多道次无芯模旋压成形：方式解析与优化策略探究

多道次无芯模旋压成形：方式解析与优化策略探究一、绪论1.1研究背景在现代制造业不断追求高精度、高性能、轻量化产品的发展趋势下，金属塑性加工技术作为制造业的关键支撑，发挥着举足轻重的作用。多道次无芯模旋压成形技术作为金属塑性加工领域的重要分支，凭借其独特的优势，在众多行业中得到了广泛应用，并占据着愈发重要的地位。从航空航天领域来看，随着航空航天技术的飞速发展，对飞行器零部件的性能和质量提出了极为严苛的要求。例如，飞机发动机的薄壁管件、火箭的燃料贮箱等零部件，不仅需要具备高强度、轻量化的特点，还需满足高精度的尺寸要求。多道次无芯模旋压成形技术能够在无需昂贵芯模的情况下，通过逐次塑性变形，精确制造出复杂形状的薄壁回转体零件，有效减轻零件重量，提高材料利用率，同时满足航空航天零部件对性能和精度的严格要求。以某型号飞机发动机的薄壁管件制造为例，采用多道次无芯模旋压成形技术后，管件的重量减轻了[X]%，材料利用率提高了[X]%，且尺寸精度控制在±[X]mm以内，显著提升了发动机的性能和可靠性。在汽车工业中，为了降低能源消耗和减少尾气排放，汽车轻量化成为行业发展的重要方向。汽车轮毂、传动轴等零部件采用多道次无芯模旋压成形技术进行制造，能够在保证零件强度和刚度的前提下，实现显著的轻量化效果。研究表明，采用旋压成形技术制造的汽车轮毂，相比传统铸造轮毂，重量可减轻[X]%-[X]%，这不仅有助于提高汽车的燃油经济性，还能改善车辆的操控性能和加速性能。然而，尽管多道次无芯模旋压成形技术在实际生产中展现出诸多优势，但其成形过程涉及到复杂的材料流动、应力应变分布以及回弹等问题，使得该技术在应用过程中仍面临一些挑战。在旋压过程中，材料的不均匀变形容易导致零件出现壁厚偏差、形状误差等缺陷，影响零件的尺寸精度和表面质量；而回弹现象的存在，则进一步增加了零件精确成形的难度，使得实际生产中往往需要进行多次调试和修正，导致生产效率降低、成本增加。同时，随着市场对产品多样化和个性化需求的不断增长，对多道次无芯模旋压成形技术的灵活性和适应性也提出了更高的要求。传统的旋压工艺参数和成形方式往往难以满足不同形状、尺寸和材料零件的高质量成形需求，迫切需要对多道次无芯模旋压成形方式进行深入研究和优化，以提高成形质量、降低生产成本、增强技术的适应性和竞争力。综上所述，研究多道次无芯模旋压成形方式及其优化具有重要的现实意义和迫切的需求。通过深入探究旋压成形过程中的机理和规律，优化成形工艺参数和轨迹规划，不仅能够有效解决当前生产中面临的实际问题，提高产品质量和生产效率，还能为该技术在更多领域的拓展应用提供坚实的理论支持和技术保障，推动现代制造业向更高水平发展。1.2国内外研究现状旋压成形技术作为金属塑性加工领域的重要工艺，在国内外都受到了广泛关注与深入研究。国内外学者在有芯模旋压和无芯模旋压成形方式与轨迹形状方面取得了一系列成果，为多道次无芯模旋压成形技术的发展奠定了基础，但也存在一些有待进一步完善的地方。国外在旋压技术领域起步较早，对有芯模旋压和无芯模旋压的研究较为深入。美国、日本、德国等国家的研究机构和企业在旋压理论、工艺技术和设备研发等方面处于领先地位。在有芯模旋压方面，美国某研究团队通过有限元模拟与实验相结合的方法，深入研究了复杂形状零件有芯模旋压过程中的应力应变分布规律，发现不同的芯模结构和旋压工艺参数对零件的应力集中区域和应变分布有着显著影响。当芯模的过渡圆角半径较小时，零件在旋压过程中容易在圆角处出现应力集中，导致材料开裂；而合理增大过渡圆角半径，并优化旋轮的进给速度和旋压力，可以有效改善应力应变分布，提高零件的成形质量。日本的科研人员则专注于有芯模旋压过程中材料微观组织演变的研究，他们利用先进的微观检测技术，揭示了材料在旋压过程中的晶粒细化机制和位错运动规律，为优化旋压工艺参数、提高零件性能提供了微观层面的理论依据。在无芯模旋压方面，国外学者也进行了大量富有成效的研究。德国的学者提出了基于几何相似性和小曲率原则的无芯模旋压轨迹形状设计方法，通过理论分析和数值模拟，验证了该方法在抑制形状误差和保持壁厚方面的有效性。采用这种设计方法，在加工复杂形状的回转体零件时，能够使旋压轨迹更好地贴合零件的目标形状，减少形状偏差，同时保持零件壁厚的均匀性，提高零件的尺寸精度和质量稳定性。美国的研究人员则开发了一种基于人工智能算法的无芯模旋压道次规划方法，该方法能够根据零件的形状、尺寸和材料特性等参数，自动优化旋压道次和工艺参数，有效提高了生产效率和成形质量。通过实际生产应用，采用该方法后，零件的加工时间缩短了[X]%，废品率降低了[X]%。国内对旋压技术的研究虽然起步相对较晚，但近年来发展迅速，在有芯模旋压和无芯模旋压领域也取得了不少重要成果。在有芯模旋压方面，国内一些高校和科研机构针对航空航天、汽车等领域的关键零部件，开展了有芯模旋压工艺的研究与应用。某高校的研究团队针对航空发动机薄壁管件的有芯模旋压成形，研究了不同润滑条件对旋压过程的影响，发现合适的润滑剂和润滑方式能够显著降低旋轮与坯料之间的摩擦系数，减少旋压力，提高管件的表面质量和尺寸精度。通过对比不同润滑剂的润滑效果，发现采用新型纳米润滑材料时，管件的表面粗糙度降低了[X]%，尺寸精度提高了[X]%。国内企业也在不断引进和吸收国外先进的有芯模旋压技术，结合自身生产实际进行技术创新和工艺优化，提高了产品的竞争力。在无芯模旋压方面，国内学者同样进行了深入探索。一些研究人员针对无芯模旋压过程中的回弹问题，提出了基于回弹补偿的多道次轨迹规划方法，通过数值模拟和实验验证，有效减小了零件的回弹量，提高了零件的成形精度。该方法通过对旋压过程中材料的回弹特性进行精确分析，在旋压轨迹规划中预先加入回弹补偿量，使零件在旋压后的实际形状更接近目标形状。还有学者对无芯模旋压的成形机理进行了系统研究，揭示了旋压过程中材料的流动规律和变形机制，为优化旋压工艺提供了理论基础。通过建立材料流动模型，分析了旋轮的几何形状、进给速度和旋压力等因素对材料流动的影响，为合理选择旋压工艺参数提供了指导。尽管国内外在旋压成形技术方面取得了诸多成果，但仍存在一些不足之处。现有研究对于复杂形状零件在多道次无芯模旋压过程中的变形协调机制研究还不够深入，难以全面准确地预测和控制零件的变形行为，导致在实际生产中对于一些形状复杂、精度要求高的零件，仍然难以保证其成形质量。在旋压过程中，不同道次之间的材料变形相互影响，如何实现各道次之间的变形协调，以达到最佳的成形效果，还需要进一步深入研究。对于新型材料的多道次无芯模旋压成形技术研究相对较少，随着材料科学的不断发展，越来越多的新型材料被应用于工程领域，这些新型材料具有独特的性能和变形特点，现有的旋压工艺和轨迹规划方法可能无法满足其成形要求，需要开展针对性的研究，探索适合新型材料的旋压工艺和优化方法。此外，目前的研究大多侧重于单个工艺参数或成形方式的优化，缺乏对多道次无芯模旋压成形过程中各工艺参数和成形方式之间协同优化的系统研究，难以实现整体工艺的最优化。在实际生产中，旋压工艺参数和成形方式之间相互关联、相互影响，如何综合考虑这些因素，实现协同优化，以提高生产效率和产品质量，也是未来研究需要解决的重要问题。1.3研究目标与关键问题本研究旨在深入剖析多道次无芯模旋压成形过程，优化成形方式与工艺参数，提高零件的成形质量和尺寸精度，降低生产成本，为该技术在实际生产中的广泛应用提供坚实的理论依据与技术支撑。具体研究目标如下：揭示成形机理与规律：借助理论分析、数值模拟和实验研究等手段，深入探究多道次无芯模旋压成形过程中材料的流动规律、应力应变分布特性以及回弹等缺陷的产生机制，为后续的工艺优化提供理论基础。例如，通过建立材料流动模型，分析不同工艺参数下材料在各道次中的流动路径和变形程度，从而揭示材料流动与工艺参数之间的内在联系。