環狀零件滾壓加工成形仿真技術探究

唐衛平

摘 要： 對航天閥門環形零件的加工過程中涉及到轉動、位移等多個過程，呈現出非線性的復雜特征。為了研究環狀零件的滾壓加工，使用有限元法進行滾壓加工的仿真分析，以保障滾壓加工達到最佳效果。基于此，本文首先闡述了仿真技術對于滾壓加工的重要性，然后進行了仿真實驗和結果的分析。

關鍵詞： 環狀零件；滾壓加工；仿真技術

引言：在傳統的環形零件加工中，需要依靠技術人員的專業技能和手感經驗，還要經過復雜的試驗篩選，才能保證滾壓加工的質量。因此，還需要加強對滾壓加工仿真技術的研究，將仿真技術應用在環形零件的加工中，提高零件的質量。

一、仿真技術對滾壓加工的重要性

航天閥門是火箭運載中壓力傳輸系統十分重要的構件，航天閥門是一種密封件環狀結構，零件的加工穩定性是保障閥門可靠性的基礎，更是影響火箭發射的主要因素。密封件環狀結構是利用普通車床的刀具進行滾壓加工制作的，對操作人員的技能和手感有著很高的要求，加工之后經過產品的試驗篩選得出性能可靠的產品。由此可見，研究環狀零件仿真技術，可以將零件的加工過程數字化處理，從根本上保證零件加工質量以及可靠性。環狀零件的滾壓過程是一種大位移基礎上的有限應變過程，具有一定的非線性特征，使用簡單的解析法對三維變形問題進行求解。隨著計算機的仿真技術快速發展，仿真技術已經具備了強大的數據分析能力，使用有限元的方法能夠對環狀零件進行滾壓加工研究[1]。仿真技術在滾壓加工中的應用，有利于加工成本的控制，也能夠縮短加工的周期。在仿真過程中使用動力顯示算法，能夠縮短計算時間，控制儲存空間，減少很多操作困難。

二、動力學顯示算法

本文使用動力學顯示算法進行仿真研究，得到滾壓過程中產生的應力和應變等。動力學顯示算法方程為：Mü+Cù+P=F。其中M是質量矩陣，C是阻尼矩陣，P是內力矩陣，F是外載荷矢量，u是位移。一般情況下，使用中心拆分法求解，離散速度中心差分公式為： ，加速度中心差分公式為： 。將這兩個公式帶入到動力學顯示算法公式中，對離散點位移的公式進行求解。顯示算法方程并不是耦合，而是要直接求解，顯示方程存在穩定的條件，需要時間步長小于臨界值，這樣這個算法才是穩定的。

三、仿真過程以及結果

（一）仿真試驗前處理

環狀零件滾壓加工方面，很多學者的研究使用了不同的仿真軟件。本文以ABAQUS仿真軟件為例，進行仿真研究[2]。在進行仿真研究的時候，使用SU304不銹鋼作為航天閥門的密封件元件，在進行滾壓的過程中發生的變形比較大，需要使用胡克定律以及應變模型來對材料彈性和塑性進行描述。在仿真過程中，密封件環狀構件和滾刀接觸并不是線性的簡單問題，要想更加準確的模擬密封件環狀結構，必須要設置無穿透條件在互相接觸的兩者間。

（二）刀具角度的影響

在刀具軸線和工件軸線兩者間在進給過程中形成的角度就是刀具角度。在進行仿真的過程中，刀具角度要控制在0。～6.79。之內。讓刀具角度發生改變來驗證滾壓加工質量受到的影響，最終可以得到結論：刀具角度的改變沒有起到明顯提高滾壓質量的作用。在滾壓加工過程中，選擇合理角度保證刀具和機床之間不會互相干涉即可。通過對刀具角度的研究分析，刀具角度選擇為6.79。和0.1。的時候進行實驗，根據實驗結果可以了解到在刀具角度為6.79。的時候，工件被加工之后表面相對平整，在刀具角度為6.79。的時候，所得到工件表面同樣比較平整，這兩者之間的差距不大，也驗證了仿真結論的準確性。

