帶環形凸臺薄盤形件旋壓成形規律研究

高暢，劉發美，金俊松，王新云，鄧磊，龔攀，張茂，唐學峰

帶環形凸臺薄盤形件旋壓成形規律研究

高暢，劉發美，金俊松*，王新云，鄧磊，龔攀，張茂，唐學峰

（華中科技大學 材料科學與工程學院 材料成形與模具技術全國重點實驗室，武漢 430070）

探明帶環形凸臺薄盤形件旋壓成形工藝的可行性，揭示成形過程的特點、成形缺陷的類型和產生機制，以及工藝參數對成形極限的影響規律。基于ABAQUSExplicit有限元模型，分析成形過程中的材料流動、應力分布、缺陷的產生機制和工藝參數對成形極限的影響規律。旋壓成形過程分為內槽填充、軸向隆起和徑向擴展3個階段，應力場沿徑向和周向呈梯度分布，坯料在徑向擴展階段由于受壓失穩產生了凸臺凹坑缺陷。成形極限隨凸臺增厚比、盤緣寬厚比和型槽傾角的增大而增大，隨旋輪進給比的增大，成形極限先增大后減小。總結了增厚旋壓工藝的成形特征、缺陷演化機制以及工藝參數對成形極限的影響規律，為帶環形凸臺薄盤形件旋壓成形工藝的設計和優化提供指導。

薄盤形件；環形凸臺；旋壓；缺陷；工藝參數；成形極限

帶環形凸臺薄盤類零件是航空航天領域典型的輕量化零件。采用熱模鍛+機加工等傳統方式制造此類零件已不能滿足高性能和低能耗的生產要求。近年來，特種旋壓技術得到了廣泛研究[1]，如多楔帶輪旋壓[2-5]、內筋筒形件旋壓[6-11]、楔入旋壓[12-13]、分形旋壓[14-15]、凹槽旋壓[16-17]，以及增厚旋壓等。其中增厚旋壓利用特殊設計的旋輪對板料進行體積成形，非常適合具有環形局部特征的薄盤類零件的成形[18]。

現有的增厚旋壓技術主要用于圓形薄板的邊緣增厚，可根據變形特點分為非對稱增厚旋壓和對稱增厚旋壓。對于非對稱增厚旋壓，Jin等[19]提出了一種用于圓形薄板邊緣增厚的旋轉成形新工藝，其特點是帶內凹槽的環形旋輪繞靜止工件的軸線以螺旋線軌跡運動，并給出了工藝設計原則和載荷計算公式。Wang等[20]提出了一種新的盤緣增厚旋壓方法，其工藝特點是坯料繞自身軸線旋轉，帶有外凹槽的圓柱形旋輪沿坯料徑向進給，從而使坯料邊緣增厚，分析了各工藝參數對成形穩定性的影響，獲得了加工窗口。Xue等[21]研究了坯料和旋輪的初始間隙對成形過程的影響，建立了一個現象學模型來表征初始間隙和質量指數之間的相關性。Jin等[22]采用多步增厚旋壓工藝將初始厚度3 mm的圓形坯料的邊緣增厚至9.1 mm，提高了增厚旋壓的成形極限。

對于對稱增厚旋壓，王煒等[23]和吳文魁等[24]分別介紹了常溫下和高溫下對稱增厚旋壓的工藝特點、成形載荷和可能的缺陷形式，發現對稱增厚旋壓穩定性與坯料寬厚比有直接聯系。劉發美等[25]系統地研究了兩步對稱增厚旋壓工藝的變形規律、成形特點和缺陷形式，以及各工藝參數的影響。

尚未有研究表明非盤緣區域的增厚旋壓技術是否可行。因此，本文提出了環凸盤形件的增厚旋壓成形工藝，并通過有限元模擬和實驗相結合的方法，研究了增厚旋壓工藝的成形機理、主要缺陷形式和成形參數對成形極限的影響。

1 實驗

環凸盤形件的增厚旋壓成形原理如圖1所示。上壓盤和下壓盤夾緊坯料，并同步地勻速旋轉。旋輪沿坯料的徑向直線進給，旋輪外周設有2段高度不同的環形型槽。在旋輪型槽的擠壓作用下，坯料逐漸填充旋輪型槽。當旋輪運動至終點位置時，坯料剛好完全填充旋輪型槽，形成了帶有環形凸臺特征的薄盤形零件。

旋壓試驗在大型立式皮帶輪旋壓機上進行，旋壓機主軸夾緊力為100 kN，旋輪徑向進給運動和主軸旋轉均由數控系統控制，在旋壓過程中使用切削液進行冷卻潤滑。旋輪模具如圖2所示，材料為Cr12MoV模具鋼，熱處理硬度為58HRC～62HRC，旋輪型槽內部粗糙度為0.4 μm。旋輪型槽可分為內槽和外槽，內槽寬度為1，高度為1，外槽寬度為2，高度為2，內槽高度1小于外槽高度2，內槽和外槽的傾角均為。

