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不同道次下拉深旋压成形有限元数值模拟 |
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作者：刘建华 杨合 李玉强 |
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摘要：通过建立合理的力学模型，采用弹塑性有限元方法，对多道次拉深旋压进行数值模拟，得到了不同道次下的应力应变分布规律。从应力应变分布的角度分析了拉旋与拉深变形的区别，揭示了多道次拉旋的变形特点，为进一步研究多道次拉旋的成形极限及成形质量奠定了基础。
关键词：道次 拉深旋压 数值模拟 应力应变分布
前言
拉深旋压是普通旋压中最常用和最具有代表性的成形技术，目前广泛应用于航空、航天、军事及民用等加工技术领域。它通常是指利用旋压工具使毛坯（板材或预制件）直径减小成形为回转体零件的加工过程。由于与拉深成形相类似，因此，称作拉深旋压简称拉旋[1]。由于一道拉旋的成形极限很小，实际生产中很少采用，而广泛采用多道次旋压[2]。在多道次旋压过程中，不同道次之间相互制约、相互影响，每一道次的变形对工件的最终成形都具有决定性的影响。为此，探讨不同道次下拉深旋压成形的特点是极其必要的。
本文建立合理的力学模型，采用弹塑性有限元方法对不同道次下拉深旋压进行数值模拟，得到不同道次下应力应变的分布规律，并从应力应变分布的角度指出了拉旋与拉深变形的不同。从而揭示了多道次拉旋的变形特点。
1 有限元模型
1.1 基本假设
多道次拉旋相对于简单拉旋大大改进了拉旋过程中的成形极限。但是由于道次数量的增加，也增加了变形的复杂性，对研究不同道次下坯料的变形带来极大的困难。为此本文对多道次拉旋成形过程进行了必要的简化，并采取了一些假设。假设如下：
(1) 由于最终成形件为轴对称零件，这里将旋压加工过程简化为轴对称问题求解；
(2) 旋轮与毛坯接触压力均匀分布，并在每一进给步长圆周接触面上同时对板料加载；
(3) 由于旋轮除了轴向和径向进给外，其本身还有自转，与毛坯之间为滚动摩擦，并且在实际生产中通常加入润滑油以减小摩擦，摩擦力相对旋压力可不计，此处忽略摩擦作用。
1.2 力学模型
旋压加工过程中毛坯每转一圈旋轮进给量很小，因此旋压局部变形可视为小变形物理非线性问题。并根据基本假设，轴对称中心固定约束，芯模下板料被夹持，故此处厚度方向约束，板料外缘自由，旋轮对毛坯作用为表面分布力，模型如图1 所示。
图1 力学模型示意图
2 相关的工艺参数
数值模拟中使用的主要工艺参数为：毛坯直径为180mm，厚度为1mm，旋轮直径为140mm，圆角半径为6mm，芯模直径为80mm，进给比为0.2mm/r。
坯料选用LF2M，材料性能参数为弹性模量为71000MPa，硬化指数为0.16，泊松比为0.3。
旋轮轨迹采用直线单向式道次贴模形式。为了避免旋轮和芯模之间干涉，入旋点选为R=46mm。
3 结果与讨论
根据上述模型对多道次拉旋中的四个道次进行了数值模拟。图2 为四个道次拉旋变形位置示意图。图3 为四个道次下多道次拉旋应力应变分布图。
图2 拉旋各道次位置示意图
图2 拉旋各道次位置示意图
从应力分布图上看，由于采用道次贴模加工，随着道次的增加，贴模部分扩大，芯模附近的应力随道次的增加而逐渐减小；但在材料硬化效应的作用下，随着道次的增加最大应力增加，从而也使后续道次塑性变形的屈服应力增大，变形困难。其中由于入旋点选在R=46mm 处，因此，入旋点附近产生极值。另外，从应力整体分布来看，初期道次的应力变化与后期道次存在差异，这主要是由于平板毛坯多道次加工中，不同道次形状变化的区别所致。坯料形状首先由平板变为锥形体，以后各道次壳体的中心角逐渐减小，形状基本不变。
众所周知，在拉深筒形件成形过程中，最大径向拉应力发生在凸模（相当于芯模）园角处而产生最大值时刻一般在瞬时外缘半径为0.9R0处，即拉深初始阶段。但拉旋却有所不同，从径向应力分布图3(a)中可以看出，最大径向应力发生在旋轮作用变形区。拉裂通常在壁部发生。而另一区别在于，拉深锥形件时内壁和外凸缘处均有可能发生失稳起皱。但拉深旋压却仅在外缘处切向压应力(见图3(c))较大，而内侧通常不会有起皱现象发生。因此，拉旋比拉深成形有更大的优越性。
从应变分布图可见，随着道次的增加，坯料外径逐渐缩小贴近芯模，因此，径向和周向应变(图3(d)和(f))逐渐增大，与拉深成形基本一致。但由于旋轮采用单向式直线轨迹加工，因此厚向应变(图3(e))变化剧烈，内部厚度减小，外缘厚度增加。
4 结论
(1) 本文建立了合理力学模型，对多道次拉旋成形进行了数值模拟，得到了不同道次下的应力应变分布规律。从应力分布图可以看出，应力随道次增加而增大，前期道次的应力变化与后续道次略差异，从应变分布图上看，应变随道次增加而增大，各道次之间的变化基本一致。
(2) 将拉旋与拉深成形从应力应变分布角度进行了对比，得出拉旋具有比拉深更大的优越性。
(3) 从应力应变分布角度揭示了多道次拉旋的变形特点，为进一步研究多道次拉旋的成形极限及成形质量奠定了基础。
参考文献
1 日本塑性加工学会. 旋压成形技术. 陈敬之译. 北京: 机械工业出版社, 1988
2 王仲仁主编. 特种塑性成形. 北京: 机械工业出版社, 1994
作者简介：刘建华，女1972年生，博士研究生，研究方向为多道次普通旋压加工的计算机仿真。(end)
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(2/3/2007) |
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