曲母线件多道次普旋成形关键参数对成形质量影响分析及其优化.doc

答 辩 日 期 ： 浙江 大学 研 究 生学 位论文独 创 性 声明学 位论文作者签名 ：林 芬傻学 位论文版权使 用 授 权书本 学 位论文作者完全 了 解逝 望盘 堂有权保 留 并 向 国家 有关 部 门 或 机 本 论文的 研 究 工 作是在导 师陆 国栋 教 授 、 王进副 教 授 的 亲切关 怀 和悉 心指导 下 摘要第 三 章，探 讨了 曲母 线件多 道 次 普 旋质量 指标 及 关 键 参 数 影响 。 应用 符合实际 的 有限 元 仿真 模型 ，动态仿真 曲母 线件多 道 次 普 旋过 程 ，分 析 了 等 效应力应变、 壁 厚 精 度 、 贴 模度 等 质量 指标 的 。 通 过 单 因 素 法 ，研 究 了 关 键 工 艺参 数对 于 曲 母 线件多 道 次 普 旋的 壁 厚 及 贴 模度 的 影响 ； 基 于 基 于 变形 量 分 配 ，分 析了 不 同轨 迹 参 数 对 于 旋压 成形 质量 的 影响 ，为 后 续 研 究 提 供 基 础 。第 五章，研 究 了 基 于 变形 量 分 配 的 曲母 线件多 道 次 普 旋轨 迹 参 数 优 化 。 通过 对 道 次 变化 量 的 研 究 ，分 析 了 基 于 变形 量 分 配 的 轨 迹 参 数 对 于 壁 厚 精 度 、 贴 关 键 词： 曲母 线件多 道 次 普 旋成形 质量 工 艺参 数 轨 迹 参 数 甌 琍 目 件成形 的 尺寸 精 度 和形 状精 度 。图 普 旋及 强 力 旋压 示 意 图旋压 技术 在我 国殷 商时代 就已经出 现，但 是历 史 上一直 发展 很 缓 慢 。 直 到二十 世 纪中 叶以后 ，随着 工 业技术 以及 宇 航 事业的 拓 展 ，普 旋工 艺才 开始大规模应用 于 金属 板料成形 领 域 ，进而 促 进了 旋压 工 艺的 科 学 研 究 与 探 讨，以求 满足 不 断 提 高的 工 业需求 。 而 强 力 旋压 是在普 旋的 基 础 上发展 起 来 的 成形 技术 ，经历 了 “开始应用 ”、 “大力 发展 ”和“强 力 旋压 设 备 基 本 完善 和定 型 ”三 个 阶 段 。 随着 科 技水 平 的 不 断 高速 发展 ，特 别 是火 箭 、 导 弹 以及 宇 航 技术 的 迅 猛 发展，旋压 技术已经在诸多 国家 取得惊 人的 发展和广 泛的 应用 】 网 。 旋压 技术研 究 方 法的 方 法 ，获 得了 获 得一定 产品 高度 的 合理 方 程 ，并 指出 了 选择 最优 旋轮进给 速度 和道 次 间距的 方 法 。 理 论解 析 法 常 基 于 某 种 理 论模型 ，如 普 旋理 论模型 常 假定 壁 厚 保 持 不 变，但 是实际 旋压 过 程 中 ，往 往 有所 偏颇 ； 同时，由 于 高度 材 料非 线性 、 几 何 非 线性 以及 复杂的 旋轮与 坯料接触条 件，构 建 合理 的 理 论模型 非常 困 难。进给 速度 、 旋轮角 度 、 旋轮类 型 下的 应力 应变模型 。 随着 有限 元 模拟 技术 和计算 机 软 硬 件技术 的 不 断 发展 和完善 ，在旋压 研 究 中 采 用 数 值模拟 方 法 不 仅 能够获 取 旋压 过 程 中 一些难以直 接测量 的 参 数 ，如 瞬 态应力 、 应变，以解 释 变形 过程 的 基 本 原理 和分 析 产生缺 陷 的 原因 ，还 能够 为 工 艺参 数 进行 的 控 制 和优 化 提供 快速 准 确的 方 法 ，避 免 了 以往 方 法 不 够精 确的 理 论结果 和昂 贵 的 试 验 消 耗。应用 有限 元 数 值模拟 对 旋压 变形 过 程 的 分 析 目 前 大都还处 于 初步 性 试 探 阶段 。 