不同道次下拉深旋压成形有限元数值模拟

1、不同道次下拉深旋压成形有限元数值模拟摘要：通过建立合理的力学模型，采用弹塑性有限元方法，对多道次拉深旋压进行数值模拟，得到了不同道次下的应力应变分布规律。从应力应变分布的角度分析了拉旋与拉深变形的区别，揭示了多道次拉旋的变形特点，为进一步研究多道次拉旋的成形极限及成形质量奠定了基础。 关键词：道次 拉深旋压 数值模拟 应力应变分布 前言 拉深旋压是普通旋压中最常用和最具有代表性的成形技术，目前广泛应用于航空、航天、军事及民用等加工技术领域。它通常是指利用旋压工具使毛坯（板材或预制件）直径减小成形为回转体零件的加工过程。由于与拉深成形相类似，因此，称作拉深旋压简称拉旋1。由于一道拉旋的成形极限很

2、小，实际生产中很少采用，而广泛采用多道次旋压2。在多道次旋压过程中，不同道次之间相互制约、相互影响，每一道次的变形对工件的最终成形都具有决定性的影响。为此，探讨不同道次下拉深旋压成形的特点是极其必要的。 本文建立合理的力学模型，采用弹塑性有限元方法对不同道次下拉深旋压进行数值模拟，得到不同道次下应力应变的分布规律，并从应力应变分布的角度指出了拉旋与拉深变形的不同。从而揭示了多道次拉旋的变形特点。 1 有限元模型 1.1 基本假设 多道次拉旋相对于简单拉旋大大改进了拉旋过程中的成形极限。但是由于道次数量的增加，也增加了变形的复杂性，对研究不同道次下坯料的变形带来极大的困难。为此本文对多道次拉旋成

3、形过程进行了必要的简化，并采取了一些假设。假设如下： (1) 由于最终成形件为轴对称零件，这里将旋压加工过程简化为轴对称问题求解； (2) 旋轮与毛坯接触压力均匀分布，并在每一进给步长圆周接触面上同时对板料加载；(3) 由于旋轮除了轴向和径向进给外，其本身还有自转，与毛坯之间为滚动摩擦，并且在实际生产中通常加入润滑油以减小摩擦，摩擦力相对旋压力可不计，此处忽略摩擦作用。 1.2 力学模型 旋压加工过程中毛坯每转一圈旋轮进给量很小，因此旋压局部变形可视为小变形物理非线性问题。并根据基本假设，轴对称中心固定约束，芯模下板料被夹持，故此处厚度方向约束，板料外缘自由，旋轮对毛坯作用为表面分布力，模型如

4、图1 所示。 图1 力学模型示意图2 相关的工艺参数 数值模拟中使用的主要工艺参数为：毛坯直径为180mm，厚度为1mm，旋轮直径为140mm，圆角半径为6mm，芯模直径为80mm，进给比为0.2mm/r。 坯料选用LF2M，材料性能参数为弹性模量为71000MPa，硬化指数为0.16，泊松比为0.3。 旋轮轨迹采用直线单向式道次贴模形式。为了避免旋轮和芯模之间干涉，入旋点选为R=46mm。 3 结果与讨论 图2 拉旋各道次位置示意图根据上述模型对多道次拉旋中的四个道次进行了数值模拟。图2 为四个道次拉旋变形位置示意图。图3 为四个道次下多道次拉旋应力应变分布图。图3 拉旋各道次位置示意图从应

5、力分布图上看，由于采用道次贴模加工，随着道次的增加，贴模部分扩大，芯模附近的应力随道次的增加而逐渐减小；但在材料硬化效应的作用下，随着道次的增加最大应力增加，从而也使后续道次塑性变形的屈服应力增大，变形困难。其中由于入旋点选在R=46mm 处，因此，入旋点附近产生极值。另外，从应力整体分布来看，初期道次的应力变化与后期道次存在差异，这主要是由于平板毛坯多道次加工中，不同道次形状变化的区别所致。坯料形状首先由平板变为锥形体，以后各道次壳体的中心角逐渐减小，形状基本不变。 众所周知，在拉深筒形件成形过程中，最大径向拉应力发生在凸模（相当于芯模）园角处而产生最大值时刻一般在瞬时外缘半径为0.9R0处

6、，即拉深初始阶段。但拉旋却有所不同，从径向应力分布图3(a)中可以看出，最大径向应力发生在旋轮作用变形区。拉裂通常在壁部发生。而另一区别在于，拉深锥形件时内壁和外凸缘处均有可能发生失稳起皱。但拉深旋压却仅在外缘处切向压应力(见图3(c)较大，而内侧通常不会有起皱现象发生。因此，拉旋比拉深成形有更大的优越性。 从应变分布图可见，随着道次的增加，坯料外径逐渐缩小贴近芯模，因此，径向和周向应变(图3(d)和(f)逐渐增大，与拉深成形基本一致。但由于旋轮采用单向式直线轨迹加工，因此厚向应变(图3(e)变化剧烈，内部厚度减小，外缘厚度增加。 4 结论 (1) 本文建立了合理力学模型，对多道次拉旋成形进行了数值模拟，得到了不同道次下的应力应变分布规律。从应力分布图可以看出，应力随道次增加而增大，前期道次的应力变化与后续道次略差异，从应变分布图上看，应变随道次增加而增大，各道次之间的变化基本一致。