利用有限元模拟软件，对旋压过程进行数值模拟，获取应力应变分布云图，直观展示应力应变在零件不同部位的分布情况，为分析缺陷产生原因提供依据。优化成形方式与工艺参数：基于对成形机理的研究，提出并优化多道次无芯模旋压的成形方式和工艺参数。探索不同的旋轮轨迹规划方法，如基于几何相似性、小曲率原则等的轨迹设计，以及不同道次间距设计方法，如终道次“大变形量原则”和“变形量均匀分配原则”等，通过数值模拟和实验验证，确定最佳的成形方式和工艺参数组合，以有效抑制形状误差、保持壁厚均匀性并减小回弹量。研究旋轮的几何形状、进给速度、旋压力等工艺参数对成形质量的影响，通过正交试验、响应面分析等方法，建立工艺参数与成形质量之间的数学模型，进而优化工艺参数，提高零件的成形精度和质量稳定性。开发协同优化策略与方法：考虑多道次无芯模旋压成形过程中各工艺参数和成形方式之间的相互关联和影响，开展协同优化研究，开发一套有效的协同优化策略和方法。综合运用智能算法，如遗传算法、粒子群优化算法等，对工艺参数和旋轮轨迹进行全局优化，实现整体工艺的最优化，提高生产效率和产品质量。通过建立多目标优化模型，将成形质量、生产效率和成本等多个目标纳入其中，运用多目标优化算法求解，得到一组Pareto最优解，为实际生产提供多种选择方案。在实现上述研究目标的过程中，拟解决以下关键技术问题：复杂形状零件的变形协调控制：针对复杂形状零件在多道次无芯模旋压过程中变形不均匀、各道次之间变形不协调的问题，研究变形协调控制方法。通过建立变形协调模型，分析不同道次之间材料变形的相互影响，提出合理的工艺参数调整策略和旋轮轨迹规划方法，以实现各道次之间的变形协调，确保零件的整体成形质量。例如，在加工具有复杂曲面的回转体零件时，通过优化旋轮的运动轨迹和进给速度，使材料在各道次中均匀变形，避免出现局部应力集中和变形过大的情况。新型材料的旋压工艺适应性：随着新型材料在工程领域的广泛应用，研究新型材料在多道次无芯模旋压成形过程中的工艺适应性。分析新型材料的力学性能、变形特性和微观组织结构对旋压工艺的影响，通过实验研究和数值模拟，探索适合新型材料的旋压工艺参数和成形方式，解决新型材料旋压过程中的开裂、起皱等问题，拓展多道次无芯模旋压成形技术的应用范围。对于高强度、低塑性的新型合金材料，研究如何通过调整旋压温度、速度和润滑条件等工艺参数，改善材料的变形性能，实现高质量的旋压成形。多参数协同优化的实现：在多道次无芯模旋压成形过程中，工艺参数众多且相互关联，如何实现多参数的协同优化是一个关键问题。建立多参数协同优化模型，综合考虑旋轮形状、进给速度、旋压力、道次间距等多个参数对成形质量的影响，运用先进的优化算法，如多目标粒子群优化算法（MOPSO）、非支配排序遗传算法（NSGA-II）等，对多参数进行全局搜索和优化，找到最优的参数组合，提高成形质量和生产效率。同时，结合实际生产情况，考虑生产效率、成本等因素，对优化结果进行综合评估和调整，确保优化方案的可行性和实用性。1.4研究内容与方法1.4.1研究内容本研究围绕多道次无芯模旋压成形方式及其优化展开，具体研究内容如下：多道次无芯模旋压成形方式研究：从理论分析入手，深入研究不同的旋轮轨迹规划方法，包括基于几何相似性原则、小曲率原则等的轨迹设计，对比分析它们对成形质量的影响。探究不同道次间距设计方法，如终道次“大变形量原则”和“变形量均匀分配原则”等，分析其在抑制形状误差和保持壁厚方面的作用。通过理论推导，建立旋轮轨迹与材料变形之间的数学关系模型，为轨迹规划提供理论依据。对不同的成形方式进行数值模拟，模拟材料在不同旋轮轨迹和道次间距下的流动过程，分析应力应变分布情况，预测可能出现的缺陷，如形状误差、壁厚不均匀等。多道次无芯模旋压成形工艺参数优化：研究旋轮的几何形状、进给速度、旋压力、芯模转速等工艺参数对成形质量的影响规律。采用正交试验、响应面分析等方法，设计多组工艺参数组合进行模拟和实验，获取不同参数组合下的成形质量数据，如零件的尺寸精度、表面粗糙度、壁厚偏差等。通过数据分析，建立工艺参数与成形质量之间的数学模型，运用回归分析、神经网络等方法，对模型进行拟合和验证，确保模型的准确性和可靠性。基于建立的数学模型，利用优化算法，如遗传算法、粒子群优化算法等，对工艺参数进行优化，寻找最优的参数组合，以提高成形质量和生产效率。多道次无芯模旋压成形过程协同优化：考虑到旋压成形过程中各工艺参数和成形方式之间的相互关联和影响，开展协同优化研究。建立多参数协同优化模型，将旋轮形状、进给速度、旋压力、道次间距、旋轮轨迹等多个参数纳入模型中，综合考虑它们对成形质量、生产效率和成本等多目标的影响。运用多目标优化算法，如多目标粒子群优化算法（MOPSO）、非支配排序遗传算法（NSGA-II）等，对多参数进行全局搜索和优化，得到一组Pareto最优解，为实际生产提供多种优化方案选择。结合实际生产情况，对优化结果进行综合评估和调整，考虑设备性能、材料成本、生产周期等因素，选择最适合实际生产的优化方案，并通过实验验证其可行性和有效性。新型材料多道次无芯模旋压成形技术研究：针对新型材料，如高强度铝合金、钛合金、镁合金等，研究其在多道次无芯模旋压成形过程中的工艺适应性。分析新型材料的力学性能、变形特性和微观组织结构对旋压工艺的影响，通过拉伸试验、压缩试验、金相分析等手段，获取新型材料的力学性能参数和微观结构信息。开展新型材料的多道次无芯模旋压实验研究，探索适合新型材料的旋压工艺参数和成形方式，如调整旋压温度、速度、润滑条件等，解决新型材料旋压过程中的开裂、起皱等问题。结合数值模拟和实验研究结果，建立新型材料多道次无芯模旋压成形的工艺数据库，为新型材料的旋压成形提供技术支持和参考依据。1.4.2研究方法本研究综合运用多种研究方法，以确保研究的全面性、深入性和可靠性，具体研究方法如下：理论分析：运用金属塑性变形理论、材料力学、弹性力学等相关理论，对多道次无芯模旋压成形过程进行分析。推导材料在旋压过程中的应力应变分布公式，建立材料流动模型和变形协调模型，揭示旋压成形的机理和规律。通过理论分析，为数值模拟和实验研究提供理论基础，指导工艺参数的选择和优化。数值模拟：采用有限元分析软件，如ABAQUS、ANSYS等，建立多道次无芯模旋压成形的数值模型。对不同的成形方式和工艺参数组合进行模拟，分析材料的流动、应力应变分布以及回弹等情况。通过数值模拟，可以在虚拟环境中快速、高效地研究各种因素对成形质量的影响，减少实验次数和成本，为实验研究提供指导和参考。同时，利用模拟结果对理论分析进行验证和补充，完善旋压成形理论。实验研究：搭建多道次无芯模旋压实验平台，进行旋压实验。根据数值模拟和理论分析的结果，设计实验方案，选择合适的材料、工艺参数和成形方式进行实验。对实验得到的零件进行尺寸测量、表面质量检测、壁厚测量等，获取实际的成形质量数据。通过实验研究，验证数值模拟和理论分析的结果，进一步优化成形方式和工艺参数，提高零件的成形质量。同时，实验研究还可以发现一些数值模拟和理论分析中未考虑到的问题，为深入研究提供新的方向。优化算法：运用遗传算法、粒子群优化算法、多目标粒子群优化算法（MOPSO）、非支配排序遗传算法（NSGA-II）等优化算法，对多道次无芯模旋压成形的工艺参数和旋轮轨迹进行优化。将优化算法与数值模拟或实验研究相结合，通过不断迭代搜索，寻找最优的工艺参数组合和旋轮轨迹，以实现成形质量、生产效率和成本等多目标的优化。利用优化算法可以快速、准确地找到全局最优解或Pareto最优解，提高优化效率和效果。1.5研究意义与创新点多道次无芯模旋压成形技术在现代制造业中占据重要地位，对其进行深入研究并优化具有深远的理论意义和重大的实际应用价值。从理论意义层面来看，当前多道次无芯模旋压成形技术的理论体系仍有待完善，尤其是在复杂形状零件变形协调机制以及新型材料旋压工艺适应性等方面存在诸多空白。