鋁制毛坯筒形件雙輪強力旋壓仿真模型的建立

楊羽

（長春理工大學 生命科學技術學院，長春 130022）

鋁制毛坯筒形件雙輪強力旋壓仿真模型的建立

楊羽

（長春理工大學 生命科學技術學院，長春 130022）

部分筒形鋁制毛坯在強旋過程中需要利用尾頂將其頂緊在芯模上，但由于毛坯較軟以及所需頂緊力較大等原因，導致尾頂嵌入毛坯，使毛坯件發生輕微變形的現象，毛坯的局部變形會造成減薄量的改變，從而導致旋壓工藝參數設置的偏差，最終使旋壓制品的尺寸精度難以保證，需要經過反復的旋壓工藝實驗修正工藝參數才能使最終的成形制品達到設計要求。提出了一種尾頂力的計算方法，并利用該算法對毛坯進行加載，利用修正的Thamasett算法建立毛坯與旋輪的關系，從而以Ansys為平臺建立了一個針對鋁制毛坯的筒形件雙輪強力旋壓仿真模型。利用旋壓工藝實驗對仿真模型進行驗證，其結果與仿真結果一致。該仿真模型可用于指導旋壓生產企業的生產，可為企業節約大量的毛坯實驗件成本以及旋壓工藝實驗時間。

鋁制毛坯；筒形件；強力旋壓；尺寸精度

筒形件雙輪強力旋壓加工是指毛坯裝卡在芯模上并隨芯模旋轉，同時利用兩個對稱旋壓工具繞毛坯旋轉，兩個旋壓工具與芯模之間相對進給，使毛坯受壓并產生連續的局部塑性變形，從而獲得空心回轉零件的塑性加工過程［1］。

筒形件雙輪強力旋壓在國防工業以及民用工業方面都得到了廣泛的應用。比如火箭彈殼體、氣瓶等［2-7］。鋁制旋壓制品在各行各業的應用也逐漸增多，但隨著對旋壓制品尺寸精度的要求越來越高，尾頂力對鋁制毛坯擠壓變形所造成的影響越來越引起旋壓生產企業的關注。

鋁制毛坯在筒形件雙輪強力旋壓過程中，需要利用尾頂將鋁制毛坯頂緊在芯模上，其頂緊力的大小必須足夠，若頂緊力過小，則在旋壓過程中毛坯在旋壓力和離心力的作用下會發生相對轉動，甚至可能將毛坯從工作區中拋出造成事故。若頂緊力過大，則會引起主軸和尾頂的軸承過載。但即使是大小適中的頂緊力依然會對鋁制毛坯會造成一定量的變形。最直觀的表現就是尾頂嵌入鋁制毛坯，并且在嵌入部分的周邊形成一定的變形量。這就改變了毛坯的減薄量，從而使得設定的旋壓工藝參數產生偏差，進而影響整個旋壓制品的尺寸精度，尤其是接近尾頂位置的尺寸精度。

目前國內外的旋壓企業所采用的應對方法均是先忽略掉尾頂力對鋁制毛坯所造成的變形，設定旋壓工藝參數并且進行旋壓工藝實驗，依據實驗結果與設計指標的偏差再修正旋壓工藝參數，并再次進行旋壓工藝實驗，如此往復，直至旋制出合格的旋壓制品。但這種方法會造成大量的旋壓毛坯實驗件的浪費，并且每次旋壓均需要調整旋壓工藝參數，其調整周期非常耗時。通常情況下每旋制一個新的鋁制旋壓制品，需要進行5次左右的旋壓工藝實驗，每次旋壓工藝實驗大約要消耗掉3個鋁制毛坯，每次工藝實驗后調整工藝參數的周期為2天左右，一共需要消耗至少10天以上才能完成一個新的鋁制毛坯的工藝參數的摸索。

論文提出了一種尾頂力的計算方法，并利用該算法對毛坯進行加載，利用修正的Thamasett算法建立毛坯與旋輪的關系，從而以ANSYS為平臺建立了一個針對鋁制毛坯的筒形件雙輪強力旋壓仿真模型。

1 尾頂力算法

尾頂主要由電機、窄V帶、頂軸、頂料盤、絲杠、箱體等幾部分組成。工作時，由電機通過窄V帶帶動絲杠旋轉，使頂軸縱向進給，直到頂軸前端的頂料盤將毛坯與芯模固定好。在旋壓過程中，頂軸隨毛坯和芯模同步轉動。旋壓結束后，頂軸帶動頂料盤縱向退回。