旋壓坯料采用完全退火處理的2024-T4鋁合金熱軋板，在Gleeble-3500熱模擬試驗機進行不同應變速率的室溫壓縮試驗，獲得的真實應力-應變曲線如圖3所示。坯料的初始厚度0=3 mm，根據塑性變形體積不變原理和旋輪型槽尺寸計算坯料的外徑。

采用ABAQUS/Explicit軟件建立的增厚旋壓有限元模型如圖4所示。上、下壓盤設置為解析剛體，不發生塑性變形。坯料設置為彈塑性變形體，材料為2024鋁合金，模擬環境溫度設置為室溫25 ℃。由于盤形坯料被上、下壓盤固定的區域基本不發生塑性變形，模擬時將盤形件簡化為環形件。使用C3D8R六面體縮減積分單元進行網格劃分，并采用增強沙漏控制。為保證計算精度，在坯料厚度劃分4層網格，徑向網格長度為1.5 mm，環向網格長度為3.0 mm。

圖1 增厚旋壓成形原理

圖2 旋輪模具尺寸

圖3 應力-應變曲線

圖4 有限元模型

本文采用極限凸臺增寬比γmax=2/0作為成形極限的評價指標，分別研究凸臺增厚比=2/0、盤緣寬厚比=1/0、型槽傾角和旋輪進給比對成形極限的影響。其中極限凸臺增寬比max、凸臺增厚比和盤緣寬厚比均被定義為無量綱參數的形式，目的是消除坯料初始厚度0的影響，使研究結果更具普適性。極限凸臺增寬比max越大，代表可穩定成形的凸臺越寬，增厚旋壓的穩定性和可成形性越好。根據前期研究選擇的工藝參數如表1所示。

對分法是一種常用的單因素優選法，是用較少的試驗次數迅速找到最優方案的一種現代科學試驗方法。如圖5所示，本文采用對分法結合有限元模擬來搜索極限凸臺增寬比max，每次只考慮一個工藝參數的影響，其他工藝參數保持不變。實驗方案如表2所示，以試驗1為參照組，則試驗組1-2-3-4、試驗組1-5-6-7、試驗組1-8-9-10和試驗組1-11-12-13分別對比了、、和對max的影響。

表1 工藝參數

Tab.1 Process parameters

圖5 對分法示意圖

2 結果與分析

2.1 有限元模型驗證

圖6a～b對比了相同工藝參數條件下的實驗結果和模擬結果的零件截面輪廓，實驗和模擬的零件截面輪廓基本一致。圖6c進一步對比了實驗和模擬的零件截面壁厚分布，可以看出，實驗和模擬結果的盤緣壁厚分布較為一致，模擬結果的環形凸臺最大壁厚與實驗值近似，環形凸臺寬度與實驗值僅相差0.78 mm。因此，所建立的有限元模型能夠有效地描述環凸盤形件的增厚旋壓過程。

表2 實驗方案

Tab.2 Experimental schemes

2.2 成形過程分析

環凸盤形件的增厚旋壓成形過程及等效應力分布如圖7所示，旋壓工藝參數為=1.8，=2.5，=2.0°，=1.0。

圖6 有限元模型驗證

圖7 成形過程及等效應力場分布：γ=2.3（a），γ=3.0（b）

根據坯料的流動特征，可以將增厚旋壓成形過程分為3個階段：

階段I，盤緣填充。從旋輪與坯料接觸開始，到坯料將旋輪內槽完全充滿為止，該階段僅盤緣區域發生較小的塑性變形。

階段II，軸向隆起。階段I結束后，坯料沿旋輪內槽和外槽過渡處軸向逐漸隆起，直至坯料上下表面接觸旋輪外槽為止。

階段III，徑向擴展。坯料上下表面接觸旋輪外槽后，坯料在旋輪的擠壓作用下逐漸充填旋輪外槽，直至旋輪運動至終點位置，坯料剛好完全填充旋輪型槽。

在增厚旋壓成形過程中，等效應力主要集中在坯料與旋輪接觸位置附近的區域。等效應力沿坯料周向和徑向呈梯度分布的特點，沿坯料周向逆時針方向逐漸減小，沿坯料徑向由外至內逐漸減小，這是由于在旋壓成形過程中，旋輪對坯料的作用區域相對較小，坯料的塑性變形主要發生在該作用區域內，作用區域外的坯料不受旋輪型槽的約束作用。