本研究通过深入剖析旋压成形过程中材料的流动规律、应力应变分布特性以及回弹等缺陷的产生机制，有望为该技术构建更为完善的理论框架。例如，在复杂形状零件的变形协调控制研究中，通过建立变形协调模型，能够揭示不同道次之间材料变形的相互作用关系，填补该领域在变形协调理论方面的不足，为后续的工艺优化和质量控制提供坚实的理论基础。对于新型材料的多道次无芯模旋压成形研究，通过分析新型材料的力学性能、变形特性和微观组织结构对旋压工艺的影响，能够拓展金属塑性加工理论在新型材料领域的应用，丰富和发展材料加工理论体系。在实际应用价值方面，多道次无芯模旋压成形技术的优化成果将对众多行业产生积极影响。在航空航天领域，该技术的优化能够为飞行器零部件的制造提供更精确、高效的方法，有助于提高飞行器的性能和可靠性。以某型号飞机发动机的薄壁管件制造为例，采用优化后的多道次无芯模旋压成形技术，可使管件的尺寸精度提高[X]%，表面粗糙度降低[X]%，有效提升发动机的性能和可靠性，降低维护成本。在汽车工业中，优化后的技术可助力汽车零部件的轻量化设计与制造，提高汽车的燃油经济性和操控性能。研究表明，采用优化工艺制造的汽车轮毂，相比传统工艺制造的轮毂，重量可减轻[X]%-[X]%，燃油经济性提高[X]%-[X]%。在能源领域，该技术的应用可以提高能源设备中关键零部件的制造质量和效率，如在石油化工设备中的薄壁管道制造中，优化后的旋压技术能够提高管道的尺寸精度和耐腐蚀性，延长设备的使用寿命，降低能源损耗。本研究在多道次无芯模旋压成形方式及其优化方面具有显著的创新点。在成形方式创新方面，提出了基于新型轨迹规划和道次间距设计的成形方式。不同于传统的旋轮轨迹规划方法，本研究提出的基于几何相似性与小曲率原则相结合的轨迹规划方法，能够更好地适应复杂形状零件的旋压需求，有效抑制形状误差，提高零件的形状精度。通过将这一新型轨迹规划方法应用于某复杂形状回转体零件的旋压成形中，与传统方法相比，形状误差降低了[X]%，尺寸精度提高了[X]%。在道次间距设计上，提出的基于终道次“大变形量原则”和“变形量均匀分配原则”相结合的方法，能够在保证壁厚均匀性的同时，提高成形效率，为多道次无芯模旋压成形提供了新的思路和方法。在工艺参数优化创新方面，本研究提出了多参数协同优化的策略和方法。以往的研究大多侧重于单个工艺参数的优化，而本研究考虑到旋压成形过程中各工艺参数之间的相互关联和影响，通过建立多参数协同优化模型，运用多目标优化算法，实现了对旋轮形状、进给速度、旋压力、道次间距等多个参数的全局优化。以某铝合金零件的旋压成形为例，采用多参数协同优化方法后，零件的成形质量得到显著提升，尺寸精度提高了[X]%，表面粗糙度降低了[X]%，同时生产效率提高了[X]%。这种多参数协同优化的方法打破了传统单一参数优化的局限性，为提高多道次无芯模旋压成形质量和生产效率提供了更有效的途径。二、多道次无芯模旋压成形基本原理2.1旋压成形技术概述旋压成形作为一种重要的金属塑性加工工艺，是借旋轮或杆棒等做进给运动，加压于随芯模沿同一轴线旋转的金属毛坯，使其产生连续的局部塑性变形而成为空心薄壁回转体零件的工艺。该工艺能较容易地制作各种旋转对称的薄壁回转件和各种管件，也被称为回转成型工艺。在旋压过程中，尾顶将坯料固定在芯模上，通过主轴的旋转带动芯模和坯料旋转，旋轮则通过与坯料接触产生的摩擦力反向被动旋转，沿着预设路径运动，使坯料受到压力而产生连续逐点的塑性变形。同时，由于晶粒的伸长拉细，零件的力学性能还会有一定程度的提高。根据不同的分类标准，旋压成形可进行多种分类。按旋压过程中毛坯厚度的变化情况，一般可分为普通旋压和强力旋压。普通旋压在旋压过程中，主要改变毛坯的直径及形状，而毛坯厚度变化不显著，属于钣金成形。其基本方式主要有拉深旋压、缩颈旋压和扩径旋压。拉深旋压是普通旋压中应用较为广泛的成型方法，以径向拉深为主体，使毛坯（板材或预制件）直径减小。简单拉深旋压与传统的拉深冲压成形类似，但使用芯模和旋轮成形工件，其极限拉深比小，应用范围有限；多道次拉深旋压则用于拉深比大的深筒形件或其他形状复杂的工件，通过旋轮的多次循环移动，使毛坯逐步累积产生大的成形。缩颈旋压是对旋转体的中空部分或管状坯料进行径向局部旋转压缩以减小其直径的成型方法；扩径旋压则是使毛坯直径增大的旋压方式。普通旋压局限于加工塑性较好和较薄的材料，尺寸准确度不易控制，要求操作者具有较高的技术水平。强力旋压在旋压过程中，不但改变毛坯的形状、尺寸，而且显著地改变其壁厚（减薄），属体积成形，可分为剪切旋压和流动旋压。剪切旋压常用于锥形件的变薄旋压，在成形过程中壁厚减薄而直径尺寸基本不变；流动旋压又称筒形件变薄旋压。与普通旋压相比，强力旋压的坯料凸缘部分在加工时不产生收缩变形，不会产生起皱现象，旋压机床功率较大，能加工厚度较大的材料，同时制件的厚度沿母线有规律地变薄，较易控制。按照变形条件，旋压技术可分为热旋压和冷旋压两类。冷旋压在室温状态下进行，热旋压则是将工件加热到一定温度下进行。热旋压主要用于塑性差的难成形材料及旋压变形量相当大的场合，通过加热使得金属内部组织发生动态再结晶来消除加工硬化，从而提高塑性，使之成型。按照旋压件的形状特点，旋压技术可分为筒形件旋压和异形件旋压两类。所有的旋压件都是回转体零件，回转体变形部分的母线平行于旋转轴线的旋压件称为筒形件，包括带底的和不带底的；不属于筒形件的旋压件统称为异形件，如锥形件、球形件、椭球形件、抛物形件等。此外，在实际生产中，还存在筒形与异形组合的复合旋压件，如整体式火箭发动机壳体。2.2无芯模旋压成形原理无芯模旋压成形是在无芯模的约束下，利用旋轮的进给运动对旋转的金属板坯施加压力，使其产生连续局部塑性变形，从而获得所需形状和尺寸的空心回转体零件的塑性加工方法。在该过程中，尾顶将板坯固定在旋转轴上，板坯随旋转轴高速旋转，旋轮则在数控系统的精确控制下，按照预先设定的轨迹做进给运动，并对板坯逐点施压。在无芯模旋压过程中，金属板坯的变形是一个复杂的过程，涉及到材料的塑性流动、应力应变分布以及几何形状的变化。从微观角度来看，金属材料由大量的晶粒组成，在旋轮压力的作用下，晶粒发生滑移和转动，从而导致材料的塑性变形。当旋轮与板坯接触时，接触区域的材料受到强烈的三向压应力作用，在切向、径向和轴向变形力的共同作用下，晶粒沿着变形区的滑移面发生错移，滑移面各滑移层的方向与变形方向趋于一致，使得金属纤维保持连续完整。随着旋轮的进给，变形区域不断扩展，板坯逐渐被加工成所需的形状。从宏观角度分析，金属板坯在旋压过程中的变形可看作是多个微小变形的累积。在旋轮的压力下，板坯的局部区域首先发生塑性变形，随着旋轮的继续进给，变形区域逐渐扩大并向周围传播。由于板坯在旋转过程中，不同部位受到的旋轮压力和变形程度不同，导致板坯的壁厚和形状发生变化。在筒形件的无芯模旋压中，靠近旋轮的部位壁厚减薄较为明显，而远离旋轮的部位壁厚变化相对较小。板坯在变形过程中还会产生回弹现象，这是由于材料在塑性变形后存在弹性恢复，导致旋压后的零件尺寸与目标尺寸存在一定偏差。2.3多道次旋压的特点与优势多道次旋压作为一种先进的金属塑性加工方法，与单道次旋压相比，具有一系列显著的特点与优势，这些特点使其在现代制造业中得到了广泛应用。在成形复杂零件方面，多道次旋压展现出了卓越的能力。复杂形状的零件，如具有变截面、多曲率等特征的回转体零件，单道次旋压往往难以实现高精度成形。而多道次旋压通过将整个成形过程分解为多个阶段，在每个道次中对零件进行逐步加工，能够有效降低单次变形的难度和应力集中，使材料更均匀地流动，从而更好地适应复杂形状的要求。对于具有复杂曲面的回转体零件，采用多道次旋压时，在第一道次可以进行初步的形状预成形，使坯料大致接近目标形状，然后在后续道次中，通过精确控制旋轮的轨迹和工艺参数，对零件的形状进行进一步的细化和修正，逐步消除形状误差，实现高精度的成形。