超大型筒形件對輪強力旋壓合理工藝參數研究

陳開達，李 帆，張昊天，高志杰，孫浩然，朱文宇，趙升噸

(西安交通大學 機械工程學院，陜西 西安 710049)

0 前言

隨著軍用火箭導彈和航空航天技術的發展，性能要求和輕量化的要求逐漸提高[1]，為了增加結構強度和減少整體重量，超大型鋁合金筒形件的運用越來越廣。目前鋁合金筒形件，主要成形方式包括鑄造成形、車削成形、鍛造成形和旋壓成形[2]。受制于尺寸和材料，航天超大型鋁合金薄壁筒形件的加工較為困難，然而使用多層材料拼焊來完成部件的聯接，會降低整體結構的強度，如圖1所示為航天超大型筒形件的多層拼焊。

圖1 航天超大型筒形件的多層拼焊

旋壓成形常常用于薄壁筒形件的成形，其分為普通旋壓和強力旋壓。為了提高筒形件材料的性能，相較于普通旋壓的方式，一般會選用強力旋壓。強力旋壓過程一般可根據有無芯模分為有模旋壓和對輪旋壓[3-4]。在加工大型筒形件時，考慮到芯模的制造問題，使用有模旋壓較為困難，使用加工范圍相對靈活的對輪旋壓較為合適[5]。然而在旋壓過程中，因為旋輪軸向進給過程中有較大的軸向力，容易使坯料形成鼓形褶皺[6]，降低加工成形的質量。因此，工藝參數的選取也十分重要。

對輪強力旋壓工藝即成對的旋輪從側面進行環扎擠壓，完成徑向進給，坯料進行自轉完成軸向進給，最后由旋輪在完成一圈減薄后，后移并下移開始下一圈減薄以完成軸向進給，從而完成筒形件整體的強力旋壓。本文將通過圓度、實際減薄率與期望減薄率的關系、成形后坯料應力分布以及旋壓過程中旋輪受到的最大反力等因素，分析減薄率、坯料自轉速度和旋輪徑向進給速度等工藝參數對旋壓結果的影響。

1 對輪強力旋壓模型的建立

ABAQUS是進行工程模擬的有限元軟件，可模擬典型工程材料的性能，解決結構和其他工程領域的許多問題[7]。由于超大型薄壁筒形件的對輪強力旋壓過程中，需要考慮內外旋輪和坯料內外表面、夾具與坯料表面的復雜動態接觸、強力旋壓較大減薄率帶來的材料大變形，以及隱式和顯式算法的特點及適用范圍[8]，本文采用ABAQUS/Explicit模塊完成旋壓過程的模擬仿真。

1.1 坯料材料的化學成分及應力應變曲線

研究使用的材料是2A14航天鋁合金，2A14屬于2000系鋁合金，其含有的主要元素包括鋁、錳、銅、硅等，各個元素的質量分數如表1所示。

表1 2A14鋁合金各化學元素的質量分數

該材料擁有較高的強度以及較好的可加工性，其應力應變曲線如圖2所示。

圖2 鋁合金2A14應力應變曲線[9]

1.2 旋輪尺寸的確定

為了簡化模型，旋輪選為剛體，理論上旋輪的直徑越大，旋壓效果越好，但是旋輪直徑也受坯料的壁厚影響[10]，因此最大直徑為

(1)

式中，tmim為工件的最小壁厚；μ為摩擦系數；σbk為變形率為K時的材料抗拉強度。

計算可得，旋輪直徑應小于3.19 m，考慮到制造難度和驅動難度，最終旋輪直徑選為0.5 m。

因為成形過程為徑向旋壓，所以旋輪和坯料的接觸面選為柱面，同時為了方便每道次旋輪的咬入以及減少旋輪的磨損，旋輪和坯料的接觸面與旋輪錐面之間通過圓角過渡。為了提高旋壓效果，圓角半徑設置為20 mm，接觸面的寬度為11.32 mm。最終可得旋輪的尺寸如表2所示。

表2 旋輪尺寸

1.3 旋壓過程有限元仿真模型的構建

一般對輪旋壓設備中，旋輪對數一般選為1～4對[11]。當旋輪對數過少時，加工效率低下，加工精度和加工穩定性都欠佳；而當旋輪對數過多時，加工設備結構會較為復雜，實際中難以實現。因此，考慮到旋壓過程的效率、穩定性和精度，同時也考慮到生產實際中的設備狀況，仿真模型中的旋輪對數選為4，排布為對稱分布。