2.3 主要成形缺陷

凸臺凹坑是增厚旋壓成形工藝的主要成形缺陷，凸臺凹坑的形成過程和圓柱坐標系下的徑向應力（S11）分布如圖8所示。

在增厚旋壓成形過程中，旋輪沿坯料徑向不斷進給，且坯料內外兩端分別被上下壓盤和旋輪型槽約束，因此坯料的變形過程可視為很多個連續的中間鐓粗過程。在增厚旋壓過程中，當坯料自由鐓粗區域的寬厚比大于臨界值時，在旋輪徑向壓力的作用下，坯料內部產生了非均勻分布的徑向壓應力場，坯料由于塑性失穩產生向下彎曲，直至接觸旋輪型槽的下表面，如圖8a～d所示。坯料的失穩區域在旋輪型槽的約束作用下繼續被鐓粗，此時坯料下側的徑向壓應力比上側的徑向壓應力高，因此坯料下側優先填充旋輪型槽，直至坯料下側與下壓盤發生接觸，如圖8e所示。最后在下壓盤和旋輪型槽的共同約束下，靠近壓盤的材料被迫向上流動，與型槽上側的材料相遇形成了凸臺凹坑，如圖8f所示。

2.4 工藝參數對成形極限的影響

圖9為采用對分法獲得的極限凸臺增寬比max與凸臺增厚比、盤緣寬厚比、型槽傾角和旋輪進給比的關系。極限凸臺增寬比max與凸臺增厚比、盤緣寬厚比、型槽傾角呈反比例關系，其中凸臺增厚比對極限凸臺增寬比max的影響最大，對盤緣寬厚比和型槽傾角的影響次之。隨著旋輪進給比的增大，極限凸臺增寬比max先增加后降低。

圖8 凸臺凹坑缺陷形成過程及徑向壓應力分布

圖9 工藝參數對成形極限的影響

3 結論

針對環凸盤形件的增厚旋壓成形工藝進行了工藝試驗和有限元模擬分析，揭示了該工藝的成形過程、工藝參數的影響和主要成形缺陷的形成機制，以及各工藝參數對成形極限的影響規律。主要結論如下：

1）環凸盤形件旋壓成形過程分為盤緣填充、凸臺隆起和凸臺徑向擴展3個階段。

2）凹坑缺陷是主要成形缺陷。在旋輪的徑向壓縮作用下，坯料發生徑向塑性失穩并向一側彎曲，并逐漸形成凹坑缺陷。

3）闡明了工藝參數對環凸盤形件增厚旋壓成形極限（max）的影響規律。隨著凸臺增厚比、盤緣寬厚比和型槽傾角的增加，max逐漸減小，而隨著旋輪進給比的增加，max先增加后減小。

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Spinning Forming Process for Thin Disc Parts with Annular Boss

GAO Chang, LIU Famei, JIN Junsong*, WANG Xinyun, DENG Lei, GONG Pan, ZHANG Mao, TANG Xuefeng

(State Key Laboratory of Materials Processing and Die & Mould Technology, School of Materials Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430070, China)

The work aims to investigate the feasibility of the spinning forming process for thin disc parts with annular boss and reveal the characteristics of the forming process, the various types of forming defects and their respective generation mechanisms, and the impact of process parameters on the forming limit. Based on the ABAQUS/Explicit finite element model, the material flow, stress distribution, defect generation mechanism, and impact of process parameters on the forming limit were analyzed. The spinning forming process was divided into three stages: inner groove filling, axial uplift, and radial expansion. The stress field exhibited a gradient distribution along radial and circumferential directions. During the radial expansion stage, the pressure instability caused the formation of pit defects in the billet. The forming limit incrementally rose with the growth of the boss thickening ratio, flange width-thickness ratio, and groove inclination angle. Moreover, an increase in the roller feed ratioinitially led to an increase in the forming limit, followed by a decrease. The forming characteristics, defect evolution mechanism and the impact of process parameters on the forming limit are summarized, which provides guidance for the design and optimization of the spinning forming process of thin disc parts with annular boss.

thin disk part; annular boss; spinning; defect; process parameter; forming limit

10.3969/j.issn.1674-6457.2024.03.015

TG306

A

1674-6457(2024)03-0145-07

2024-01-09

2024-01-09

國家自然科學基金（52175319）

The National Natural Science Foundation of China (52175319)

高暢, 劉發美, 金俊松, 等. 帶環形凸臺薄盤形件旋壓成形規律研究[J]. 精密成形工程, 2024, 16(3): 145-151.

GAO Chang, LIU Famei, JIN Junsong, et al. Spinning Forming Process for Thin Disc Parts with Annular Boss[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(3): 145-151.

（Corresponding author）