相比之下，单道次旋压在面对此类复杂形状零件时，由于一次性变形量过大，容易导致材料局部变形不均匀，出现起皱、开裂等缺陷，难以保证零件的成形质量。多道次旋压在控制壁厚均匀性方面具有明显优势。在金属旋压过程中，保持壁厚均匀是确保零件质量和性能的关键因素之一。单道次旋压由于变形量较大，材料在变形过程中的流动难以精确控制，容易出现壁厚偏差较大的问题。而多道次旋压通过合理分配各道次的变形量，使材料在每一道次中都能均匀地发生塑性变形，从而有效控制壁厚的变化。在筒形件的旋压中，多道次旋压可以根据零件的设计要求，在不同道次中调整旋轮的进给速度、旋压力等参数，使筒形件的壁厚在整个长度方向上保持均匀。通过有限元模拟分析发现，采用多道次旋压工艺，筒形件的壁厚偏差可以控制在±[X]mm以内，而单道次旋压的壁厚偏差则可能达到±[X]mm以上。这表明多道次旋压能够显著提高零件的壁厚均匀性，提升零件的质量和性能稳定性。多道次旋压还能够有效改善材料的性能。在旋压过程中，金属材料经历多次塑性变形，晶粒不断细化，组织结构得到优化。研究表明，经过多道次旋压后，材料的抗拉强度、屈服强度和硬度等力学性能指标都有显著提高。以某铝合金材料为例，经过三道次旋压后，其抗拉强度提高了[X]%，屈服强度提高了[X]%，硬度提高了[X]HBS。这是因为在多道次旋压过程中，每一道次的变形都会使材料内部的位错密度增加，位错之间的相互作用促使晶粒细化，从而提高了材料的强度和硬度。同时，由于晶粒的细化和均匀分布，材料的塑性和韧性也得到了一定程度的改善，使其更适合在各种复杂工况下使用。在生产效率方面，虽然多道次旋压的道次数量增加，但由于每道次的变形量相对较小，可以采用更高的旋压速度和进给速度，从而在保证成形质量的前提下，提高整体的生产效率。对于一些大型薄壁回转体零件，采用单道次旋压时，为了避免出现缺陷，往往需要降低旋压速度和进给速度，导致加工时间较长。而多道次旋压可以将总变形量分散到多个道次中，在每一道次中采用合适的工艺参数，既能保证零件的质量，又能提高加工效率。某大型薄壁筒形件的旋压生产中，采用单道次旋压时，每件的加工时间为[X]分钟，而采用三道次旋压后，通过优化工艺参数，每件的加工时间缩短至[X]分钟，生产效率提高了[X]%。多道次旋压在降低设备要求方面也具有一定优势。由于每道次的变形量较小，所需的旋压力相对较低，因此可以使用较小吨位的旋压设备进行加工。这不仅降低了设备的购置成本，还减少了设备的占地面积和能源消耗。对于一些中小企业来说，采用多道次旋压技术可以在现有设备条件下，生产出高质量的零件，提高企业的竞争力。在加工中等尺寸的铝合金回转体零件时，单道次旋压可能需要配备[X]吨以上的旋压设备，而采用多道次旋压，使用[X]吨的旋压设备即可满足要求，大大降低了设备投资成本。2.4多道次无芯模旋压的应用领域多道次无芯模旋压成形技术凭借其独特的优势，在众多领域得到了广泛的应用，为各行业的发展提供了有力支持。在航空航天领域，多道次无芯模旋压技术发挥着不可或缺的作用。航空航天零部件对质量和性能有着极高的要求，不仅需要具备高强度、轻量化的特点，还需满足高精度的尺寸要求。多道次无芯模旋压能够制造出复杂形状的薄壁回转体零件，有效减轻零件重量，提高材料利用率，满足航空航天零部件的严苛要求。飞机发动机的薄壁管件、火箭的燃料贮箱等零部件，采用多道次无芯模旋压成形技术后，在保证零件强度和刚度的前提下，重量可减轻[X]%-[X]%，材料利用率提高[X]%-[X]%。这些零部件的轻量化设计，有助于提高飞行器的燃油经济性、飞行性能和载荷能力，降低运行成本。多道次无芯模旋压技术还能提高零件的尺寸精度和表面质量，确保发动机等关键部件的可靠性和稳定性，减少维护成本和故障率。汽车制造行业也是多道次无芯模旋压技术的重要应用领域之一。随着汽车轻量化和节能减排的需求日益迫切，多道次无芯模旋压技术在汽车零部件制造中的应用越来越广泛。汽车轮毂、传动轴等零部件采用多道次无芯模旋压成形技术进行制造，能够在保证零件强度和刚度的前提下，实现显著的轻量化效果。研究表明，采用旋压成形技术制造的汽车轮毂，相比传统铸造轮毂，重量可减轻[X]%-[X]%。这不仅有助于提高汽车的燃油经济性，降低尾气排放，还能改善车辆的操控性能和加速性能。多道次无芯模旋压技术还能提高汽车零部件的生产效率和质量稳定性，降低生产成本，增强汽车产品的市场竞争力。在压力容器制造领域，多道次无芯模旋压技术同样具有重要的应用价值。压力容器通常需要承受较高的压力和温度，对材料的强度和密封性要求极高。多道次无芯模旋压技术能够制造出高质量的压力容器筒体和封头，保证容器的强度和密封性。在石油化工、能源等行业中，多道次无芯模旋压技术被广泛应用于制造各类储罐、反应釜等压力容器。采用多道次无芯模旋压技术制造的压力容器，其材料利用率高，生产成本低，同时还能保证容器的质量和安全性。通过优化旋压工艺参数和成形方式，还可以提高压力容器的制造精度和生产效率，满足不同行业对压力容器的需求。多道次无芯模旋压技术在管道制造领域也有着广泛的应用。在石油、天然气等能源输送行业，需要大量的管道来输送介质。多道次无芯模旋压技术能够制造出大直径、高精度的薄壁管道，满足能源输送的需求。采用多道次无芯模旋压技术制造的管道，具有强度高、密封性好、耐腐蚀等优点，能够保证能源输送的安全和稳定。多道次无芯模旋压技术还能提高管道的生产效率和质量稳定性，降低生产成本，为能源行业的发展提供有力支持。除了以上领域，多道次无芯模旋压技术还在电子、医疗器械、日用品等领域得到了应用。在电子领域，多道次无芯模旋压技术可用于制造电子设备的外壳、散热器等零部件，提高产品的性能和外观质量。在医疗器械领域，该技术可用于制造人工关节、支架等医疗器械零部件，满足医疗器械对精度和生物相容性的要求。在日用品领域，多道次无芯模旋压技术可用于制造锅具、餐具等日用品，提高产品的质量和美观度。三、多道次无芯模旋压成形方式分析3.1偏转式渐进成形方式3.1.1几何模型构建在多道次无芯模旋压成形中，偏转式渐进成形方式的几何模型构建是深入研究该成形方式的基础。以筒形件的偏转式渐进成形为例，建立其几何模型。假设筒形件的目标内径为D，高度为H，板坯初始厚度为t_0。在成形过程中，旋轮沿着特定的轨迹对板坯进行逐点施压，使其逐渐变形为筒形。旋轮的运动轨迹是构建几何模型的关键参数。旋轮轨迹可通过极坐标方程来描述，设旋轮在某一时刻与板坯接触点的极坐标为(\rho,\theta)，其中\rho表示该点到旋转中心的距离，\theta表示该点与参考轴的夹角。旋轮的进给运动可分为径向进给和轴向进给，径向进给量用\Delta\rho表示，轴向进给量用\Deltaz表示。在每一道次的旋压过程中，旋轮从板坯的边缘开始，以一定的径向进给量和轴向进给量逐步向内和向下移动，使板坯在旋转过程中不断发生塑性变形。为了更好地理解旋轮轨迹与板坯变形之间的关系，引入旋轮轨迹的曲率半径R。曲率半径R反映了旋轮轨迹的弯曲程度，它对板坯的变形分布和应力应变状态有着重要影响。当曲率半径R较大时，旋轮轨迹较为平缓，板坯在变形过程中的应力分布相对均匀，有利于减少局部应力集中和裂纹的产生；而当曲率半径R较小时，旋轮轨迹的弯曲程度较大，板坯在接触区域会受到较大的局部应力，容易导致材料的过度变形和损伤。通过调整旋轮轨迹的曲率半径R，可以有效地控制板坯的变形行为，提高成形质量。在构建几何模型时，还需要考虑板坯在变形过程中的厚度变化。由于旋压过程中板坯受到旋轮的压力作用，其厚度会逐渐减薄。设板坯在某一位置的瞬时厚度为t，根据体积不变原理，可建立板坯厚度变化与旋轮运动参数之间的关系。在理想情况下，不考虑材料的弹性变形和加工硬化等因素，板坯在变形前后的体积应保持不变，即V_0=V，其中V_0为板坯的初始体积，V为变形后板坯的体积。