坯料的內徑為4 965 mm，外徑為5 015 mm，壁厚為25 mm，高度為1 000 mm。對坯料進行網格劃分，考慮到相較于四面體網格，六面體網格精度更高[12]，故網格劃分采用三維8結點單元，即C3D8R。為了減少運算成本同時提高計算精度，對接觸部分進行網格細化，最終劃分后的網格包括82 572個結點和64 850個單元，劃分結果如圖3所示。

圖3 坯料網格劃分示意圖

為了簡化模型，夾具底座和旋輪屬性設置為剛體，最終的裝配體模型如圖4所示。

圖4 4對輪強力旋壓仿真模型裝配體

為了簡化計算過程，夾具底座和坯料設置為綁定關系，由夾具底座帶動坯料旋轉。由于薄壁筒形件穩定性較差，旋壓質量受減薄率、軸向進給速度和旋轉速度的影響較大[13]，其余邊界條件以及工藝參數的設置如表3所示。

表3 工藝參數的數值設置

最終設計旋壓過程的示意圖如圖5所示：

圖5 旋壓過程示意圖

考慮到超大型薄壁筒形件的對輪強力旋壓是個復雜的加工過程，涉及各種因素和限制，因此從尺寸精度、減薄目標的達成、成形后材料應力狀態和加工設備的要求4個方面，分別選取成形后內外徑圓度、實際減薄率與設計減薄率對比、成形后材料應力分布以及成形過程中旋輪受到的最大反力作為分析的數據。

2 壁厚減薄率

單一道次的壁厚減薄率，作為加工效率的直接影響因素之一，一般對于旋壓的質量有較大影響，鋁合金筒形件的硬度會隨著減薄率增大而增大[14]，減薄率過大時會導致坯料的形變量和對旋輪的反力增加，減薄比過小時，坯料形變量的不均勻會導致成形精度會降低[15]。因此，對不同壁厚坯料的旋壓情況，分別以20%、30%、40%、50%、60%的減薄率進行仿真，并對結果分析。理論減薄率與減薄尺寸質量關系如圖6所示。

圖6 設計減薄率與尺寸質量和實際減薄率的關系

由可圖6(a)可知，在設計減薄率為40%的時候，實際旋壓過程中，筒形件毛坯的圓度狀況最好；而由圖6(b)可知，在設計減薄率為50%時，實際減薄率與目標達到的減薄率最接近。因此可得出在該狀況下，減薄尺寸質量最好的減薄率應在40%～50%之間。

不同減薄率下，坯料上的應力分布和旋壓過程中旋輪受到的最大反力如圖7所示。

圖7 減薄率與坯料應力分布和旋輪受到的反力關系

由圖7可知，隨著減薄率的增加，材料形變量增加，坯料的應力分布逐漸增大。同時材料發生硬化，對旋輪的反作用力也逐漸增加。

綜上所述，過小或者過大的減薄率都會影響成形的尺寸質量，因此在該加工條件下，根據得出的結論，單一道次減薄率在40%～50%之間會達到較好的加工效果。

3 坯料轉速

在仿真過程中，坯料在加工時進行自轉，因此不同的坯料轉速也對旋壓加工的質量有一定的影響。對坯料外表面的轉速分別設置為2 m/s、4 m/s、6 m/s、8 m/s、10 m/s的仿真情況進行分析。不同外表面轉速下，尺寸質量和減薄率目標達成效果如圖8所示。

圖8 坯料轉速與尺寸質量和減薄目標達到情況的關系

由圖8(a)可知，隨著坯料轉速的增加，旋輪單位時間內接觸的坯料長度逐漸增加，使得旋壓表面質量逐漸提高，內外徑的圓度呈下降趨勢。

由圖8(b)可知，當坯料外圈轉速在6 m/s以下的時候，隨著毛坯轉速的增加，由于旋輪單位時間內與坯料接觸長度增加，整體減薄效果越來越好，但是當轉速在6 m/s以上的時候，坯料直徑較大，厚度較薄，受到離心力等因素的影響，減薄效果下降。