随着 旋压 加 工 优 越 性 的 日 益突 出 ，以及 各 种 价格 昂 贵 的 新 型 难变形 结构 材料应用 的 日 益广 泛，运 用 高精 度 的 数 值模拟 计 算 来 反 映 旋压 的 成形 规 律已经成为 该 领 域 中 迫 切需要 解 决的 重 要 基 础 性 的 研 究 课题； 而 要 精 确地分 析 旋压 变形 旋轮退出 角 、 旋轮圆角 半 径和旋轮直 径等 几 个 关 键 的 旋轮参 敷进行 了 优 化 设 计 ，确定 了 能够 荻得最佳 内筋 成形 质量 的 旋轮参 数 值； 研 究 了 进给 速度 对 于起 皱的 影响 ，结果 表 明 ： 增 大进给 速 度 易 出 现起 皱，送 给 速 度 要 小 于 极 限 才 能避 免 起 皱，切向 压 应力 是起 皱的 主 要 成因 ，同时也对 进给 率对 壁 厚 的 影响 进行了 评 估。 法 在生产超 强 度 轻 质的 壳体 时，由 于 轴向 上的 焊缝这 一固 有的 缺 陷 ，导 致成形质量 难以满 足 要 求 。 随着 国防 事业的 发展 ，其 对 壳体 加 工 提 出 了 更 高的 要 求 ：无 焊缝、 更 广 的 尺寸 适 应。 旋压 技术 很 好地契 合了 两 个 要 求 ，使 之在导 弹 及 火箭 壳体 的 生产制 造 中 占有重 要 的 地位。 图 曲 母 线零 件多 道 次 旋压 示 意 图 分 析 现有研 究 现状，针 对 曲母 线件多 道 次 普 旋，本 文主 要 拟 解 决两 个 方 面关 键 问题：的 曲母 线件多 道 次 普 旋成形 过 程 的 三 维有限 元 仿真 模型 ，并 进行 有效性 验 证分析 。 本 文的 结构 框 架如 图 所 示 。弋 乡曲母 线件多 道 次 普 旋精 确第 六章总 结和展 望本 章阐 述了 本 课题的 研 究 背 景 和意 义，概述了 旋压 技术 研 究 现状，介 绍了 引言意图 。 图 曲 母 线件多 道 次 旋压 坯料应力 、 应交状态 乃 贴 模段 圆心角 缤 表 示 则 有： 占 。 狶 友 图 曲 母 线件多 道 次 旋压 模拟 仿真 过 程旋压 运 动仿真 研 究 中 ，学 者们 常 简化 处 理 成坯料和芯 模静 止 不 动，旋轮公转 形 式进行 模拟 仿真 。 而 本 文采 用 刚性 体 粘 贴 柔 性 体 技术 实现坯料自转 ，实现旋轮在二维平 面内沿 设 定 的 轨 迹 在轴向 和径向 进给 的 方 式进行 模拟 仿真 ，使 模型 运 动更 符合实际 生产情 况 。 这 种 芯 模自转 模型 的 模拟 仿真 方 式消 耗的 计 算 时间明 显 小 于 旋轮公 转 模型 ，且其 贴 模性 与 壁 厚 均 匀性 较旋轮公 转 模型 更 均 匀，偿 ，在仿真 时赋 予旋轮垂 直 于 图 的 中 心轴线进行 自转 。 故质量 放大系数 取值与 沙漏 控制 符合要 求 ，模型 可 视为 一个 可 接受 的 准 静 态解 。图 动能内能比 和沙 漏 能内能比 根 据 第 二章建 立 的 曲母 线件多 道 次 普 旋力 学 模型 ，动态模拟 仿真 曲母 线工件多 道 次 旋压 过 程 ，获 取 相 应时间与 节点变化 信 息 以及 等 效应力 应变值，分 析曲母 线件各 个 状态下的 应力 应变状况 ，探 讨曲 母 线件多 道 次 普 旋的 成形 机 理 ，为 了 更 好的 分 析 各 道 次 结束 后 坯料各 部 分 的 等 效应力 应变变化 情 况 ，根 据图 所 示 ，将坯料在某 道 次 结束 后 ，从 轴向 上分 为 已贴 模区 、 过 渡 区、 未 贴模区 ，已贴 模区 即坯料已初步 成形 ，未 贴 模区 指坯料逐 渐 向 芯 模靠 近 ，但 未 贴模部 分 ，贴 模区 和未 贴 模区 之间的 过 渡 区 域 标 记过 渡 区 。 