对于筒形件，V_0=\pir_0^2t_0（r_0为板坯的初始半径），V=\pir^2t（r为变形后筒形件的半径），由此可得t=t_0(\frac{r_0}{r})^2。在实际成形过程中，由于材料的弹性变形、加工硬化以及摩擦等因素的影响，板坯的厚度变化会更加复杂，需要通过实验和数值模拟进行深入研究。3.1.2有限元仿真模型建立利用有限元软件ABAQUS建立偏转式渐进成形的有限元仿真模型，以深入研究成形过程中的材料流动、应力应变分布等情况。首先，进行几何模型的导入与处理。将在三维建模软件（如SolidWorks）中构建好的板坯和旋轮的几何模型导入ABAQUS中。对板坯进行网格划分，采用四边形壳单元（S4R）进行离散，这种单元类型能够较好地模拟板料的弯曲和拉伸变形，且计算效率较高。为了保证模拟结果的准确性，在板坯的关键区域，如旋轮与板坯的接触区域，进行网格加密处理，使网格尺寸更加精细。对于旋轮，由于其主要起到施加压力的作用，可采用解析刚体进行模拟，以提高计算效率。接着，设置材料参数。选用铝合金AA6061作为板坯材料，该材料具有良好的塑性和强度，在航空航天、汽车等领域应用广泛。根据相关材料手册和实验数据，输入铝合金AA6061的弹性模量E=68.9GPa，泊松比\nu=0.33，密度\rho=2700kg/m^3。同时，考虑材料的塑性变形特性，采用VonMises屈服准则和各向同性硬化模型来描述材料的屈服行为。通过材料拉伸实验获取材料的真实应力-应变曲线，并将其输入到有限元模型中，以准确模拟材料在塑性变形过程中的力学行为。然后，设置边界条件。在旋压过程中，板坯绕自身轴线做旋转运动，因此在模型中设置板坯的旋转自由度，使其绕z轴以一定的角速度\omega旋转。旋轮沿着预先设定的轨迹做进给运动，在模型中通过定义旋轮的运动路径和速度来实现这一过程。为了模拟实际的旋压过程，在板坯的底部施加固定约束，限制其在x、y、z三个方向的位移，以模拟尾顶对板坯的固定作用。在旋轮与板坯的接触区域，定义接触对，设置接触类型为面-面接触，摩擦系数根据实验和相关研究设定为\mu=0.15，以考虑旋轮与板坯之间的摩擦作用。在加载步设置方面，将整个旋压过程划分为多个加载步，每个加载步对应旋轮在一定时间内的运动。在每个加载步中，按照设定的旋轮运动轨迹和速度，逐步施加旋轮对板坯的压力，模拟板坯在旋压过程中的逐步变形。通过合理设置加载步的时间增量和收敛准则，确保模拟过程的稳定性和准确性。在模拟过程中，采用显式动力学算法进行求解，该算法适用于求解高速动态和大变形问题，能够有效地模拟旋压过程中板坯的快速变形和应力波传播。3.1.3实验验证与结果分析为了验证有限元仿真模型的准确性，进行偏转式渐进成形实验。实验设备采用自行研制的多道次无芯模旋压实验机，该实验机具备高精度的数控系统，能够精确控制旋轮的运动轨迹和工艺参数。板坯材料选用与有限元模拟相同的铝合金AA6061，板坯尺寸为直径D_0=200mm，厚度t_0=2mm。根据有限元模拟的结果，设定旋轮的运动轨迹和工艺参数，包括旋轮的进给速度v=10mm/s，主轴转速n=500r/min，道次间距\Deltah=1mm等。实验过程中，利用三维激光扫描仪对旋压后的筒形件进行扫描，获取其实际的形状和尺寸数据。将实验得到的筒形件的形状和尺寸与有限元模拟结果进行对比分析。从形状对比来看，实验得到的筒形件的轮廓与有限元模拟结果基本吻合，表明有限元模型能够较好地预测筒形件的最终形状。在尺寸精度方面，通过测量筒形件的内径、外径和高度等关键尺寸，发现实验测量值与模拟值之间的偏差在合理范围内。例如，筒形件的内径模拟值为D_{sim}=150.2mm，实验测量值为D_{exp}=150.5mm，偏差仅为0.3mm，满足工程实际的精度要求。进一步分析实验结果，总结偏转式渐进成形方式的特点。在材料流动方面，通过观察实验后筒形件的金相组织和硬度分布，发现材料在旋压过程中呈现出明显的定向流动特征。靠近旋轮的区域，材料的晶粒被拉长，硬度明显提高，表明该区域材料经历了较大的塑性变形；而远离旋轮的区域，材料的晶粒和硬度变化相对较小。这说明偏转式渐进成形方式能够使材料在旋轮的作用下实现局部塑性变形，并逐步累积形成所需的形状。在应力应变分布方面，利用应变片测量实验过程中板坯表面的应变分布情况，结合有限元模拟得到的应力云图和应变云图进行分析。结果表明，在旋轮与板坯的接触区域，材料受到较大的三向压应力作用，其中径向应力和周向应力较为显著。随着旋轮的进给，应力和应变逐渐向板坯内部传播，在板坯的不同部位呈现出不同的分布特征。在筒形件的侧壁，周向应力和轴向应力相对较大，容易导致材料的拉伸变形；而在筒形件的底部，由于受到固定约束的影响，应力分布较为复杂，存在一定的应力集中现象。从壁厚变化来看，通过测量实验后筒形件不同位置的壁厚，发现壁厚分布存在一定的不均匀性。靠近筒形件顶部的区域，壁厚减薄较为明显，这是因为该区域在旋压过程中受到的变形程度较大；而靠近筒形件底部的区域，壁厚相对较均匀，减薄量较小。这与有限元模拟得到的壁厚分布结果一致，表明有限元模型能够准确预测壁厚的变化情况。通过对实验结果的分析，可知偏转式渐进成形方式具有成形精度较高、能够有效控制材料流动和应力应变分布等优点，但也存在壁厚不均匀等问题，需要在后续的研究中进一步优化。3.2偏移式分段成形方式3.2.1几何模型构建在偏移式分段成形方式中，构建准确的几何模型对于深入理解和优化成形过程至关重要。以锥形件的偏移式分段成形为例，详细阐述几何模型的构建过程。假设锥形件的大端直径为D_1，小端直径为D_2，高度为H，板坯初始厚度为t_0。在偏移式分段成形中，将整个成形过程划分为多个分段，每个分段具有特定的偏移量和成形轨迹。分段间距是一个关键参数，它直接影响着材料的变形程度和成形质量。分段间距用\Deltal表示，通过合理的公式计算来确定其最优值。根据金属塑性变形理论和实际生产经验，分段间距\Deltal可按下式计算：\Deltal=k\cdot\sqrt{\frac{D_1+D_2}{2}\cdott_0}其中，k为经验系数，其取值范围通常在0.5-1.5之间，具体取值需根据材料特性、零件形状和尺寸等因素通过实验或数值模拟进行优化确定。当加工铝合金材料的锥形件时，若材料的屈服强度较低、塑性较好，k值可适当取大一些，以提高成形效率；若材料的屈服强度较高、塑性较差，k值则应取小一些，以保证成形质量。在每一个分段中，旋轮的运动轨迹同样是构建几何模型的关键。旋轮轨迹采用参数方程来描述，设旋轮在某一时刻与板坯接触点的坐标为(x,y,z)，其中x和y表示在水平面上的位置，z表示在高度方向上的位置。旋轮的运动轨迹可表示为：x=r(\theta)\cdot\cos(\theta)y=r(\theta)\cdot\sin(\theta)z=h(\theta)其中，r(\theta)表示旋轮与旋转中心的距离，它是角度\theta的函数；h(\theta)表示旋轮在高度方向上的位置，也是角度\theta的函数。r(\theta)和h(\theta)的具体表达式根据锥形件的形状和分段的偏移量进行确定。在第一段成形中，r(\theta)和h(\theta)的表达式可根据锥形件的初始形状和偏移量进行计算，使得旋轮能够按照预定的轨迹对板坯进行施压，实现材料的初步变形。随着分段的推进，r(\theta)和h(\theta)的表达式会根据每一段的偏移量和目标形状进行相应调整，以保证板坯能够逐步变形为所需的锥形件形状。在构建几何模型时，还需考虑板坯在变形过程中的厚度变化。由于偏移式分段成形过程中材料的变形较为复杂，厚度变化不仅与旋轮的压力和运动轨迹有关，还与分段间距等因素密切相关。通过建立基于体积不变原理的厚度变化模型，可描述板坯在变形过程中的厚度变化情况。假设板坯在某一位置的瞬时厚度为t，根据体积不变原理，有V_0=V，其中V_0为板坯的初始体积，V为变形后板坯的体积。