不同坯料轉速下，坯料上的應力分布和旋壓過程中旋輪受到的最大反力如圖9所示。

圖9 坯料轉速與坯料應力分布和旋輪受到的反力關系

由圖9(a)可知，坯料外圈轉速到達6 m/s之前，由于旋壓過程中旋輪與坯料接觸逐漸變得均勻，所以坯料應力分布呈降低趨勢，而轉速達到6 m/s以上之后，坯料受到離心力等因素的影響，其應力分布又逐漸上升。

由圖9(b)可知，隨著坯料轉速的增加，旋輪受到的反作用力逐漸降低，因此，增加坯料的轉速，能有效減小旋輪的工作載荷。

綜上所述，在該加工條件下，坯料轉速增加能提高加工尺寸質量并降低旋輪受到的反力，應當在離心力影響可控的范圍內，以及生產設備允許的范圍內，提高坯料的轉速。

4 旋輪徑向進給速度

不同于旋壓旋輪進行的軸向進給，影響旋壓的生產效率的主要是旋輪的徑向進給，因此旋壓的徑向進給速率對于加工質量的影響也較為重要。對坯料相同轉速下的不同徑向進給速度對旋壓加工質量的影響進行探討。在旋輪不同徑向進給速度下，尺寸質量和減薄率目標達成效果如圖10所示。

圖10 旋輪進給速度與尺寸質量和減薄目標達到情況的關系

由圖10(a)可知，相較于其他幾個因素，在0.1～1 mm/s的范圍中，不同進給速度對于內外徑圓度影響較小，只是在進給速度為0.4 mm/s時，旋壓效果相對較好，但是沒有明顯的影響趨勢。

由圖10(b)可知，隨著旋輪徑向進給速度的增加，減薄效果逐漸變差，但是由于最后在旋輪沒有徑向進給時，坯料額外的轉動進行了修圓，所以實際減薄率與目標值的差值得到了控制。

在旋輪的不同徑向進給速度下，坯料上的應力分布和旋壓過程中旋輪受到的最大反力如圖11所示。

圖11 旋輪徑向進給速度與坯料應力分布和旋輪受到的反力關系

由圖11(a)可知，隨著旋輪徑向進給速度的增加，坯料應力分布逐漸降低。而由圖11(b)可知，隨著旋輪徑向進給速度逐漸增加，旋輪受到的反力也在逐漸增加。

綜上所述，旋輪徑向進給速度在有額外坯料旋轉進行修圓的情況下，旋輪徑向進給速度的增加對于坯料的尺寸精度和最終減薄目標的影響是可控的，但是會一定程度上增加設備的負載，因此應當在設備生產條件允許的情況下，一定范圍內增加旋輪徑向進給速度以提高生產效率。

5 結論

(1)針對超大型直徑薄壁鋁合金的筒形件，傳統的強力旋壓過程單道次變形程度過大，就會使旋壓過程中軸向壓應力造成材料壓縮失穩起皺的缺陷。影響該超大直徑鋁合金筒形件旋壓的主要工藝參數有減薄率、坯料轉速、旋輪徑向進給速度等。

(2)在強力對輪旋壓的成形過程中，減薄率直接影響了加工件尺寸質量和減薄目標的達成，過小的減薄率和過大的減薄率都會造成加工質量的下降，同時增加減薄率會提高加工設備的負載。由仿真結果得出，在該加工條件下，40%～50%的壁厚減薄率會帶來較好的加工效果。

(3)在強力對輪旋壓的成形過程中，坯料轉速通過影響單位時間內旋輪與筒形件接觸的長度，對尺寸精度和旋輪受到的反力影響較大，由仿真結果可知，隨著坯料轉速的增加，成形件的尺寸質量逐漸提高，并且旋輪受到的反力逐漸降低，只是在轉速增加的同時，離心力也會對成形結果造成一定影響。因此，應當在離心力影響可控的范圍內，和生產設備允許的范圍內，盡量提高坯料的轉速。

(4)在強力對輪旋壓的成形過程中，旋輪徑向進給速度直接決定生產效率，在該加工條件下，在0.1～1 mm/s范圍中，旋輪徑向進給速度的增加對于加工件的尺寸質量影響并不大，但會增加旋輪受到的最大反力，因此應當在設備生產條件允許的情況下，在一定范圍內增加旋輪徑向進給速度以提高生產效率。