在各 个 区 域 内，坯料 图 三 道 次 旋压 过 程 第 一道 次 结束 后 等 效应力 剖视图 图 三 道 次 旋压 过 程 各 个 道 次 末等 效应力 云 图 图 曲 母 线零 件多 道 次 普 旋后 等 效应力 变化 趋 势 舅 图 三 道 次 旋压 过 程 各 个 道 次 末等 效应变云 图 取 出 来 ，数 据 处 理 得到 各 道 次 壁 厚 ，如 图 所 示 。气 沁 州 吣美 图 曲 母 线零 件多 道 次 普 旋各 道 次 壁 厚 应变变化 趋 势由 图 可 知 ，随着 旋压 的 进行 ，坯料的 减 薄 率不 断 的 增 大，尤 其 在前 两个 道 次 ，未 贴 模区 的 壁 厚 减 薄 每 次 非 常 明 显 ，而 已贴 模区 的 壁 厚 基 本 减 薄 后 基本 不 变，这 是由 于 前 两 道 次 对 坯料变化 量 较大，最后 以个 道 次 变化 量 较小 ； 壁厚 减 薄 极 大区 域 随着 道 次 的 推 进，不 断 地向 坯料边 缘 方 向 移 动，并 最终 停留 在径向 值为 曲母 线零 件多 道 次 旋压 过 程 复杂，在成形 过 程 中 会 极 易 产生“反 挤”或 者“不图 曲 母 线件旋压 后 反 挤和不 贴 模缺 陷贴 模度 是衡 量 坯料与 芯 模外 表 面贴 合程 度 的 一种 指标 ，它 能反 映 坯料旋压 图 贴 模间隙 几 何 示 意 图图 三 道 次 各 道 次 末贴 模间隙 轴向 变化 图 基 于 单 因素 法 的 关 键 工 艺参 数 模拟分 析 方 案设 计由 单 因 素 分 析 法 可 知 ，为 了 使 方 案具 有可 靠 性 和说服力 ，研 究 单 一工 艺参数 对 曲母 线件多 道 次 旋压 成形 影响 时，其 他 工 艺参 数 要 保 持 不 变； 通 过 考 察 各个 工 艺参 数 对 旋压 质量 的 影响 ，本 章主 要 研 究 三 个 关 键 工 艺参 数 ：旋轮进给 率、主 轴转 速 和旋轮圆角 半 径。 轨 迹 参 数 将在后 续 章节继 续 研 究 。 其 具 体 参 数 如 表 所 示 ，其 余 参 数 取值仍 按照 表 。 旋轮轨 迹 参 数 选择 等 轴向 量 的 贴 模表 旋轮给 进率的 参 数 设 置表 旋轮圆角 半 径的 参 数 设 置 旋轮进给 率对 曲母 线件多 道 次 普 旋成形 质量 影响由 图 可 知 ，在旋轮进给 率为 由 图 所 示 ，随着 旋轮给 进率的 不 断 增 大，壁 厚 最大减 薄 先 减小后 增 大，在旋轮进给 率为 时，贴 模贴 模间隙 ，当 主 轴转 速对 曲母 线件多 道 次 普 旋成形 质量 影响 响 。 由 图 可 知 ，由 图 可 知 ，在旋轮圆角 半 径为 等 效应变最小 ，且变化 最为 平 缓 。 等 旋压 成形 质量 的 影响 。一一、遂基鼙善由 图 ，当 表 关 键 工 艺参 数 对 旋压 质量 影响 汇 总 表壁 厚 分 布贴 模度等 效应力 、 应变 “：逃数 ，如 图 数 如 图 ，；配 方 式 轨 迹 参 数 对 曲母 线件多 道 次 普 旋成形 质量 影响嬲茗 抽 粒： 三 道 次 等 弧 长 量 应变云 图 优 化 设 计格 水 准 。 岣 卟 分 柿 康娜 紊 杓 品 珼 指的 是以概率论和数 理 统 计 。 即：比 可 以表 示 为 ：计 算 机 技术 和数 值计 算 方 法 的 快速 发展 ，为 旋压 的 数 值模拟 分 析 提 供 了 可能。 同样，设 计 者需要 在可 变范 围 内选出 能够 使 产品 质量 最优 的 参 数 组 合，需要反 复进行 参 数 筛 选与 测试 。 但 是在设 计 中 ，每 一次 较小 的 参 数 修正都需要 重 新 设计 与 模拟 计 算 ，尤 其 对 于 参 数 数 目 的 增 多 ，其 耗费 大量 的 计 算 资 源。 