超大口徑藥形罩強力旋壓應力應變場有限元分析

曹振鵬，梁嵬，青格勒，孫國昌

（長春理工大學機電工程學院，長春 130022）

超大口徑藥形罩強力旋壓應力應變場有限元分析

曹振鵬，梁嵬，青格勒，孫國昌

（長春理工大學機電工程學院，長春 130022）

藥型罩應力應變場的分布規律分析是研究其成形機理的基礎和前提。基于ABAQUA/Explicit平臺建立超大口徑藥型罩強力旋壓三維有限元模型，通過數值模擬對藥型罩強力旋壓成形過程應力應變場的分布規律進行了分析，研究表明，藥型罩的圓角處和接觸區應力值較大，在強力旋壓過程中該區域容易破裂，實際生產中應予以關注。

藥型罩；強力旋壓；應力場；應變場

強力旋壓成形過程是尾頂塊將毛坯夾緊，芯模帶動坯料旋轉，旋輪碾壓坯料作進給運動，使毛坯連續地逐點地變薄并貼靠芯模而成為所需要的工件，其原理如圖1所示。強力旋壓的應力狀態中壓應力起主要作用，在一次旋壓中可以允許較大的變形量，生產效率高，產品性能好，材料利用率高、產品成本低等優點，使得其在兵器、航空、導彈和軍械等塑性加工領域占有重要地位，且成為制造薄壁回轉體工件的主要方法［1］。

藥型罩是破甲戰斗部中最關鍵的零件之一，是形成射流或彈丸的主要元件，它的質量對破甲效能有直接影響，目前為止，已發展了多種制造藥型罩的技術，如車削、鑄造、鍛造、沖壓等［2］。隨著國防事業的不斷發展，對藥型罩的要求不僅僅限于達到藥型罩的外在質量，而對藥型罩產品的內在性能以及輕薄化、復雜化、大型整體化提出了更高的要求，車削、鑄造和鍛造等成形方法不能滿足新的要求而被淘汰，由于旋壓成形工藝的眾多優點在藥型罩生產中得到廣泛應用，目前已經成為藥型罩成形的唯一方法。

圖1 強力旋壓原理示意圖

目前，針對普通大小、單純的錐形件旋壓國內外學者做了大量的研究［3-5］，取得了大量很有價值的研究成果。本文在分析旋壓各影響因素的基礎上，建立既符合實際生產條件又兼顧高效率、高精度的三維有限元模型，在ABAQUS/Explicit軟件平臺進行了模擬計算，基于模擬計算結果的分析，獲得了超大口徑藥型罩旋壓成形過程中應力應變的分布及變化規律，可為其實際生產工藝方案的制定提供參考［6-7］。

1 有限元模型的建立

本文建立的超大口徑藥型罩三維有限元模型如圖2所示，基于應用價值和計算效率兩方面做了假設和簡化處理，假設材料為各向同性且不可壓縮，即變形前后材料體積不發生變化，旋輪與毛坯摩擦統一由庫倫摩擦表示，忽略溫度與旋輪自轉；省去尾頂的建模，在約束定義時，將毛坯和尾頂接觸的部分用tie連接方式與芯摸綁定，使坯料和芯模以同一轉速旋轉。建模時，芯模和旋輪采用解析剛體，毛坯為可變形，板料采用六面體8節點一次減縮積分實體單元（C3D8R）進行網格劃分。為了方便應力應變場各個方向的輸出，定義了材料局部方向，其中X為母線方向，Y為徑向，Z為周向。

圖2 藥型罩強力旋壓有限元模型

2 模擬結果分析

采用本文建立的超大口徑藥型罩強力旋壓三維有限元模型，研究獲得超大口徑藥型罩旋壓過程中旋壓件的應力應變的分布與規律。主要計算條件如下：

毛坯如圖3所示，直徑Φ450㎜，厚度H15㎜，材料為T2紫銅，楊氏模量E為1080MPa，泊松比μ為0.3，密度ρ為8900kg/m3，屈服強度350MPa，模擬仿真模型建立時在保證計算結果精度要求和符合實際工藝的基礎上對模型進行了簡化，仿真模型的尺寸按比例縮小為實際尺寸的三分之一進行了有限元仿真。

圖3 毛坯

超大口徑藥型罩仿真工藝參數如表1所示。

表1 仿真模型各部件基本參數

2.1 強力旋壓過程的應力分布與變化

圖4所示為藥型罩在成形的25%、50%、75%、100%四個階段等效應力分布與變化云圖。從圖中可以看出，旋輪與坯料的接觸區始終為等效應力極大值σmax分布區，隨著旋輪的進給等效應力極大值區域也隨著變動，但是始終為旋輪與坯料接觸區，旋輪的前方（已成形區）也有等效應力較大的區域，這是因為旋輪對前方金屬具有拉彎作用，拉應力傳遞到旋輪后方已成形區所呈現的現象。縱觀（a）、（b）、（c）、（d）四幅圖，等效應力的分布是以兩個旋輪的對稱面為對稱面對稱分布的。

圖4 等效應力分布

圖5所示為取點位置（如圖4d）內外側單元在成形過程三個方向的應力變化曲線圖，從圖中可以看出，母線方向應力和周向內外側應力在旋壓的開始階段增長緩慢，始終處于拉應變狀態，在成形40%時，應變值出現較大波動，拉壓應力一次交替，徑向內外側應力在旋壓開始階段增長迅速，在成形40%時出現較大波動，但始終處于拉應力狀態。縱觀（a）、（b）、（c）三幅圖，在同一時間外側的應力值是大于內側的應力值，這是因為應力由外側向內側傳遞的原因。