（三）進給速度的影響

在同樣刀具角度條件下，通過調整不同的進給速度，進行滾壓加工的仿真，從而得到在不同的進給速度情況下，分析滾壓的加工質量。當進給速度處于較低水平的時候，加工零件的邊緣會產生上翹的情況。當進給速度處于比較高的水平的時候，加工零件的質量比前一種情況要好很多。將進給速度從每秒0.2毫米提升到0.4毫米的時候，對加工質量的影響并不明顯。

（四）主軸轉速的影響

在真實加工的過程中，可以發現滾壓加工質量受到主軸轉速比較明顯的影響，對主軸轉速進行仿真分析。通過對比分析可以明顯了解到主軸轉速的增大，會在滾壓加工零件邊緣產生明顯的褶皺，其中的應力變化也十分明顯，對于滾壓加工質量把控有不利的影響。因此，將主軸轉速設定為每分鐘260轉比較合理。對仿真結論展開試驗驗證，當主軸轉速達到每分鐘260轉的時候，加工工件表面也一直處于平滑狀態，并沒有出現表面褶皺的情況，只存在輕微的表面上翹。這是由于實驗時有塑料環對工件起到了約束作用，滾壓部分值產生了輕微的上翹問題。當主軸轉速達到每分鐘340轉的時候，加工工件產生小臺階，加工的表面也存在粗糙的問題，因此將主軸轉速設定為每分鐘260轉比較恰當。

（五）進給方式的影響

在滾壓加工的過程中，滾刀進給有兩種方式，分別是恒速進給以及平滑進給。對于兩種滾刀進給方式展開仿真，對加工質量進行對比。首先使用平滑進給的方式進行零件加工，所得到的零件邊緣比較平整，并沒有產生表面褶皺。再使用恒速進給的方式進行零件加工，可以發現零件表面出現了明顯的邊緣上翹，表面也出現了明顯的褶皺。因此，在滾壓加工的過程中，需要盡量保證滾壓速度平滑的變化，這樣更有助于保障零件的加工質量。對此結論展開試驗分析，使用平滑進給方式加工，加工的部位相對平整，恒速給進方式加工造成了工件邊緣上翹。根據實驗結果可以確定平滑進給方式比恒速給進方式更具有優勢，可以驗證仿真結論的準確。

（六）滾壓工藝參數的優化

根據航天閥門密封件滾壓過程的仿真過程，對滾壓工藝優化，從而得到滾壓工藝的最佳參數。利用優化之后的滾壓參數展開仿真試驗，分析仿真結果可以了解到滾壓部位的邊緣并沒有出現明顯的上翹，也沒有出現褶皺問題。內邊緣也呈現出平整的效果，更加符合滾壓加工的實際要求。經過滾壓實驗的驗證，可以得出進給方式可以選擇平滑進給，進給速度設定為每秒0.2毫米，主軸轉速可以設定為每秒260轉，刀具的角度可以控制在3.4。～6.79。。經過優化之后的工藝參數，在進行滾壓加工的時候，可以加工出邊緣平整，沒有褶皺的零件。并且能夠保證平滑的加工表面，加工出來的工件比較符合對技術的要求，可以用來指導實際加工工作。

結論：綜上所述，本文基于仿真技術對滾壓加工的重要性，使用動力學顯示算法進行了仿真過程以及結果的分析，從仿真試驗前處理、刀具角度、進給速度、主軸轉速、進給方式以及滾壓工藝參數的優化多個方面進行了研究。經過仿真實驗的驗證，可以得出進給方式可以選擇平滑進給，進給速度設定為每秒0.2毫米，主軸轉速可以設定為每秒260轉，刀具的角度可以控制在3.4。～6.79。，可以保障滾壓加工質量。

參考文獻

[1]吳艷，連旭日.防止環狀薄壁零件變形的加工方法[J].工程機械，2017，48（11）：38-41+7.

[2]南紅艷，李春杰，黃鑫，鄭喜平.環狀零件的淬火變形規律及其在生產中的應用[J].熱加工工藝，2016，45（06）：214-216.