【JX332】小型低速直流式风洞的总体和结构设计[KT+RW+FY]【2A0】
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毕业设计 （论文）英文翻译 题目： 金属成形 旋压过程的分析 专 业名称 机械设计及其自动化 班级学号 05031315 学生姓名 陈勇 指导教师 江善元 填表日期 2009 年 1 月 5 日 103（ 2000） 114属成形：旋压过程的分析 爱尔兰 术研究院机械工程研究室 爱尔兰 院机械制造工程研究室 摘要： 旋压经常用来制造 那 些 冲压工具不能够适合其尺寸及体积的轴对称形状的工件。旋压同时也有能力生产那些深冲压无法生产出来的 部件。在这篇论文中所提到的旋压就是不产生厚度变化的旋转成形过程。它生产出的成品的厚度与毛坯的几乎一样。 通过改变形状把毛坯变成所需要的产品的方法通常有旋压和冲压这两种。一个金属 零 件的冲压过程会受到其材料韧性的限制。与工件旋压成形有关的更多是其压应变和由于弯曲断裂和拉断所引起的成形极限。 以前的作者作了许多关于旋压方面的研究。这些研究分析主要强调的是旋压加工过程的局限性。有一个关于旋压的分析介绍了不 同旋压技术产生不同的应变而硬气极其不同的结果的情况。这些实验结果对分步旋压操作的基本原理作出了解释。 这次实验所用的材料是轻规格的铝板材。（ H， 服强度 110 关键词汇：金属旋压，普通旋压，剪切成形，旋转锻造 言 这篇论文分析的是由旋压生产的一个简单的实验形状的产品。这个旋压成形实验选用了 多种不同直径的毛坯。 据研究，旋压的理论应变是在两种理想化的模式下产生的。第一种是等厚度旋压过程；第二种则是纯剪切成形过程。在加工过程中 其周向应变为 0，而径向的任意单元的位置是保持不变的，这种成形过程 称为剪切成形 4或者是旋转锻造。相反地，成形过程中，径向的任意单元的位置产生很 大的变化的成形过程则称为普通旋压。在普通旋压过程中，从毛坯到成品，其厚度保持不变。 从图 1 中我们可以清楚地看到分步旋压的工作原理。由于外围半径的减少产生周向压应变和径向拉应变，因此每次旋压后都会产生凸缘。由此可以 认为 板厚是不变的。 从图 1 中所示的成形情况可看出，周向应变 h 是压应变，而径向应变 r 是拉应变（也就是说圆盘所受的应变相 切于板面，方向与旋转轴背离），厚度方向的应变 z 为 0。 2、 实验所选择的形状 我们选择一种简单的零件形状在各种不同的成形条件中进行实验。此零件形状是一直径为 100圆筒与半径 95球状表面通过半径 17圆角连接而成。这个形状与研究普通旋压 5的转动力所用的形状相似。同时实验仍需要一个附带有 20的中心平板的钢制模型 ，以便 使顶针座与模型夹紧毛坯。 1）剪切成形 ,（ 2）等厚度变形 （如图 2）。 切成形 在剪切成形 过程 中，我们可以假设一个距旋转轴任意距离 单元。根据选择的工件形状，该单元变形 取决 于它在球面的位置或者是圆角半径。如果该 图 单元所处的表面的法线与旋转轴所成的角 度 为 ，毛坯的厚度为 t，那么剪切成形后，该单元的厚度为 当剪切成形时，工件的径向位置是保持不变的。也就是说距旋转轴的垂直距离 不变的。由此可知，每个圆环单元的周长 2 是不 变 的，如果每个单元的周长是固定的，那么其周向应变 h 就是 0。如果现在假设体积不变，那么必定存在一个垂直于厚度应变方向的 应变。因为 h 为 0，所以这个应变必定在径向产生。我们用 d r 表示这个应变。 