對尾頂力的計算是以保證在旋壓過程中毛坯相對芯模處于靜止狀態為目的。毛坯與芯模間的摩擦力可利用庫侖定律來確定。

將作用于毛坯上所有力轉化到旋轉中心O上，那么作用于毛坯上的力系總矢量的投影為:

式中，Q為頂緊力；PZ為旋壓力軸向分力；PN為芯模表面上所有反力的法向分力的合力；Pr為旋壓力徑向分力；PμY為摩擦力總矢量在Y方向上的投影；Pl為旋壓力切向分力；PμX為摩擦力總矢量在X方向上的投影。

作用在毛坯上的力系總力矩投影為:

式中，R0為芯模半徑；e為旋壓力作用點至芯模母線的距離；M0X相對X軸芯模的反力矩；Mμ為相對Z軸的摩擦力矩；Mσ阻止頂緊塊轉動的力矩。

保證毛坯相對芯模靜止的必要和充分條件是，作用其上力系的總矢量與總力矩都要等于零。因此有:

若使毛坯處于相對靜止狀態，那么摩擦力矩必須等于或大于外力矩，則:

因此得出Mμmax與作用力之間的關系。假設作用于毛坯與芯模的接觸面上無窮小單位面積的摩擦力為:式

中，q為作用單元面積上的正壓力；ΔF為毛坯的單元面積；μ為摩擦系數，與毛坯和芯模接觸表面狀態有關。

Pμmax垂直于單元面積，同時又是至接觸表面中心O點的向徑。則:

其中，qi可以表示為:

可以認為毛坯和芯模接觸表面上每點qi1是相同的，而qi2與各點到Z軸的距離成正比。

作用于單元接觸面上的力qi2相對X軸的力矩為:

以極坐標(r,?)來表示:

式中，λ為未知的比例系數；dF為單元面積。

則相對X軸力矩:

當0≤?≤π時，λ取正值；當π≤?≤2π時，λ取負值。

因此qi可表示為:

未知比例系數為:

單位面積上最大摩擦力對回轉中心的力矩為:

如果i→∞，ΔF→0，則:

尾頂的頂緊力為:

以直徑100mm鋁制毛坯為例，分析尾頂力對毛坯減薄量所產生的影響。其實驗參數如表1所示。

表1 實驗參數

通過建立有限元模型進行分析，可得到以下結果:在頂緊力作用下，鋁制毛坯在徑向最大變形量為0.047mm，如圖1所示。

圖1 毛坯徑向變形量

所以在靠近尾頂位置毛坯的最大變形量應為10.647mm，要大于預計的減薄量10.6mm，減薄量的變化會直接導致旋輪旋壓力的改變。所以有必要建立準確的旋壓力算法，以保證準確的旋壓工藝參數的設定。

2 旋壓力算法

通常情況下旋壓生產企業會使用Thamasett算法對筒形件旋壓力進行計算。但通過大量的旋壓工藝實驗發現，其實驗電測法所測得的旋輪旋壓力與Thamasett算法所求取的旋輪旋壓力存在偏差。Thamasett算法所求取的旋壓力相較于測得值，在徑向上的偏差約為15%，在軸向上的偏差約為25%，在切向上的則偏差約為200%。根據這一規律，對Thamasett算法進行參數修正。則旋輪所受徑向力為［8］:

旋輪所受軸向力為:

旋輪所受切向力為:

3 仿真模型建立

以算法作為基礎，可以建立仿真模型，然后對旋壓過程及其結果進行模擬。其旋壓成形參數如表2所示。

表2 旋壓成形參數

首先利用CATIA建立幾何模型，如圖2所示。

圖2 幾何模型

利用Hypermesh對幾何模型進行前處理，如圖3所示。

圖3 Hypermesh前處理

以Ansys為平臺對算法進行二次開發，并且建立尾頂與毛坯、旋輪與毛坯的接觸。其實驗條件如表1所示，旋壓工藝參數如表3所示。

表3 旋壓工藝參數

利用Ansys進行求解，求得旋輪的塑性變形分別如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 方案1毛坯塑性變形

圖5 方案2毛坯塑性變形

圖6 方案3毛坯塑性變形

4 旋壓工藝實驗

為了便于與動力學仿真模擬的結果進行對比，論文的工藝實驗仍然選擇與仿真相同的鋁制毛坯作為實驗材料，實驗所用設備為QX62系列雙旋輪強力旋壓機，如圖7所示。其實驗結果如表4所示。