因 此，要 获得满 足 条 件的 最优 参 数 组 合就显 得愈加 困 难。 稳 健 设 计 是一种 赋 予产品 稳 定 性好、 性 能高、 低成本 的 设 计 ，是性 能、 质量 和成本 综合的 功 能优 化 设 计 方 法 。 在旋压 中 运 用 稳 健 设 计 方 法 ，能够 避 免 当优 化 结果 处 于 约束 边 界时，因 随机 因 素 的波 动，导 致产品 质量 不 稳 定 甚 至失 效现象的 发生。 为 了 在保 证较高的 综合成形 质量 的 前 提 下，优 化 设 计 关 键 工 艺参 数 ，以求 获 得产品 质量 稳 定 的 最优 参 数 组 合，从 而 使 坯料顺 利 成形 ，提 高产品 的 稳 健 性 和可 靠 性 。 曲 母 线件多 道 次 普 旋关 键 工 艺参 数 稳健性 优 化图 坯料成形 因 果 分 析 图由 于 稳 健 优 化 设 计 的 初衷 是在尽量 不 改 变生产成本 以及 生产条 件下优 化 生产效果 ，所 以应优 先 选择 可 控 性 较高的 因 素 ，相 对 于 模具 参 数 ，工 艺参 数 的 可 控性 以及 调整 的 方 便 程 度 是比 较高的 。 由 现有现状分 析 可 知 ，旋压 成形 过 程 中 对 成形 质量 有重 要 影响 的 可 控 关 键 工 艺参 数 主 要 有旋轮进给 率、 主 轴转 速 以及 旋轮参数 。 本 文选定 旋轮进给 率、 主 轴转 速 以及 旋轮圆角 半 径三 个 因 素 作为 稳 健 性 试 验 表 关 键 工 艺参 数 对 壁 厚 均 值及 信 噪 比 效应表各 工 艺参 数 对 壁 厚 均 值的 效应排列顺 序 为 ： 优 化 方 案是指在所 做的 试 验 范 围 内，在特 定 条 件下的 各 因 素 最优 的 水 平 组合。 不 同的 试 验 指标 ，各 因 素 的 最优 水 平 选择 不 同，若 指标 越 大越 好，则 应选取使 指标 大的 水 平 ； 反 之，若 指标 越 小 越 好，则 应选取 使 指标 小 的 水 平 。 在稳 健 性设 计 中 ，无 论是动态特 性 还 是静 态特 性 ，田 口 方 法 指出 ，都是信噪 比 越 大系统 的稳 健 性 就越 好。 壁 厚 均 值越 小 ，旋压 品 质越 好。 因 此，由 图 和图 可 知 ， 一 “。图 关 键 工 艺参 数 对 壁 厚 均 值效应图，各 工 艺参 数 对 贴 模度 信噪 比 的 效应排列顺 序 为 ： 旋压 成形 后 ，越 小 的 贴 模间隙 意 味着 得到 更 好的 贴 模度 。 由 图 及 图 、 、 由 表 可 知 ，旋轮进给 率痵 时，能够 获 得良好的 壁 厚 分 布 ，而 由 图 可 知 ，痵 ，能够 获 得较好的 贴 模度 ，同样此时的可 知 ，此时的 壁 厚 最最差 ，故 综合评 估旋轮圆角 半 径想的 综合性 能。 根 据 稳 健 性 设 计 优 化 的 结果 ，通 过 数 值模拟 来 进一步 验 证参 数 组 方 案，设 计试 验 如 表 所 示 ，其 中 方 案三 为 优 化 前 参 数 组 无 论在壁 厚 还 是在贴 模方 面都有所 的 改 善 。 方 案一相 比 于 优 化 前 壁暑图 两 种 优 化 方 案与 优 化 前 旋压 成形 质量 对 比 髦 嶙K 为时，能够 取 得综合性 能较好的 旋压 成形 件。之转 ，径向 值图 关 键 工 艺参 数 优 化 方 案应力 应变分 析本 章应用 稳 健 性 设 计 方 法 研 究 了 旋轮进给 率髦 嶙K 以及 旋轮 参 数 优 化图 单 向 式多 道 次 贴 模旋压 量 对 多 道 次 旋压 成形 质量 的 影响 ，各 道 次 离模阶 段 旋轮运 动轨 迹 选用 相 同倾 角一一决定， 、图 轨 迹 参 数 及 变形 量 分 配 关 系的 优 化 。