厚度的变化量为 t，由此可得到化简后的厚度方向的应变 t 为 (t)/t 或者 1。由体积不变定律可知工程应变 3中 (1+r)(1+ t)(1+ h)=1。由于 h=0，我们可以写成 (1+ r)(1+ t)=1。代换掉 t 后，我们可以写成 (1+ r)(1+(1)=1。于是我们可以计算出 r。由体积不变条件，我们可以计算出相应的垂直应变 r=(1/ 厚度成形 为了 核定产生的应变，我们在毛坯中假定任意一块半径为 r 的部分，则这部分毛坯的体积为 ,t 表示毛坯的厚度。 接下来假定这个体积的金属成形的最后形状。它的体积可由计算得出， 为锥角， R 为所需 的形状的球体部分的半径即 i）得出。从上面的公式可以解出 ，工件的这个部分周围的半径可由 算出。 周向应变现在可以考虑了。假定部分的原始周长为 2 r，而新的周长为 2 因此可得到的周向应变为 (2 2 r)/2 r)/r。 这种 方法只适用于工件的球体部分。对于工件中球体与筒体之间圆角半 径为 17部分的也可以用相似的计算方法计算，但是计算时需要考虑到复杂的几何学。这个环行部分的内径 外径 是已知的，其值分别是 17 和 (95。相应地， 1 是工件球体部分的限制角。 在 1 和 2 之间的环行部分的体积（见图 4）为 图 以旋转轴为半径长度现在为 r ，因此径向应变的值可以再次计算出来，图 5 中显示出，纯剪切成形和等厚度旋压过程中理 论应力增加的情况。这些理论曲线可以用来与实验结果作比较。 等厚度旋压中 产生 的周向压应力的计算在 一 次旋压过程中不能那么容易地完成。等厚度 旋压 是一个 通过 径向拉应力与周向 压 图 应力 的结合 作用使金属流动的过程。在滚轮与未变形的凸缘之间的工件部分的弯曲应力回变大，实际上，等厚度旋压是是一个分步多次旋压过程。 然而，在剪切 成形 中，金属流动是靠旋轮与模型对工件的定向挤压实现的。尽管剪切 成形 中的应变绝对值很大，但是一般只需要一次旋压 即 可生产出所需要的形状。 剪切 成形 中，每 个单元的半径位置没有发生变化，也就是说单元距旋转轴 。 的垂直距离是不变的。尽管与表面相切的径向应变可能会很大，我们可以认为 它与厚度的减少相反。从图中可以看出，当把一块平板旋压成圆筒状时，其厚度 减少量为 0。实际上 ，因为旋轮半径的原因， 图 2 中所给出的锐角不会出现的。图 6 所示就是实际的实验结果，从图 6 中可以知道钢板已经达到了一个明显的成形极限。 3、实验工作 如先前所描述的，实验所用的是一个半径为 95球状经过半径为 17圆角与直径为 100圆柱体连接在一起的 球体 。其 尺寸是由一个可 塑的钢铁模型来决定的。车床的动力来自一台功率为 250W 的发动机。这台发动机使主轴的转速达到 450 转 /分。车床本身只是一台用来加工软材料（木材）的手制机床。机床的作用是用来为旋压工具提供旋轴支持的。 用的工装设备 实验中还使用了可塑钢铁制成的旋轮和尼龙 66，后者的效果更好。因为它使工件开槽的趋势更小，因此更容易得到一个均匀的成品。 应变的大小可以由以下方法获得。旋压前先在毛坯表面上划一道以知尺寸 图 的线段，旋压后再测量一下旋压前所划的长度，这样就可以得出应变的大小。这个测量工作可用 光器来完成。 实验中还会用到多种不同直径的毛坯。图 8 中所看到的工件是用直径 136毛坯旋压而成的。然小毛坯旋压成工件在完全成形方面没有困难 ,但是它不能形成圆筒部分半径为 17圆角。这就会在旋压过程中出现一些困难。