內(nèi)筋參數(shù)對薄壁復(fù)雜構(gòu)件旋壓材料流動的影響

孫凌燕

（江蘇技術(shù)師范學(xué)院 材料工程學(xué)院，常州 213001）

0 引言

金屬旋壓是一種連續(xù)局部塑性成形技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，主要用于空心回轉(zhuǎn)體零件的成形[1]。節(jié)能減排的推進(jìn)使得結(jié)構(gòu)輕量化成為零件設(shè)計目標(biāo)，拓寬了復(fù)雜薄壁構(gòu)件在航空航天和工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。旋壓技術(shù)具有變形條件好、制品性能高和材料利用率高等特點[2,3]，因此在制造復(fù)雜薄壁構(gòu)件時優(yōu)先考慮采用該技術(shù)。實踐證明，旋壓技術(shù)不僅能夠完成構(gòu)件的成形，而且能保證制件的成形質(zhì)量和尺寸精度。文獻(xiàn)[4]采用多道次復(fù)合旋壓技術(shù)加工出了大型曲母線壁殼體；文獻(xiàn)[5]運用反向滾珠旋壓實現(xiàn)了帶縱向內(nèi)筋薄壁筒的成形；文獻(xiàn)[6]采用旋壓技術(shù)成形出了帶橫向內(nèi)筋的錐形件；文獻(xiàn)[7]運用單道次旋壓實現(xiàn)了內(nèi)嚙合齒輪的無切削加工。文獻(xiàn)[5～7]所成形的薄壁構(gòu)件均具有類似的幾何特點，那就是構(gòu)件內(nèi)壁帶有環(huán)狀或直線型的凸突起。這類結(jié)構(gòu)在產(chǎn)品設(shè)計中稱為加強(qiáng)筋，在產(chǎn)品的減重設(shè)計中被大量采用，主要用于增加構(gòu)件剛度，提高產(chǎn)品質(zhì)量[8]。

采用塑性成形工藝加工加強(qiáng)筋能保證筋部流線的完整性，既能保證構(gòu)件的使用性能又能節(jié)約材料，但旋壓成形過程中，材料的流動極為復(fù)雜，尤其是筋部的成形為工藝過程的控制帶來了很大的困難。因此文獻(xiàn)[4～8] 采用工藝試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式對薄壁復(fù)雜構(gòu)件的旋壓成形工藝進(jìn)行了探索，研究了帶內(nèi)筋類薄壁構(gòu)件成形過程中的材料變形和流動的狀況、應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律、缺陷成形的機(jī)理、旋壓力變化規(guī)律以及工藝參數(shù)的影響規(guī)律，為這一類構(gòu)件的旋壓生產(chǎn)奠定了良好基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[8]指出金屬充填筋腔時，筋腔口所受應(yīng)力較大，此處模具也易受損壞，因此研究構(gòu)件內(nèi)筋（模具筋腔）參數(shù)對材料流動的影響規(guī)律有著切實的意義，但相關(guān)工作未見報道。

1 研究方法

論文采用數(shù)值模擬的方式分析了內(nèi)筋的成形過程，在此基礎(chǔ)上研究了內(nèi)筋參數(shù)對材料流動的影響，以便為構(gòu)件的設(shè)計和成形工模具的優(yōu)化提供依據(jù)。

1.1 數(shù)值模擬模型

薄壁復(fù)雜構(gòu)件的旋壓成形是材料的三維彈塑性變形，且旋壓屬于連續(xù)局部成形，模擬整個構(gòu)件的成形需要耗費大量的計算資源；考慮到構(gòu)件具有回轉(zhuǎn)對稱的特性，建模型時僅對三條筋的成形。為兼顧分析精度和分析效率，模型采用辨識度和分析精度較好的八節(jié)點六面體等參單元來離散毛坯，并將旋輪與毛坯的相對運動簡化成單獨的旋輪螺旋式進(jìn)給，二者的接觸采用剪切摩擦模型，摩擦系數(shù)為0.1。同時，忽略材料各向異性影響、溫度場變化、慣性力影響。所建模型如圖1所示，實踐證明該模型是合理的，可用于薄壁復(fù)雜構(gòu)件成形的分析[7]。

圖1 數(shù)值模擬模型

1.2 工藝參數(shù)

數(shù)值模擬所用材料為08AL，材料的彈性模量E 為221GPa，泊松比γ為0.3，真實應(yīng)力應(yīng)變曲線為σ=446（ε+0.01）0.22MPa。成形采用圓形旋輪進(jìn)行，旋輪直徑dr為200mm，圓角半徑rρ為15mm；主軸轉(zhuǎn)速n為200r/min，旋輪進(jìn)給速度f為1mm/r。毛坯厚度為4.5mm，壓下量為2.5mm；成形構(gòu)件的內(nèi)筋為梯形，為避免內(nèi)筋強(qiáng)度的明顯下降，梯形底角設(shè)為10°。其余的內(nèi)筋參數(shù)為：筋高h(yuǎn)為2mm，筋長l為25mm，筋底寬b為7.18mm，筋間距w為6.42mm。

2 內(nèi)筋成形過程分析

如圖2所示為薄壁復(fù)雜構(gòu)件成形過程中變形區(qū)內(nèi)的三向應(yīng)力分布狀況。由圖2可知，材料的變形集中旋輪加載區(qū)（徑向應(yīng)力最大處），變形區(qū)材料在徑向受壓，沿軸向和切向伸長；材料在這兩個方向的流動受到周圍區(qū)域的約束，故變形區(qū)材料在切向和軸向也同樣受壓，變形區(qū)內(nèi)材料處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，這有利于提高材料的可成形性。同時，旋輪的局部加載，使得三向應(yīng)力在坯料直徑方向呈現(xiàn)出梯度分布；除加載區(qū)外，筋腔口是分布應(yīng)力較大的區(qū)域，這與文獻(xiàn)[8]的報道一致。