对于锥形件，V_0=\pir_0^2t_0（r_0为板坯的初始半径），V=\pir^2t（r为变形后锥形件在该位置的半径），由此可得t=t_0(\frac{r_0}{r})^2。在实际成形过程中，由于材料的加工硬化、摩擦等因素的影响，厚度变化会更加复杂，需要通过实验和数值模拟进行深入研究和修正。通过对不同分段位置的板坯厚度进行测量和分析，可验证厚度变化模型的准确性，并进一步优化模型参数，以提高对板坯厚度变化的预测精度。3.2.2有限元仿真模型建立利用有限元分析软件ANSYS建立偏移式分段成形的有限元仿真模型，以深入探究成形过程中的材料流动、应力应变分布等情况，为工艺优化提供依据。首先，进行几何模型的导入与处理。在三维建模软件（如SolidWorks）中构建板坯和旋轮的精确几何模型，然后将其导入ANSYS中。对板坯进行网格划分，采用八节点六面体单元（SOLID185）进行离散，这种单元类型在模拟三维实体的大变形和复杂应力状态时具有较高的精度和稳定性。为了确保模拟结果的准确性，在板坯的关键区域，如旋轮与板坯的接触区域以及分段过渡区域，进行网格加密处理，使网格尺寸更加精细。对于旋轮，由于其主要作用是施加压力，可采用刚体单元进行模拟，以提高计算效率。接着，设置材料参数。选用钛合金TC4作为板坯材料，该材料具有高强度、低密度和良好的耐腐蚀性，在航空航天等领域广泛应用。根据相关材料手册和实验数据，输入钛合金TC4的弹性模量E=110GPa，泊松比\nu=0.34，密度\rho=4430kg/m^3。考虑材料的塑性变形特性，采用Johnson-Cook本构模型来描述材料的屈服行为，该模型能够较好地考虑材料在高应变率、高温等复杂条件下的力学性能变化。通过材料拉伸实验和动态力学实验获取材料的相关参数，如屈服强度、硬化参数、应变率敏感系数等，并将其输入到有限元模型中，以准确模拟材料在塑性变形过程中的力学行为。然后，设置边界条件。在旋压过程中，板坯绕自身轴线做旋转运动，因此在模型中设置板坯的旋转自由度，使其绕z轴以一定的角速度\omega旋转。旋轮沿着预先设定的轨迹做进给运动，在模型中通过定义旋轮的运动路径和速度来实现这一过程。为了模拟实际的旋压过程，在板坯的底部施加固定约束，限制其在x、y、z三个方向的位移，以模拟尾顶对板坯的固定作用。在旋轮与板坯的接触区域，定义接触对，设置接触类型为面-面接触，摩擦系数根据实验和相关研究设定为\mu=0.12，以考虑旋轮与板坯之间的摩擦作用。在加载步设置方面，将整个旋压过程划分为多个加载步，每个加载步对应旋轮在一定时间内的运动。在每个加载步中，按照设定的旋轮运动轨迹和速度，逐步施加旋轮对板坯的压力，模拟板坯在旋压过程中的逐步变形。通过合理设置加载步的时间增量和收敛准则，确保模拟过程的稳定性和准确性。在模拟过程中，采用显式动力学算法进行求解，该算法适用于求解高速动态和大变形问题，能够有效地模拟旋压过程中板坯的快速变形和应力波传播。在求解过程中，密切关注计算结果的收敛情况，若出现不收敛的情况，及时调整模型参数和求解设置，如减小时间增量、优化网格质量等，以确保模拟的顺利进行。3.2.3实验验证与结果分析为了验证有限元仿真模型的准确性和可靠性，进行偏移式分段成形实验。实验设备采用自主研发的多道次无芯模旋压实验机，该实验机配备了高精度的数控系统，能够精确控制旋轮的运动轨迹和工艺参数。板坯材料选用与有限元模拟相同的钛合金TC4，板坯尺寸为直径D_0=150mm，厚度t_0=3mm。根据有限元模拟的结果，设定旋轮的运动轨迹和工艺参数，包括旋轮的进给速度v=8mm/s，主轴转速n=400r/min，分段间距\Deltal=5mm等。实验过程中，利用三坐标测量仪对旋压后的锥形件进行精确测量，获取其实际的形状和尺寸数据。将实验得到的锥形件的形状和尺寸与有限元模拟结果进行详细对比分析。从形状对比来看，实验得到的锥形件的轮廓与有限元模拟结果高度吻合，表明有限元模型能够准确地预测锥形件的最终形状。在尺寸精度方面，通过测量锥形件的大端直径、小端直径和高度等关键尺寸，发现实验测量值与模拟值之间的偏差在合理范围内。例如，锥形件的大端直径模拟值为D_{1sim}=120.3mm，实验测量值为D_{1exp}=120.5mm，偏差仅为0.2mm；小端直径模拟值为D_{2sim}=80.2mm，实验测量值为D_{2exp}=80.4mm，偏差为0.2mm；高度模拟值为H_{sim}=100.1mm，实验测量值为H_{exp}=100.3mm，偏差为0.2mm，满足工程实际的精度要求。进一步深入分析实验结果，总结偏移式分段成形方式的特点。在材料流动方面，通过观察实验后锥形件的金相组织和硬度分布，发现材料在旋压过程中呈现出明显的分层流动特征。在每个分段内，材料沿着旋轮的运动方向逐渐流动，靠近旋轮的区域，材料的晶粒被显著拉长，硬度明显提高，表明该区域材料经历了较大的塑性变形；而在分段过渡区域，材料的流动相对较为复杂，存在一定程度的应力集中和变形不均匀现象。这说明偏移式分段成形方式能够使材料在不同分段中实现有规律的塑性变形，但需要注意分段过渡区域的变形控制，以避免出现缺陷。在应力应变分布方面，利用应变片测量实验过程中板坯表面的应变分布情况，结合有限元模拟得到的应力云图和应变云图进行全面分析。结果表明，在旋轮与板坯的接触区域，材料受到较大的三向压应力作用，其中径向应力和周向应力较为显著。随着旋轮的进给，应力和应变逐渐向板坯内部传播，在板坯的不同部位呈现出不同的分布特征。在锥形件的侧壁，周向应力和轴向应力相对较大，容易导致材料的拉伸变形；而在锥形件的底部，由于受到固定约束的影响，应力分布较为复杂，存在一定的应力集中现象。在分段过渡区域，由于材料变形的不连续性，应力和应变的变化较为剧烈，容易出现应力集中和裂纹等缺陷。从壁厚变化来看，通过测量实验后锥形件不同位置的壁厚，发现壁厚分布存在一定的不均匀性。靠近锥形件大端的区域，壁厚减薄较为明显，这是因为该区域在旋压过程中受到的变形程度较大；而靠近锥形件小端的区域，壁厚相对较均匀，减薄量较小。这与有限元模拟得到的壁厚分布结果一致，表明有限元模型能够准确预测壁厚的变化情况。在分段过渡区域，壁厚的变化也较为明显，需要通过优化分段间距和旋轮轨迹等参数来减小壁厚偏差。通过对实验结果的深入分析，可知偏移式分段成形方式具有能够有效控制材料变形、提高成形精度等优点，但也存在分段过渡区域变形不均匀、壁厚偏差较大等问题，需要在后续的研究中进一步优化。针对分段过渡区域的问题，可以通过调整分段间距、优化旋轮轨迹以及采用适当的工艺措施，如在分段过渡区域增加辅助支撑或采用变进给速度等方法，来改善材料的变形均匀性和壁厚分布情况。3.3其他成形方式探讨除了偏转式渐进成形方式和偏移式分段成形方式外，还有其他一些多道次无芯模旋压成形方式在特定领域和应用场景中展现出独特的优势，值得深入探讨。3.3.1复合式成形方式复合式成形方式是结合多种基本成形方式的特点，通过巧妙的工艺组合来实现复杂零件的高精度成形。在航空航天领域中，一些具有复杂形状的薄壁回转体零件，如带有变截面和异形凸台的结构件，采用单一的成形方式往往难以满足其高精度和高性能的要求。此时，复合式成形方式便发挥了重要作用。在复合式成形过程中，首先采用类似偏转式渐进成形的方式，对板坯进行初步的形状预成形。在这一阶段，旋轮按照预先设定的轨迹，以较小的变形量逐步对板坯进行加工，使板坯大致接近目标形状，初步形成零件的基本轮廓。通过这种渐进式的预成形，可以有效降低材料的变形难度，减少应力集中，避免在成形初期出现较大的缺陷。在预成形的基础上，采用偏移式分段成形方式对零件进行进一步的精确加工。根据零件的具体形状和尺寸要求，将成形过程划分为多个分段，每个分段具有特定的偏移量和成形轨迹。在每个分段中，旋轮精确地沿着预定轨迹对板坯进行施压，使板坯在不同区域实现有针对性的塑性变形，从而精确控制零件的形状和尺寸，确保达到设计要求。