導彈頭旋壓成型機理及成型質量研究

曾宇航，趙 勇，趙 平，唐亮亮

（長安大學工程機械學院機械設計系道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安710064）

0 引言

旋壓工藝是一種薄壁回轉體構件的先進塑性加工方法，能夠實現無切削成形，并可改善工件的組織性能與力學性能[1]。導彈頭殼體為一種曲母線型回轉體零件，而現有文獻大多都是對直母線零件進行研究，如文獻[2-6]分別對錐形件以及筒形件進行了有限元建模及分析。因此本文以曲母線導彈頭作為研究對象，對其旋壓成型機理展開研究。而對旋壓工藝的設定，傳統的方法以經驗或實驗為主，而經驗指導摻雜太多主觀因素，實驗又會造成過多浪費，對于貴重金屬顯然不適合，本文通過數值模擬的方法，分析了不同工藝參數的旋壓成型過程以及成型質量，對實際的加工生產有指導意義。

1 有限元模型的建立

本研究中選用材料為304不銹鋼材，軋制成型，經退火處理，密度為。彈性模量，泊松比以及彈塑性應變曲線通過拉伸實驗得出，拉伸試樣根據國標GB6379-1986要求制取，材料具體參數為：楊氏模量194 020 MPa，泊松比 0.3，密度 7 800 kg/m2.抗拉強度520 MPa，屈服極限205 MPa.

旋壓成型屬于金屬大變形問題，因此采用ABAQUS/Explicit顯示動力學對其進行建模，模型包括旋輪、胚料、芯模。胚料中心部分與芯模耦合約束，隨芯模旋轉。接觸對包括旋輪外表面與胚料上表面接觸，芯模外表面與胚料下表面接觸，旋輪沿芯模母線進給。旋壓過程中旋輪與芯模不發生變形，故旋輪與芯模設置為解析性剛體以便減少計算時間，胚料定義為可變形體，采用SC8R殼單元進行網格劃分，劃分方法為中性軸算法，種子數為徑向50，周向100，共計5 000個網格。胚料下側與芯模的摩擦系數為0.1，旋輪外側與胚料上側的摩擦系數為0.01.本文選取旋輪直徑55 mm，旋輪圓角半徑為10 mm，減薄率為 50%，進給比為 1.25 mm/r，主軸轉速為 145 r/min.見圖 1.

圖1 有限元建模圖

2 模擬結果分析

2.1 應力分布

如圖2所示為導彈頭單道次剪切旋壓應力分布云圖，從圖中可以看出，最大應力分布在導彈頭的頂部區域和旋輪與零件的接觸區域。這是因為在導彈頭旋壓成型時，芯模與胚料中心區域耦合，從而帶動胚料旋轉，在芯模高速轉動的情況下，胚料中心部分發生較大的扭曲變形，故而應力較大。而在胚料與旋接的觸區域，胚料減薄，接觸區域受拉應力與剪應力，故而應力較大。且在成型過程中材料向底部流動，故而未成形區域厚度增加，且易出現起皺現象。因此在成型過程中應特別關注零件頂端和待成型區域。

圖2 應力分布云圖

2.2 壁厚分布

為評價導彈頭旋壓成型的質量，以旋壓成型時的壁厚分布均勻程度作為其評價指標。為此，從胚料中心按徑向等分取3條周向節點線，按周向等分取3條徑向節點線來分析其厚度分布。

圖3和圖4分別顯示了導彈頭旋壓成型時壁厚沿徑向以及周向的分布情況，從圖2可以看出，導彈頭沿徑向呈非均勻分布狀態，且在頂端與末端壁厚較厚，其厚度值大于1 mm，由此可見在成型初期存在厚度回彈現象。而中間部位厚度值較小。且3條曲線貼合緊密，走勢相同，說明其厚度沿周向方向分布均勻。從圖3的3條曲線可以直觀的看出，在成型過程中壁厚沿周向分布呈近似均勻狀態，且周向第3條厚度最大，第1條次之，第二條厚度值最小且分布更為均勻，進一步證明了在導彈頭旋壓成型時，厚度沿徑向方向分布不均，且靠近頂端與靠近未成形端的厚度較大，而在中部厚度為1 mm，與預期厚度相吻合。

圖4 厚度沿周向分布圖

3 工藝參數對壁厚的影響

旋壓工藝參數對零件的成型質量有重要的影響。以壁厚分布作為其成型質量的評價指標，本文就主軸轉速和減薄率對其壁厚分布的影響規律進行研究，由以上分析可知，導彈頭旋壓成型時厚度沿周向方向均勻分布，因此本文只選取第2條徑向節點路徑進行壁厚分布對比分析。

3.1 主軸轉速對壁厚分布的影響

本文選取主軸轉速，以及三種轉速研究其對壁厚分布的影響規律，圖5顯示了三種轉速對零件徑向厚度分布的影響，從圖中可以看出，隨著轉速的增加，旋壓成型過程中的厚度回彈現象逐漸減弱，即零件厚度逐漸接近預期厚度值，見圖6.但同時，零件徑向厚度分布不均勻現象有所加劇。綜上分析，導彈頭旋壓成型的合理主軸轉速應為。

圖5 不同轉速對徑向厚度影響

圖6 中間模擬效果圖

3.2 減薄率對壁厚分布的影響

本文在主軸轉速n=190 r/min的情況下選取減薄率δ=30%，δ=50%兩種減薄率對壁厚分布規律的影響進行研究，顯示了其對壁厚徑向分布以及周向的影響，從圖7可以看出，當減薄率δ=33%時，零件徑向壁厚分布嚴重不均勻，中部壁厚嚴重偏離預期壁厚值。而當δ=50%時，徑向厚度不均現象明顯改善，且厚度與預期壁厚值最接近。

圖7 不同減薄率對徑向厚度影響

4 結論

（1）導彈頭在旋壓成型時應力應變最大區域為零件頂部區域和胚料與旋輪的接觸區域，且未成形區域易出現起皺現象。成型時應予以特別關注。

（2）導彈頭旋壓成型時，由于回彈現象，徑向厚度存在分布不均勻現行，且呈兩邊厚中間薄的特點，而周向厚度呈現均勻分布狀態。

（3）主軸轉速，減薄率對導彈頭旋壓成型壁厚分布具有重要的影響，隨著主軸轉速的增大，回彈現象逐漸減弱，壁厚逐步貼近預期壁厚值，但轉速過大，零件壁厚分布不均勻現象加劇。而當減薄率過小時，零件壁厚嚴重偏離預期壁厚值。綜上，本種型號導彈頭旋壓的最優主軸轉速與減薄率為n=190 r/min，δ=50%.