基 于 变形 量 分 配 的 轨 迹 参 数 一成形 质量 关 系分 析 表 旋压 多 道 次 设 计 试 验 方 案呈 现最大减 薄 状态。 且在一定 的 道 次 数 的 情 况 下，不 同的 道 次 变形 量 分 配 方 式以道 次 问最大变化 量 的 方 差 大小 来 表 示 变形 量 分 配 情 况 ： 方 差 越 小 ，则 道次 最大变形 量 分 配 越 平 衡 ，故 等 最大变化 量 方 差 为 零 。 由 于 实际 减 薄 变长 难预估，模拟实验 方 差 约等 于 零 可 以视为 等 最大变化 量 。 利 用 公 式、 分析 历 次 仿真 结果 中 的 实际 方 差 与 壁 厚 减 薄 极 大值变化 趋 势，其 结果 如 图 所 示 。 由 图 变化 趋 势可 知 ，在一定 道 次 内，更 均 匀的 最大变形 量 分 配 可 以获 得 、毽。、萱。、 卜 二道 次 等 最大交化 量 甇；瘫硅、。、 。 点“鬈 迨、 图 定 道 次 下不 同变形 量 分 配 方 式对 壁 厚 的 影响 图 定 道 次 不 同变形 量 分 配 方 式对 贴 模度 的 影响在三 道 次 旋压 下，分 析 不 同道 次 变形 量 分 配 方 式对 曲 母 线工 件多 道 次 旋压的 等 效应力 应变影响 ，其 结果 图 所 示 。 由 图 可 知 ，三 种 变形 量 分 配 方 式对坯料旋压 后 的 等 效应力 结果 差 别 不 大，但 等 弧 长 量 方 式的 旋压 具 有较大的 等 效应力 ； 分 析 其 三 者的 等 效应变，等 最大变化 量 的 旋压 能够 取 得最为 平 缓 的 等 效应变变化 趋 势。 图 定 道 次 不 同变形 量 分 配 方 式对 等 效应力 应变的 影响 掣 淹 壤。一烈黔掣。 、砖一次 拉 深成形图 同一旋压 方 案不 同道 次 数 下的 壁 厚 变化等 最大变化 量 旋压 道 次 设 计 方 式的 贴 模间隙 随着 道 次 数 的 增 加 而 逐 渐 变大； 等 一三 道 次 等 最大变化 量、 锉 罾。 不 同变化 量 的 分 配 形 式影响 了 曲母 线工 件的 多 道 次 旋压 轨 迹 的 总 路 程 。 在相 同的 进给 率的 情 况 下，不 同的 旋压 轨 迹 的 总 路 程 决定 了 旋压 成形 效率。 在相同的 进给 率下，理 论旋压 时间反 映 不 同的 轨 迹 总 路 程 ，决定 旋压 成形 效率。 分析 各 旋压 方 案下的 理 论旋压 时间，其 结果 如 图 所 示 。 由 图 可 知 ，同一变形量 分 配 方 案下，道 次 数 的 增 多 降 低了 旋压 成形 效率； 而 在定 道 次 数 不 同旋压 方案比 较，等 最大变化 量 的 多 道 次 旋压 加 工 效率高于 等 轴向 量 ，高于 等 弧 长 量 ，且随着 道 次 数 的 增 多 三 种 方 案的 效率差 距越 加 显 著 。 图 定 道 次 下不 同旋压 方 案的 理 论旋压 时间通 过 上述同变形 量 分 配 方 式与 定 道 次 情 况 下的 旋压 结果 分 析 ，可 以得到 结表 变形 量 分 配 方 式对 成形 质量 及 效率影响 故对 于 曲母 线件多 道 次 旋压 ，若 以壁 厚 评 价指标 优 先 ，则 等 变形 量 分 配 方式的 多 道 次 轨 迹 参 数 设 计 方 式有利 于 获 得较好的 目 标 旋压 件质量 ； 若 以贴 模度评 价指标 优 先 ，则 等 弧 长 量 的 的 多 道 次 轨 迹 参 数 设 计 方 式有利 于 获 得较好的 目标 旋压 件质量 ； 若 希望获 得综合性 能指标 较好的 ，则 需要 对 于 具 体 曲母 线零 件进一步 验 证分 析 。的 增 加 ，道 次 变化 量 的 分 配 方 案对 于 曲母 线旋压 件旋压 成形 质量 的 影响 越 加 显 本 文作为 高等