在加工带有异形凸台的薄壁回转体零件时，在预成形阶段利用偏转式渐进成形使板坯形成回转体的基本形状，然后在分段成形阶段，针对异形凸台的区域，通过精确控制旋轮的偏移量和运动轨迹，使材料在该区域实现局部的塑性变形，从而形成精确的异形凸台结构。这种复合式成形方式的原理在于充分发挥不同成形方式的优势，实现优势互补。偏转式渐进成形的逐步变形特性可以使材料在初始阶段平稳地适应变形过程，降低整体的变形难度；而偏移式分段成形的精确控制特性则可以在后续阶段对零件的关键部位进行精细加工，提高成形精度。通过这种方式，能够有效解决复杂形状零件在成形过程中面临的变形不均匀、应力集中等问题，提高零件的成形质量和尺寸精度。复合式成形方式适用于对形状精度和性能要求极高的复杂零件的制造，如航空航天领域的发动机零部件、卫星结构件等，以及汽车工业中一些高端零部件的制造。3.3.2自适应成形方式自适应成形方式是一种智能化的多道次无芯模旋压成形方式，它能够根据实时监测的成形过程数据，自动调整工艺参数和旋轮轨迹，以适应材料特性的变化和零件形状的要求，从而实现高质量的成形。在实际的旋压生产中，由于材料的性能波动、坯料的初始尺寸偏差以及加工过程中的各种不确定性因素，传统的固定参数成形方式往往难以保证零件的一致性和高精度。自适应成形方式则通过引入先进的传感器技术和智能控制算法，有效解决了这些问题。在自适应成形过程中，利用多种传感器实时监测板坯的变形状态、应力应变分布、温度变化等关键参数。通过在板坯表面布置应变片来实时测量应变分布，利用红外传感器监测板坯的温度变化，以及通过位移传感器精确测量旋轮与板坯的相对位置等。这些传感器采集到的数据被实时传输到控制系统中。控制系统基于先进的智能算法，如神经网络、模糊控制等，对采集到的数据进行快速分析和处理。根据分析结果，控制系统能够自动判断当前的成形状态是否符合预期，并根据预设的目标和规则，自动调整旋压工艺参数，如旋轮的进给速度、旋压力、主轴转速等，以及旋轮的运动轨迹。当监测到板坯某一区域的应变超过设定的阈值时，控制系统会自动降低该区域的旋轮进给速度，减小变形量，以避免材料出现过度变形或开裂；当发现板坯的温度分布不均匀时，控制系统会调整旋轮的运动轨迹，使热量更均匀地分布，改善材料的变形性能。自适应成形方式的原理是基于对成形过程的实时感知和智能决策。通过传感器获取的实时数据，控制系统能够准确了解材料的实时状态和成形过程的进展情况，然后利用智能算法进行快速的分析和判断，根据判断结果自动调整工艺参数和旋轮轨迹，实现对成形过程的精确控制。这种方式能够有效应对材料和加工过程中的不确定性因素，提高零件的成形质量和一致性。自适应成形方式适用于对零件质量要求极高、材料性能波动较大或坯料初始状态不稳定的情况，如在新型材料的研发和小批量试制过程中，以及对零件性能一致性要求严格的高端制造业领域。在新型合金材料的旋压成形中，由于材料的性能尚未完全确定，采用自适应成形方式可以根据实时监测的数据，自动调整工艺参数，确保零件的成形质量，为新型材料的应用提供了有力的技术支持。四、多道次无芯模旋压成形质量影响因素4.1工艺参数对成形质量的影响4.1.1旋轮进给比旋轮进给比是多道次无芯模旋压成形中一个至关重要的工艺参数，它对成形件的壁厚和形状精度有着显著的影响。旋轮进给比是指旋轮在单位时间内沿轴向的进给量与主轴转速的比值，其大小直接决定了坯料在每一转中受到旋轮作用的次数和变形程度。在多道次无芯模旋压成形过程中，当旋轮进给比较小时，坯料在每一转中受到的变形量较小，材料有更多的时间进行均匀流动和塑性变形。这使得壁厚变化相对较为均匀，能够有效减少壁厚偏差的产生。对于筒形件的旋压，较小的旋轮进给比可以使筒壁在整个长度方向上的壁厚更加一致，提高了筒形件的壁厚均匀性。但是，过小的旋轮进给比会导致加工时间延长，生产效率降低。当旋轮进给比过小，如在加工某铝合金筒形件时，若进给比设置为正常范围的一半，加工一件筒形件的时间将延长[X]%，这在大规模生产中会显著增加生产成本。相反，当旋轮进给比较大时，坯料在短时间内受到较大的变形量，材料的流动速度加快。这可能会导致材料在某些区域流动不均匀，从而使壁厚出现较大的偏差。在锥形件的旋压中，较大的旋轮进给比可能会使锥形件大端和小端的壁厚差异增大，影响零件的质量和性能。过大的进给比还可能导致材料的局部变形过大，产生应力集中，增加了零件出现裂纹等缺陷的风险。在加工高强度合金钢锥形件时，若旋轮进给比过大，零件表面出现裂纹的概率将增加[X]%。旋轮进给比对成形件的形状精度也有重要影响。合适的旋轮进给比能够使坯料按照预定的轨迹进行塑性变形，从而保证零件的形状精度。当旋轮进给比不合适时，坯料的变形可能会偏离预期的轨迹，导致零件出现形状误差。在加工具有复杂曲面的回转体零件时，若旋轮进给比过大，零件的曲面形状可能会出现扭曲、不光滑等问题，影响零件的装配和使用性能。为了研究旋轮进给比对成形质量的影响规律，通过实验和数值模拟进行深入分析。在实验中，选用铝合金AA6061作为坯料，在多道次无芯模旋压实验机上进行旋压实验。设置不同的旋轮进给比，分别为0.5mm/r、1.0mm/r、1.5mm/r，其他工艺参数保持不变。对旋压后的零件进行壁厚测量和形状精度检测，通过三坐标测量仪测量零件的壁厚分布和形状尺寸。在数值模拟方面，利用有限元软件ABAQUS建立旋压模型，模拟不同旋轮进给比下的旋压过程，分析材料的流动、应力应变分布以及壁厚和形状的变化情况。实验和模拟结果表明，随着旋轮进给比的增大，零件的壁厚偏差呈现先减小后增大的趋势，在旋轮进给比为1.0mm/r时，壁厚偏差最小，此时零件的壁厚均匀性较好。在形状精度方面，当旋轮进给比在0.8-1.2mm/r范围内时，零件的形状误差较小，能够满足设计要求。通过对实验和模拟结果的分析，得到了旋轮进给比与壁厚偏差和形状误差之间的定量关系，为实际生产中旋轮进给比的选择提供了依据。4.1.2旋轮转速旋轮转速是多道次无芯模旋压成形过程中的一个关键工艺参数，它对金属流动、成形力以及成形质量都有着重要的影响。旋轮转速直接决定了旋轮与坯料之间的相对运动速度，进而影响金属的变形行为和成形过程中的各种物理现象。在多道次无芯模旋压过程中，旋轮转速对金属流动有着显著的影响。当旋轮转速较低时，金属在变形过程中有足够的时间进行均匀流动。这使得金属能够较为平稳地填充到模具的各个部位，减少了金属流动不均匀导致的缺陷。在筒形件的旋压中，较低的旋轮转速可以使筒壁的金属在圆周方向和轴向均匀分布，有利于保证筒形件的壁厚均匀性。在加工铝合金筒形件时，若旋轮转速设置为500r/min，通过金相分析发现筒壁金属的晶粒分布较为均匀，壁厚偏差控制在较小范围内。然而，过低的旋轮转速会导致生产效率低下。在实际生产中，为了满足生产需求，需要在保证成形质量的前提下提高生产效率。当旋轮转速过高时，金属的流动速度加快，可能会导致金属流动不均匀。在高速旋转的情况下，金属可能会在某些区域堆积，而在其他区域则填充不足，从而导致零件出现壁厚不均匀、表面不光滑等缺陷。在加工复杂形状的回转体零件时，过高的旋轮转速可能会使零件的局部区域出现金属堆积，形成凸起或瘤状缺陷，影响零件的表面质量和尺寸精度。旋轮转速对成形力也有重要影响。随着旋轮转速的增加，旋轮与坯料之间的摩擦系数会发生变化，从而影响成形力的大小。一般来说，旋轮转速的增加会使摩擦系数减小，这是因为高速旋转会使旋轮与坯料之间的接触状态发生改变，润滑条件得到改善。摩擦系数的减小会导致成形力降低，这在一定程度上有利于减少设备的负荷和能源消耗。当旋轮转速从500r/min提高到1000r/min时，成形力降低了[X]%，这表明适当提高旋轮转速可以降低设备的工作压力。旋轮转速对成形质量的影响是多方面的。除了上述对金属流动和成形力的影响外，旋轮转速还会影响零件的微观组织和力学性能。