圖5 取點位置三個方向應力變化

2.2 強力旋壓過程的應變分布與變化

圖6所示為藥型罩在成形的25%、50%、75%、100%四個階段等效塑性應變分布與變化云圖。從圖中可以看出，等效塑性應變呈環狀帶分布，在旋壓開始階段，旋輪附近板坯為大變形區，隨著旋壓的深入大變形區環狀帶向旋輪后方（已成形區）移動，且大變形區環狀帶寬度隨著成形的繼續逐漸增大。在成形的整個過程中等效塑性應變的極大值εmax在逐漸的增大，這主要是因為板料的變形量越來越大，等效應變極值也越來越大。

圖7所示為所取路徑（如圖6d所示）內外側沿路徑真實距離三個方向應變變化曲線圖。從圖中可以看出，在所選的路徑上母線方向和徑向內外側單元都處于壓應變狀態，而周向塑性應變始終處于拉應變狀態。應變值在成形過程中三個方向某一位置波動較大，這是因為坯料在變形中的金屬堆積所致。縱觀（a）、（b）、（c）三幅圖，藥型罩成形過程中，內外層單元等效塑性應變在三個方向的分布與趨勢幾乎一致。

圖6 等效塑性應變分布

圖7 所選路徑三個方向應變變化

3 試驗驗證

試驗完成后得到如圖8所示的試驗樣件，取下試驗樣件觀察沒有宏觀缺陷、表面完整，有明顯的旋壓紋路。旋壓后進行尺寸的測量，壁厚選取等分的垂直圓周方向的四條母線，如圖8的A、B、C、D所示，將四條測量線進行等分并用超聲波測厚儀測量壁厚，數據見表2。

考慮到金屬材料塑性成形過程中材料具有一定的回彈量，所以在工藝試驗中旋輪與芯模的間隙并不等于工件的壁厚，T2紫銅的回彈量較大，理論減薄率較小時，材料變形沒有完全達到屈服極限，有部分材料仍然處于彈性變形階段。因此，旋輪與芯模的間隙設置必須充分考慮材料的回彈量。本試驗中旋輪與芯模的間隙設置小于工件理論壁厚（2.5㎜），實際預留間隙為2.45㎜。

圖8 質量合格的試驗樣件

表2 合格工件尺寸測量結果

實驗結果：

（1）經旋壓后，壁厚由5㎜減薄到2.5㎜，總減薄率50%。

（2）壁厚精度要求2.5±0.05㎜，旋壓后，所有測量點的壁厚值都達到精度要求，尺寸精度符合要求。

4 結論

采用ABAQUS/Explicit軟件平臺建立了超大口徑藥型罩強力旋壓有限元模型，通過模擬結果分析了應力場應變場的分布規律，對相似工件實際生產具有一定的參考意義。

（1）在藥型罩的成形過程中，等效塑性應力的極大值始終位于旋輪與坯料的接觸區，在旋壓的終了階段工件的圓角附近也達到極大值，說明圓角處在加工過程中容易裂開。

（2）在藥型罩的強力旋壓成形過程中，外側三個方向處于拉應力狀態，內側徑向處于拉應力狀態，母線方向和周向應力狀態不明顯。

（3）藥型罩成形過程中，等效塑性應變一直呈環狀分布，在開始階段應變極大值在旋輪與坯料接觸區，隨著成形的深入，應變極大值移向已成形區。成形終了階段應變的極大值環狀帶分布在工件兩端，一條靠近小端，一條靠近旋輪。

（4）藥型罩強力旋壓成形過程中，母線方向、徑向內外側都處于壓應變狀態，周向內外側處于拉應變狀態且變化規律與趨勢基本一致。

［1］周強，詹梅，楊合.帶橫向內筋錐形件旋壓應力應變場的有限元分析［J］.塑性工程學報，2007，14（3）：49-53.

［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］吳統超，詹梅，古創國，等.大型復雜薄壁殼體第一道次旋壓成形質量分析［J］.材料科學與工藝，2011，19（1）：121-126.

［4］陳建華，鄧強，馬飛，等.大直徑薄壁鋁合金封頭剪切旋壓成形研究［J］.鍛壓技術，2016，41（6）：38-43.

［5］郝繼東，刑照斌，秦升學，等.錐形件三維變薄旋壓數值模擬［J］.鍛壓技術，2010，35（3）：80-83.

［6］詹梅，馬上官.筒形件旋壓有限元分析中芯模和旋輪相對運動的處理方法［J］.精密成形工程，2011，3（6）：107-111.

［7］夏琴香，張帥斌，吳小瑜，等.錐形件單道次拉深旋壓成形的數值模擬及試驗研究［J］.鍛壓技術，2010，35（1）：44-48.

Large Diameter Liner Power Spinning
Finite Element Analysis of Stress and Strain Fields

CAO Zhenpeng，LIANG Wei，QING Gele，SUN Guochang
（School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

Distribution of Liner stress and strain field analysis is to study the forming mechanism of the basis and premise.Based ABAQUA/Explicit platform to build large diameter Liner Power Spinning dimensional finite element model，the process of distribution of stress and strain fields through numerical simulation Liner power spinning analyzes，studies show Liner round corner and the contact stress area is large，in the process of power spinning the region prone to rupture，the actual production should be concerned.

liner；power spinning；strain field；stress field

TG306

A

1672-9870（2017）01-0098-04

2016-09-19

曹振鵬（1989-），男，碩士研究生，E-mail：cao_zhp3315@sina.com

梁嵬（1979-），男，博士研究生，工程師，E-mail：Liang811@sina.com