筒形件強力旋壓的有限元模擬

宛 瓊，李付國，李超玲

（1.河南科技大學 材料科學與工程學院，河南 洛陽 471003；2.西北工業大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710072）

筒形件強力旋壓的有限元模擬

宛 瓊1，李付國2，李超玲2

（1.河南科技大學 材料科學與工程學院，河南 洛陽 471003；2.西北工業大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710072）

現代旋壓技術是廣泛應用于航空、航天、軍工等金屬精密加工技術領域的一種先進塑性成形工藝。強力旋壓是旋壓技術的一個重要組成部分，對強力旋壓的受力狀態進行深入研究將有助于了解旋壓工藝的特點和可能出現的缺陷。本文用彈塑性有限元法對強力旋壓過程進行了模擬，獲得了強力旋壓穩定狀態下應力應變的分布規律，解釋了強力旋壓的變形機理和隆起等缺陷產生的原因。

機械制造；強力旋壓；筒形件；數值模擬

1 前言

現代旋壓技術是廣泛應用于航空、航天、軍工等金屬精密加工技術領域的一種先進塑性成形工藝。強力旋壓作為旋壓技術的一個重要組成部分，它在制造精度高、長徑比大的薄壁筒形零件加工中，顯示了獨特的優越性。己成為成形小批量、多品種回轉薄壁殼體零件的重要加工方法[1]。

隨著計算機技術的發展，計算機數值模擬在工程計算和理論研究中得到廣泛應用，并且逐步應用到塑性加工領域來。采用有限元數值模擬方法分析旋壓成形過程的變形機理、受力以及合理地選取工藝參數律，可以有效地提高強力旋壓的成形極限、成形質量和加工效率。

2 有限元模型

在筒形件強力旋壓中，毛坯由芯模固定，并由旋壓機主軸帶動旋轉，旋輪沿軸向作進給運動，對坯料進行加工。但這在有限元分析中很難實現。為了建模方便，在建立有限元模型時，可將芯模和旋輪視為剛性體，芯模固定不動，旋輪相對于坯料旋轉，同時沿切向作進給運動，以實現毛坯和旋輪的相對運動。在旋輪高速旋轉時，可將旋輪沿坯料軸向同時加載，并在毛坯固定不動的一端加軸向位移約束。這樣筒形件強力旋壓過程就簡化成簡單的三維問題進行處理。

實際加工中，變形集中在旋輪接觸區附近，劃分單元時，在變形區加以細化，而在遠離變形區的地方可逐漸將網格劃分的粗大一些，以便節約運算機時。其有限元網格離散模型見圖1。筒形件旋壓時，工件上的塑性區僅僅存在于旋輪下面的局部區域，周圍的金屬仍然處于彈性變形狀態，且對塑性變形區起著約束和限制作用。為簡化計算，對模型做如下假設：旋壓中采用雙錐面旋輪，且不計圓角半徑；略去變形中因摩擦產生的溫度效應；在計算中忽略慣性力的影響。

本文采用八節點六面體單元對坯料進行網格劃分，旋輪和芯模均采用Shell單元進行網格劃分，模型經離散化后，毛坯為3455個節點，2429個單元；芯模為815個節點，767個單元；旋輪為167個節點，143個單元。

坯料選用難成形材料TC4合金，應力應變關系近似采用雙線性模型。力學性能見表1。

3 邊界條件與接觸的處理

正旋時，旋輪朝毛坯自由的厚壁端方向進給，受尾頂壓緊的一端是已旋壓形成的薄壁端，故將起旋端面節點視為固定點，見圖2b。反旋時，旋輪朝毛坯未成形端方向進給，受約束的一端是未成形端，故將未成形端面節點視為固定點，見圖2a。

表1 毛坯與旋輪的力學性能

對毛坯與芯模間的接觸問題，將芯模表面節點作為固定點，并將該接觸表面定義為被動接觸表面，而毛坯內節點為主動接觸表面。對于旋輪與毛坯間的接觸問題，將毛坯表面視為主動接觸表面，旋輪表面定義為被動接觸表面。

本文采用商業化軟件Ansys進行有限元模擬，取旋壓穩定階段進行分析，即旋壓行程為14mm時進行分析。所選工藝參數見表2。

表2 強力旋壓模擬時工藝參數的選擇

4 模擬結果及分析

模擬結果見圖3、圖4所示。

從圖3、圖4可以看出，無論正旋還是反旋，旋輪直接作用區的金屬在軸向、徑向和切向都處于壓應力狀態，且徑向壓應力最大。通過比較，反旋時的各向應力及等效應力都比正旋時大，這與實際情況相符。

5 結束語

由上述分析可以看出，旋輪作用區軸向前方的金屬處于徑向伸長、軸向壓縮的狀態，隨著過程的積累會造成旋輪前金屬的隆起。圖中數據還表明，反旋時的徑向伸長量和軸向壓縮量均比正旋時的大，這正是反旋比正旋更容易形成隆起的原因。

[1]王成和，劉克璋,等.旋壓技術[M].北京：機械工業出版社，1986.

[2]李靈鳳.藥型罩強力旋壓的數值模擬結果分析[J].鍛壓裝備與制造技術，2008,43（2）:89-91.

[3]趙憲明，吳 迪，呂 巖,等.筒形件正旋旋壓力及位移分布規律的有限元分析[J].塑性工程學報，2007,7（4）:56-59.

[4]韓志仁，陶 華，劉黎明.筒形件強力旋壓有限元模擬研究[J].機械設計與制造，2006,（11）:137-139.

[5]郭福林，李 萍，錢陳豪，張賓賓.筒形件旋壓工藝模擬及實驗研究[J].精密成形工程，2010,2（5）:18-21.

[6]張利鵬，劉智沖，周宏宇.筒形件強力旋壓成形特點及變形規律[J].農機化研究，2006,2（2）:128-131.

Numerical simulation on power spinning process of cylindrical workpiece based on FEM

WAN Qiong1，LI Fuguo2，LI Chaoling2
（1.School of Materials Science and Engineering，Henan University of Science and Technology，Luoyang 471003，Henan China；2.School of Materials Science and Engineering,Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，Shanxi China）

The process of tube spinning process has been simulated by use of 3D elastic-plastic FEM in the text.The distribution of stress and strain under stable condition has been gained.The deformation principle and reasons which cause the defects have been explained.

Power spinning;Spinning force；Elastic-plastic FEM；Numerical simulation

TG335.19

B

1672－0121（2011）04－0083－02

2011-05-12

宛 瓊（1980-）女，碩士，講師，從事材料塑性成形的教學與研究