体内部生成网格等特点，在本文数值模拟中使用。计算精度 通过调整网格疏密来保证。 四面体单元如图2 1 所示，插值函数为线性： 扰j = 口j + 哆x + t 2 3 y + a 4 z 扰y = a 5 + 口6 x + t 2 7 y + 口8 z “：= + t z l o x + 口l l 少+ ( z z 1 2 z 形状函数矩阵： = 【1 ，n 2 ，3 ，4 ，】 ( 2 1 4 ) ( 2 一1 5 ) ，】为三阶单位矩阵。单个形函数n ，n 。为x ，y ，z 坐标的线性函数。采用 等参元时，设自然坐标