圖7 雙旋輪強力旋壓機

表4 實驗結果

5 成形結果對比分析

方案1、方案2、方案3的仿真結果與工藝實驗旋壓制品對比如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 方案1仿真模型與旋壓制品對比

圖9 方案2仿真模型與旋壓制品對比

圖10 方案3仿真模型與旋壓制品對比

方案1的仿真成形過程一直較為穩定，沒有出現裂紋或者擴徑的趨勢，成形質量較好。從旋壓制品工藝實驗結果來看，其塑性變形過程與仿真相符，其旋壓制品實驗結果與設計要求相符。

方案2的仿真過程中毛坯出現了較深的紋理，有破裂的傾向。從旋壓制品工藝實驗結果來看，由于進給量過大，最終導致毛坯出現裂紋。

方案3的仿真過程出現了明顯的不貼膜現象。從旋壓制品工藝實驗結果來看，由于主軸轉速過高，其旋壓制品的確出現了不貼膜的現象。

6 旋壓力結果對比分析

旋壓力是否準確也是驗證旋壓仿真模型是否準確的重要依據，利用電測法可以準確的測量旋壓過程中軸向、徑向和切向的旋壓力。其測量結果如表5所示。

表5 實驗結果

仿真模擬所得到的方案1、方案2、方案3的受力分別如圖11、圖12、圖13所示。

圖11 方案1軸向力、徑向力、切向力

圖12 方案2軸向力、徑向力、切向力

圖13 方案3軸向力、徑向力、切向力

從對比結果來看，方案1、方案2、方案3的模擬旋壓力與電測法測量所獲取的旋壓力基本相符。

7 結論

論文以Ansys為平臺建立了針對鋁制毛坯的筒形件雙旋輪強力旋壓仿真模型。并通過旋壓工藝實驗驗證了模型的準確性。該模型可用于旋壓生產企業的生產，可為企業節約大量的毛坯實驗件成本以及旋壓工藝實驗時間。

［1］ 楊羽.筒形件強力旋壓動力學仿真研究［D］.長春:長春理工大學，2014.

［2］ 路平，張云開，陳波.汽車輪輻錯距強力旋壓成形的有限元仿真［J］.上海交通大學學報，2015，49（1）:56-61.

［3］ 繆偉亮，劉大海，邵雪明.工藝參數對薄壁件多道次旋壓變形均勻性的影響［J］.精密成形工程，2014，6（2）: 18-23.

［4］ 張行健，陰中煒，周曉建，等.大直徑6061鋁合金筒形件旋壓工藝及性能研究［J］.輕合金加工技術，2013（10）: 54-58.

［5］ 李啟軍，范開春，王琪，等.大尺寸薄壁鈦合金筒體旋壓成形質量影響因素［J］.宇航材料工藝，2012，42（1）: 86-88.

［6］ 李克智，李賀軍，呂炎.筒形旋壓件內徑尺寸精度預測［J］.航空工藝技術，1998（5）:11-13.

［7］ 張學光，張治峰，梁嵬，等.筒形件旋壓加工中材料隆起情況分析研究［J］.長春理工大學學報:自然科學版，2016，39（1）:56-60.

［8］ 楊羽，曹國華.筒形件旋壓力Thamasett算法參數修正及仿真［J］.兵器材料科學與工程，2012，35（1）:84-87.

Establishment of Simulation Model of Aluminum Alloy Blank Cylindrical Pieces by Spinning Power

YANG Yu
（School of Life Science and Technology，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

Some of the cylindrical aluminum alloy blank need to be topped tightly with the end of the top in the spinning process.The soft blank and the larger top tight force lead to the end of the top embedding the blank and slight deformation of blank.The local deformation of blank will cause the change of thickness deduction and the deviation of spinning process parameter.Dimensional accuracy of spinning products is hard to guarantee.Only by repeated spinning process experiment to correct the process parameter，the final products can meet the design requirement.This article proposes a calculation method of the top end force and exert it upon the blank and establish a simulation model of aluminum alloy blank cylindrical pieces based on Ansys.The result is in accordance with the simulation one by the simulation experiment.The simulation model can be used for guiding spinning production and save a lot of blank experiment cost and spinning process experiment time.

aluminum alloy blank；cylindrical pieces；power spinning；dimensional accuracy

TH164

A

1672-9870（2016）05-0076-05

2016-05-16

楊羽（1983-），男，博士，講師，E-mail:yangyu1983@sina.com