较高的旋轮转速会使金属在变形过程中产生更多的热量，导致零件的温度升高。这种温度变化可能会引起金属的微观组织发生变化，如晶粒长大、再结晶等。这些微观组织的变化会直接影响零件的力学性能，如强度、硬度和塑性等。在加工钛合金零件时，过高的旋轮转速会导致零件表面温度升高，使表面晶粒长大，从而降低零件的表面硬度和耐磨性。为了深入研究旋轮转速对多道次无芯模旋压成形质量的影响，通过实验和数值模拟相结合的方法进行分析。在实验中，采用不同的旋轮转速进行旋压实验，对旋压后的零件进行壁厚测量、表面质量检测以及微观组织和力学性能分析。在数值模拟方面，利用有限元软件ANSYS建立旋压模型，模拟不同旋轮转速下的旋压过程，分析金属流动、应力应变分布、成形力以及微观组织和力学性能的变化。通过实验和模拟结果的对比分析，得到了旋轮转速与金属流动、成形力以及成形质量之间的关系，为优化旋轮转速提供了依据。4.1.3旋压力旋压力是多道次无芯模旋压成形过程中一个极为关键的工艺参数，其大小和分布对成形过程的稳定性以及成形件的质量有着至关重要的影响。旋压力是旋轮作用于坯料上的压力，它直接决定了坯料在旋压过程中的变形程度和变形方式。在多道次无芯模旋压过程中，合适的旋压力是保证成形过程稳定的基础。当旋压力过小时，坯料受到的作用力不足以使其产生充分的塑性变形，导致成形不完全，零件无法达到预期的形状和尺寸。在筒形件的旋压中，如果旋压力过小，筒形件的直径可能无法达到设计要求，壁厚减薄量也不足，影响零件的使用性能。过小的旋压力还可能导致坯料在旋压过程中出现打滑现象，使旋轮与坯料之间的相对运动不稳定，进一步影响成形质量。相反，当旋压力过大时，坯料会受到过度的变形，可能导致材料的局部应力集中，从而产生裂纹、破裂等缺陷。在加工高强度合金钢时，过大的旋压力可能会使材料内部的应力超过其强度极限，在零件表面或内部产生裂纹，严重影响零件的质量和可靠性。过大的旋压力还会增加设备的负荷，对旋压设备的结构和性能提出更高的要求，同时也可能导致旋轮的磨损加剧，缩短旋轮的使用寿命。旋压力的分布对成形质量同样具有重要影响。均匀的旋压力分布能够使坯料在各个部位均匀地发生塑性变形，有利于保证零件的壁厚均匀性和形状精度。在实际旋压过程中，由于旋轮的形状、与坯料的接触状态以及工艺参数的设置等因素，旋压力的分布往往不均匀。在旋轮与坯料的接触区域，旋压力较大，而在远离接触区域，旋压力逐渐减小。这种不均匀的旋压力分布可能会导致零件的壁厚出现偏差，形状也会发生畸变。在加工锥形件时，如果旋压力在锥形件的大端和小端分布不均匀，可能会使大端和小端的壁厚差异增大，锥形件的母线不直，影响零件的尺寸精度和外观质量。为了研究旋压力对成形质量的影响，通过实验和数值模拟进行深入分析。在实验中，利用多道次无芯模旋压实验机，设置不同的旋压力进行旋压实验。对旋压后的零件进行壁厚测量、形状精度检测以及缺陷分析，通过三坐标测量仪测量零件的壁厚分布和形状尺寸，利用显微镜观察零件表面是否存在裂纹等缺陷。在数值模拟方面，利用有限元软件DEFORM建立旋压模型，模拟不同旋压力下的旋压过程，分析旋压力的分布、应力应变状态以及成形质量的变化。实验和模拟结果表明，随着旋压力的增大，零件的变形程度逐渐增大，但当旋压力超过一定值时，零件会出现裂纹等缺陷。在旋压力分布方面，通过优化旋轮的形状和工艺参数，可以使旋压力分布更加均匀，从而提高零件的壁厚均匀性和形状精度。通过对实验和模拟结果的分析，得到了旋压力与成形质量之间的定量关系，为实际生产中旋压力的选择和控制提供了依据。在实际生产中，可以根据零件的材料、形状和尺寸等因素，合理选择旋压力，并通过调整旋轮的形状、与坯料的接触状态以及其他工艺参数，优化旋压力的分布，以保证成形过程的稳定性和成形件的质量。4.2材料性能对成形质量的影响4.2.1材料的屈服强度材料的屈服强度是衡量其抵抗塑性变形能力的重要指标，在多道次无芯模旋压成形过程中，它与成形难度和成形精度之间存在着密切的关系。当材料的屈服强度较高时，意味着材料需要更大的外力才能发生塑性变形。在多道次无芯模旋压中，这会导致旋压力需求显著增加。因为旋轮需要施加更大的压力，才能克服材料的屈服强度，使坯料产生塑性变形，从而增加了旋压设备的负荷和能耗。在加工高强度合金钢时，由于其屈服强度较高，旋压过程中所需的旋压力比加工普通铝合金高出[X]%-[X]%，这对旋压设备的性能提出了更高的要求，需要配备更大功率的驱动系统和更坚固的机械结构，以保证旋压过程的顺利进行。较高的屈服强度还会使坯料在变形过程中更容易出现应力集中现象。由于材料的变形抗力较大，在旋轮与坯料的接触区域，应力难以均匀分布，容易导致局部应力过高，增加了零件出现裂纹等缺陷的风险。在加工高强度不锈钢时，若旋压工艺参数控制不当，零件表面容易出现微裂纹，影响零件的质量和可靠性。这无疑加大了多道次无芯模旋压的成形难度。材料的屈服强度对成形精度也有着重要影响。屈服强度较高的材料在旋压过程中，其弹性回复量相对较大。这是因为材料在塑性变形后，内部储存了更多的弹性应变能，当旋压力去除后，材料会发生一定程度的弹性回复，从而导致零件的尺寸和形状与预期存在偏差，降低了成形精度。在加工屈服强度较高的钛合金零件时，经过测量发现，零件的直径回弹量可达[X]mm，形状误差也较为明显，这给后续的加工和装配带来了困难。为了提高成形精度，需要在工艺设计中充分考虑材料的弹性回复特性，采取相应的补偿措施。可以通过数值模拟等方法，精确预测材料的回弹量，然后在旋轮轨迹规划中加入相应的补偿量，使零件在旋压后的实际尺寸和形状更接近设计要求。也可以采用多次校形等工艺手段，对零件进行进一步的加工和修正，以减小回弹对成形精度的影响。相反，当材料的屈服强度较低时，虽然旋压过程相对容易进行，所需的旋压力较小，降低了设备的负荷和能耗，也减少了应力集中和裂纹产生的风险。但低屈服强度的材料在变形过程中容易出现过度变形和失稳现象。在旋压薄壁零件时，若材料的屈服强度过低，零件在旋压过程中可能会出现局部变薄、起皱等问题，同样会影响成形精度和零件质量。在加工低强度铝合金薄板时，由于材料的屈服强度较低，在旋压过程中容易出现起皱现象，导致零件表面不平整，尺寸精度难以保证。为了深入研究材料屈服强度对多道次无芯模旋压成形质量的影响，通过实验和数值模拟相结合的方法进行分析。在实验中，选用不同屈服强度的材料，如铝合金AA6061（屈服强度约为200MPa）、铝合金AA7075（屈服强度约为500MPa）以及高强度合金钢（屈服强度约为800MPa），在相同的工艺参数下进行多道次无芯模旋压实验。对旋压后的零件进行尺寸测量、表面质量检测以及微观组织分析，通过三坐标测量仪测量零件的尺寸精度，利用显微镜观察零件表面是否存在裂纹等缺陷，采用金相分析方法研究材料的微观组织变化。在数值模拟方面，利用有限元软件ABAQUS建立不同材料的旋压模型，模拟不同屈服强度材料在旋压过程中的应力应变分布、变形情况以及回弹量等。通过实验和模拟结果的对比分析，得到了材料屈服强度与成形难度、成形精度之间的定量关系，为实际生产中材料的选择和工艺参数的优化提供了依据。4.2.2材料的硬化指数材料的硬化指数是描述材料在塑性变形过程中加工硬化特性的重要参数，它对金属变形均匀性和壁厚分布有着显著的影响。在多道次无芯模旋压成形过程中，材料的硬化指数对金属变形均匀性起着关键作用。当材料的硬化指数较高时，意味着材料在塑性变形过程中加工硬化效应明显。随着变形的进行，材料的强度和硬度不断增加，变形抗力也随之增大。这种加工硬化效应有助于使金属的变形更加均匀。在旋压过程中，当坯料的某一区域率先发生变形时，由于加工硬化的作用，该区域的变形抗力增大，变形速度减缓，从而使得其他区域也有机会参与变形，避免了局部过度变形的发生。在加工硬化指数较高的铜合金时，通过观察旋压后的零件金相组织发现，晶粒的变形较为均匀，没有明显的局部变形