宛 瓊,李付國(guó),李超玲
(1.河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南 洛陽(yáng) 471003;2.西北工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710072)
筒形件強(qiáng)力旋壓的有限元模擬
宛 瓊1,李付國(guó)2,李超玲2
(1.河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南 洛陽(yáng) 471003;2.西北工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710072)
現(xiàn)代旋壓技術(shù)是廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍工等金屬精密加工技術(shù)領(lǐng)域的一種先進(jìn)塑性成形工藝。強(qiáng)力旋壓是旋壓技術(shù)的一個(gè)重要組成部分,對(duì)強(qiáng)力旋壓的受力狀態(tài)進(jìn)行深入研究將有助于了解旋壓工藝的特點(diǎn)和可能出現(xiàn)的缺陷。本文用彈塑性有限元法對(duì)強(qiáng)力旋壓過(guò)程進(jìn)行了模擬,獲得了強(qiáng)力旋壓穩(wěn)定狀態(tài)下應(yīng)力應(yīng)變的分布規(guī)律,解釋了強(qiáng)力旋壓的變形機(jī)理和隆起等缺陷產(chǎn)生的原因。
機(jī)械制造;強(qiáng)力旋壓;筒形件;數(shù)值模擬
現(xiàn)代旋壓技術(shù)是廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍工等金屬精密加工技術(shù)領(lǐng)域的一種先進(jìn)塑性成形工藝。強(qiáng)力旋壓作為旋壓技術(shù)的一個(gè)重要組成部分,它在制造精度高、長(zhǎng)徑比大的薄壁筒形零件加工中,顯示了獨(dú)特的優(yōu)越性。己成為成形小批量、多品種回轉(zhuǎn)薄壁殼體零件的重要加工方法[1]。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬在工程計(jì)算和理論研究中得到廣泛應(yīng)用,并且逐步應(yīng)用到塑性加工領(lǐng)域來(lái)。采用有限元數(shù)值模擬方法分析旋壓成形過(guò)程的變形機(jī)理、受力以及合理地選取工藝參數(shù)律,可以有效地提高強(qiáng)力旋壓的成形極限、成形質(zhì)量和加工效率。
在筒形件強(qiáng)力旋壓中,毛坯由芯模固定,并由旋壓機(jī)主軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn),旋輪沿軸向作進(jìn)給運(yùn)動(dòng),對(duì)坯料進(jìn)行加工。但這在有限元分析中很難實(shí)現(xiàn)。為了建模方便,在建立有限元模型時(shí),可將芯模和旋輪視為剛性體,芯模固定不動(dòng),旋輪相對(duì)于坯料旋轉(zhuǎn),同時(shí)沿切向作進(jìn)給運(yùn)動(dòng),以實(shí)現(xiàn)毛坯和旋輪的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在旋輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí),可將旋輪沿坯料軸向同時(shí)加載,并在毛坯固定不動(dòng)的一端加軸向位移約束。這樣筒形件強(qiáng)力旋壓過(guò)程就簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)單的三維問(wèn)題進(jìn)行處理。
實(shí)際加工中,變形集中在旋輪接觸區(qū)附近,劃分單元時(shí),在變形區(qū)加以細(xì)化,而在遠(yuǎn)離變形區(qū)的地方可逐漸將網(wǎng)格劃分的粗大一些,以便節(jié)約運(yùn)算機(jī)時(shí)。其有限元網(wǎng)格離散模型見(jiàn)圖1。筒形件旋壓時(shí),工件上的塑性區(qū)僅僅存在于旋輪下面的局部區(qū)域,周?chē)慕饘偃匀惶幱趶椥宰冃螤顟B(tài),且對(duì)塑性變形區(qū)起著約束和限制作用。為簡(jiǎn)化計(jì)算,對(duì)模型做如下假設(shè):旋壓中采用雙錐面旋輪,且不計(jì)圓角半徑;略去變形中因摩擦產(chǎn)生的溫度效應(yīng);在計(jì)算中忽略慣性力的影響。
本文采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元對(duì)坯料進(jìn)行網(wǎng)格劃分,旋輪和芯模均采用Shell單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,模型經(jīng)離散化后,毛坯為3455個(gè)節(jié)點(diǎn),2429個(gè)單元;芯模為815個(gè)節(jié)點(diǎn),767個(gè)單元;旋輪為167個(gè)節(jié)點(diǎn),143個(gè)單元。
坯料選用難成形材料TC4合金,應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系近似采用雙線(xiàn)性模型。力學(xué)性能見(jiàn)表1。
正旋時(shí),旋輪朝毛坯自由的厚壁端方向進(jìn)給,受尾頂壓緊的一端是已旋壓形成的薄壁端,故將起旋端面節(jié)點(diǎn)視為固定點(diǎn),見(jiàn)圖2b。反旋時(shí),旋輪朝毛坯未成形端方向進(jìn)給,受約束的一端是未成形端,故將未成形端面節(jié)點(diǎn)視為固定點(diǎn),見(jiàn)圖2a。
表1 毛坯與旋輪的力學(xué)性能
對(duì)毛坯與芯模間的接觸問(wèn)題,將芯模表面節(jié)點(diǎn)作為固定點(diǎn),并將該接觸表面定義為被動(dòng)接觸表面,而毛坯內(nèi)節(jié)點(diǎn)為主動(dòng)接觸表面。對(duì)于旋輪與毛坯間的接觸問(wèn)題,將毛坯表面視為主動(dòng)接觸表面,旋輪表面定義為被動(dòng)接觸表面。
本文采用商業(yè)化軟件Ansys進(jìn)行有限元模擬,取旋壓穩(wěn)定階段進(jìn)行分析,即旋壓行程為14mm時(shí)進(jìn)行分析。所選工藝參數(shù)見(jiàn)表2。
表2 強(qiáng)力旋壓模擬時(shí)工藝參數(shù)的選擇
模擬結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4所示。
從圖3、圖4可以看出,無(wú)論正旋還是反旋,旋輪直接作用區(qū)的金屬在軸向、徑向和切向都處于壓應(yīng)力狀態(tài),且徑向壓應(yīng)力最大。通過(guò)比較,反旋時(shí)的各向應(yīng)力及等效應(yīng)力都比正旋時(shí)大,這與實(shí)際情況相符。
由上述分析可以看出,旋輪作用區(qū)軸向前方的金屬處于徑向伸長(zhǎng)、軸向壓縮的狀態(tài),隨著過(guò)程的積累會(huì)造成旋輪前金屬的隆起。圖中數(shù)據(jù)還表明,反旋時(shí)的徑向伸長(zhǎng)量和軸向壓縮量均比正旋時(shí)的大,這正是反旋比正旋更容易形成隆起的原因。
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Numerical simulation on power spinning process of cylindrical workpiece based on FEM
WAN Qiong1,LI Fuguo2,LI Chaoling2
(1.School of Materials Science and Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471003,Henan China;2.School of Materials Science and Engineering,Northwestern Polytechnical University,Xi'an 710072,Shanxi China)
The process of tube spinning process has been simulated by use of 3D elastic-plastic FEM in the text.The distribution of stress and strain under stable condition has been gained.The deformation principle and reasons which cause the defects have been explained.
Power spinning;Spinning force;Elastic-plastic FEM;Numerical simulation
TG335.19
B
1672-0121(2011)04-0083-02
2011-05-12
宛 瓊(1980-)女,碩士,講師,從事材料塑性成形的教學(xué)與研究