如圖3所示為內(nèi)筋在不同計算步的充填狀況。由圖3可知，過渡區(qū)材料的徑向收縮、切向伸長以及筋部材料的徑向伸長、切向收縮是內(nèi)筋成形的主要原因。在類似“鐓擠”的變形過程中，材料經(jīng)歷了三個變形階段：初始階段（如圖3(b)所示），過渡區(qū)材料由兩側(cè)流入筋腔，初步成形出內(nèi)筋；基本成形階段（如圖3(c)、圖3(d)所示），內(nèi)筋高度逐步增加，但材料的變形并不均勻；最后階段（如圖3(e)、圖3(f)所示），主要完成筋腔角隅部分的填充。從網(wǎng)格的變形狀況可以看出，流入筋腔的材料來自于毛坯的內(nèi)側(cè)，且材料的分流線偏向后成形一側(cè)；由于承受較大的剪切力，接觸旋輪的外側(cè)材料在切向呈單向流動狀態(tài)，且流動速度明顯大于內(nèi)側(cè)材料。材料切向變形不均勻是由材料的應(yīng)力梯度所致，這將大大增加內(nèi)筋的充填難度。

圖2 變形區(qū)的三向應(yīng)力分布

圖3 內(nèi)筋在不同階段的充填狀況

3 內(nèi)筋參數(shù)對材料流動的影響

3.1 內(nèi)筋形狀的影響

如圖4所示為矩形內(nèi)筋和梯形內(nèi)筋處的材料變形狀況（除底角不同外，二者的內(nèi)筋參數(shù)相同，矩形可視為底角為0）。筋腔充填的過程中，在材料與筋腔壁的接觸面上存在著摩擦力，其作用方向與材料的流動方向相反，這是內(nèi)筋側(cè)壁處存在著較大應(yīng)變梯度的主要原因（與內(nèi)筋中部相比）。此外，由圖中還可以看出，矩形內(nèi)筋側(cè)壁的應(yīng)力梯度較之梯形的側(cè)壁更為明顯，且等效應(yīng)力的最大值也更大。這是因為傾斜的筋腔壁有利于材料的流動，能降低材料的應(yīng)變梯度。因此，選用梯形內(nèi)筋可改善成形過程中材料不均勻流動，同時也能保證內(nèi)筋角隅部位（等效應(yīng)力最大處）的成形。

圖4 不同形狀內(nèi)筋的等效應(yīng)變分布

圖4 內(nèi)筋處的等效應(yīng)變分布

3.2 內(nèi)筋寬度的影響

如圖5所示是將內(nèi)筋寬度b增加一倍(b=14.36mm)，不改變內(nèi)筋其它參數(shù)的模擬結(jié)果。與圖3對比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)內(nèi)筋寬度增加后，角隅處出現(xiàn)了充填不足的問題，但并不明顯。充填缺陷是由兩個原因?qū)е碌摹Ｆ湟唬瑑?nèi)筋寬度增加一倍，內(nèi)筋成形所需金屬的量也增加了一倍左右；其二，成形過程中，旋輪與坯料的接觸面積非常小，當(dāng)內(nèi)筋寬度增加到一定程度時，材料的變形行為將發(fā)生變化，產(chǎn)生類似剪切的變形，使得充填筋腔的材料減少。但成形內(nèi)筋在高度方面的變化并不明顯，這是因為材料充填通道（筋腔口尺寸）同時也增大了，使得材料更容易流入筋腔，這在一定程度上緩解了材料充填量不足的矛盾，故在內(nèi)筋成形的最后階段出現(xiàn)材料不足。因此設(shè)計內(nèi)筋時，要控2.519e-001-1.511e-003-2.549e-001-5.084e-001-7.618e-001-1.015e+000-1.269e+000-1.522e+000-1.775e+000-2.029e+000-2.282e+000制內(nèi)筋寬度，以防止缺陷的產(chǎn)生。

3.3 筋間距的影響

內(nèi)筋的成形有賴于過渡區(qū)域材料的徑向受壓和切向伸長，從這個層面是看，筋間距越大，對內(nèi)筋的成形越有利。但旋壓是一個連續(xù)局部加壓使坯料產(chǎn)生整體變形的過程，材料的變形僅出現(xiàn)在加載區(qū)形及其周圍很小的范圍內(nèi)，筋間距的增大不會對加載區(qū)產(chǎn)生更大的約束，繼而影響材料在筋部的變形。相反，當(dāng)內(nèi)筋寬度超過某個臨界值時，筋部的剪切變形還會導(dǎo)致過渡區(qū)域材料的失穩(wěn)，進(jìn)而影響構(gòu)件的后續(xù)成形。因此，構(gòu)件的筋間距不宜過大。

4 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬的方式就復(fù)雜薄壁構(gòu)件內(nèi)筋成形進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：

1）內(nèi)筋成形過程中材料的流動及其復(fù)雜，旋輪的加載方向存在著應(yīng)力、應(yīng)變梯度，合理選擇內(nèi)筋幾何參數(shù)，有助于改善材料流動的不均勻性；

2）不影響構(gòu)件強(qiáng)度的情況下，宜選擇梯形內(nèi)筋、要控制制件的內(nèi)筋的寬度和筋間距，以防止成形過程中在筋部出現(xiàn)材料的剪切變形，進(jìn)而影響成形質(zhì)量。

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