因此我们选择直径为 115坯料作进一步的研究。 我们将分析两种特定条件下的旋压工件。第一种是单次旋压直径为 115 产生变形的比较 的毛坯得到的产品。第二种是对同样尺寸的毛坯进行完全成形的产品。图 9 给出了在 各 个条件 下 的变形分布图。 图 10 中所给出的是实际测量的应变与前面图 5 中的理论曲线的比较。从 图中可以看到工件中存在相当大的径向应变。越是接近工件的中心，剪切旋压中的径向应变越接近于理论值。但是在等厚度旋压中，随着离工件中心距离的不断增大，径向应变值减小至小于理论预测值。同时在等厚度旋压中，周向应变的大小一直保持与理论值相近。但是测量到的应变并不能都如此真实地反映出厚度方向的应变。不幸的是，由于实验用的是薄板，所以很难精 图 确地测量出厚度方向的应变。 从图 11 中可以看到，单次旋压后，工件的应变增大了。从图中还可以看到，周向应变和径向应变的值都是正的，也就是说，轴向和径向都是延伸的。然而径向应变比周向应变要大得多。在径向 20 到 30距离上。这说明普通旋压的第一次旋压过程与剪切旋压过程非常的相似。而周向的压应变是在后来的旋压过程中产生的。 4、分步多次旋压的理论基础 用多次旋压生产零件时，我们可 以看到要经历许多不同的阶段。 第一阶段是当旋轮与旋板或毛坯接触时，旋板像悬臂一样发生弹性形变。这是第一次旋压的可接近阶段，如图 12 所示。（为了得到一定的形状，旋轮与没有旋转的毛坯 相 接触） 第二阶段形成毛坯最初的圆顶。由图 12 我们可以知道弯曲变形已经达到了塑性极限。当毛坯旋转后，在运动的 图 旋轮的作用下，它从原来的平板状态 产 生了永久性的变形。实际上，塑性变形有两种机制。在毛坯外部，其变形机制为弯曲。如图 12 所示，弯曲已经达到了塑性极限。为了对产生的旋压力提供一 是对这个 变形作了一次分析 5。在毛坯的中心部分，即靠近被针顶座夹住的区域，只有一小部分发生了塑性变形，但是没有塑性弯曲 5。图 13 说明了这个机制，从毛坯的横截面变形可以看出，旋轮使工件弯曲从而与模型接触。实际上，这种变形可以用在工件接触模型前经多次滚挤的过程代替。 第三阶段发生在毛坯的变形达到某一深度之后。在这一阶段中，工件变得比较刚硬，能够抵抗较大的挤压力。但是经过前面多次的挤压过程，工件还没有与模型接触。如图 12 所示，一旦毛坯不再平直，它将会产生比原来更大的刚度去抵抗变形模式。控制圆顶的变形现在可以用一系列 的挤压过程来代替。 在旋压过程中发生的情况是一个很有用的发现，同时也是一个三维问题。 工件一直被顶针座所支撑，旋转力归根结底是靠这块被夹住的区域传递，直到如图 13 所示的情形发生，即当工件与模型接触，旋轮力直接传递到模型上。 图 132后的旋压变形 形过程中，变形是无法用数学公式来描述的。如 6的实验，已经发展成为一个设计更加精细的旋压工艺和其 它 复杂的工艺参数的实验。 加工时间、形状尺寸的精度和成品的表面质量，这些参数的优化方法都 得到了不错的 发展。图加特的 授关于这个课题的大量出版物和专利都已经用德语出版了，尽管在这个课题上 . 授仍有一点没有解决的问题。虽然如此我们希望能够在现在的研究中对旋压过程继续添加新的见解。 提供了一个关于大体积材料成形的很有用的序言。这篇序言主要是用德语出版的。 5、结论 （ 1）从结论中可知，普通旋压所产生的应变比剪切旋压小得多。 （ 2）由实验可知，剪切旋压和普通旋
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