楊羽

（長春理工大學(xué) 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長春 130022）

鋁制毛坯筒形件雙輪強(qiáng)力旋壓仿真模型的建立

楊羽

（長春理工大學(xué) 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長春 130022）

部分筒形鋁制毛坯在強(qiáng)旋過程中需要利用尾頂將其頂緊在芯模上，但由于毛坯較軟以及所需頂緊力較大等原因，導(dǎo)致尾頂嵌入毛坯，使毛坯件發(fā)生輕微變形的現(xiàn)象，毛坯的局部變形會(huì)造成減薄量的改變，從而導(dǎo)致旋壓工藝參數(shù)設(shè)置的偏差，最終使旋壓制品的尺寸精度難以保證，需要經(jīng)過反復(fù)的旋壓工藝實(shí)驗(yàn)修正工藝參數(shù)才能使最終的成形制品達(dá)到設(shè)計(jì)要求。提出了一種尾頂力的計(jì)算方法，并利用該算法對(duì)毛坯進(jìn)行加載，利用修正的Thamasett算法建立毛坯與旋輪的關(guān)系，從而以Ansys為平臺(tái)建立了一個(gè)針對(duì)鋁制毛坯的筒形件雙輪強(qiáng)力旋壓仿真模型。利用旋壓工藝實(shí)驗(yàn)對(duì)仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證，其結(jié)果與仿真結(jié)果一致。該仿真模型可用于指導(dǎo)旋壓生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)，可為企業(yè)節(jié)約大量的毛坯實(shí)驗(yàn)件成本以及旋壓工藝實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

鋁制毛坯；筒形件；強(qiáng)力旋壓；尺寸精度

筒形件雙輪強(qiáng)力旋壓加工是指毛坯裝卡在芯模上并隨芯模旋轉(zhuǎn)，同時(shí)利用兩個(gè)對(duì)稱旋壓工具繞毛坯旋轉(zhuǎn)，兩個(gè)旋壓工具與芯模之間相對(duì)進(jìn)給，使毛坯受壓并產(chǎn)生連續(xù)的局部塑性變形，從而獲得空心回轉(zhuǎn)零件的塑性加工過程［1］。

筒形件雙輪強(qiáng)力旋壓在國防工業(yè)以及民用工業(yè)方面都得到了廣泛的應(yīng)用。比如火箭彈殼體、氣瓶等［2-7］。鋁制旋壓制品在各行各業(yè)的應(yīng)用也逐漸增多，但隨著對(duì)旋壓制品尺寸精度的要求越來越高，尾頂力對(duì)鋁制毛坯擠壓變形所造成的影響越來越引起旋壓生產(chǎn)企業(yè)的關(guān)注。

鋁制毛坯在筒形件雙輪強(qiáng)力旋壓過程中，需要利用尾頂將鋁制毛坯頂緊在芯模上，其頂緊力的大小必須足夠，若頂緊力過小，則在旋壓過程中毛坯在旋壓力和離心力的作用下會(huì)發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，甚至可能將毛坯從工作區(qū)中拋出造成事故。若頂緊力過大，則會(huì)引起主軸和尾頂?shù)妮S承過載。但即使是大小適中的頂緊力依然會(huì)對(duì)鋁制毛坯會(huì)造成一定量的變形。最直觀的表現(xiàn)就是尾頂嵌入鋁制毛坯，并且在嵌入部分的周邊形成一定的變形量。這就改變了毛坯的減薄量，從而使得設(shè)定的旋壓工藝參數(shù)產(chǎn)生偏差，進(jìn)而影響整個(gè)旋壓制品的尺寸精度，尤其是接近尾頂位置的尺寸精度。

目前國內(nèi)外的旋壓企業(yè)所采用的應(yīng)對(duì)方法均是先忽略掉尾頂力對(duì)鋁制毛坯所造成的變形，設(shè)定旋壓工藝參數(shù)并且進(jìn)行旋壓工藝實(shí)驗(yàn)，依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)指標(biāo)的偏差再修正旋壓工藝參數(shù)，并再次進(jìn)行旋壓工藝實(shí)驗(yàn)，如此往復(fù)，直至旋制出合格的旋壓制品。但這種方法會(huì)造成大量的旋壓毛坯實(shí)驗(yàn)件的浪費(fèi)，并且每次旋壓均需要調(diào)整旋壓工藝參數(shù)，其調(diào)整周期非常耗時(shí)。通常情況下每旋制一個(gè)新的鋁制旋壓制品，需要進(jìn)行5次左右的旋壓工藝實(shí)驗(yàn)，每次旋壓工藝實(shí)驗(yàn)大約要消耗掉3個(gè)鋁制毛坯，每次工藝實(shí)驗(yàn)后調(diào)整工藝參數(shù)的周期為2天左右，一共需要消耗至少10天以上才能完成一個(gè)新的鋁制毛坯的工藝參數(shù)的摸索。

論文提出了一種尾頂力的計(jì)算方法，并利用該算法對(duì)毛坯進(jìn)行加載，利用修正的Thamasett算法建立毛坯與旋輪的關(guān)系，從而以ANSYS為平臺(tái)建立了一個(gè)針對(duì)鋁制毛坯的筒形件雙輪強(qiáng)力旋壓仿真模型。

1 尾頂力算法

尾頂主要由電機(jī)、窄V帶、頂軸、頂料盤、絲杠、箱體等幾部分組成。工作時(shí)，由電機(jī)通過窄V帶帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，使頂軸縱向進(jìn)給，直到頂軸前端的頂料盤將毛坯與芯模固定好。在旋壓過程中，頂軸隨毛坯和芯模同步轉(zhuǎn)動(dòng)。旋壓結(jié)束后，頂軸帶動(dòng)頂料盤縱向退回。

對(duì)尾頂力的計(jì)算是以保證在旋壓過程中毛坯相對(duì)芯模處于靜止?fàn)顟B(tài)為目的。毛坯與芯模間的摩擦力可利用庫侖定律來確定。

將作用于毛坯上所有力轉(zhuǎn)化到旋轉(zhuǎn)中心O上，那么作用于毛坯上的力系總矢量的投影為:

式中，Q為頂緊力；PZ為旋壓力軸向分力；PN為芯模表面上所有反力的法向分力的合力；Pr為旋壓力徑向分力；PμY為摩擦力總矢量在Y方向上的投影；Pl為旋壓力切向分力；PμX為摩擦力總矢量在X方向上的投影。

作用在毛坯上的力系總力矩投影為:

式中，R0為芯模半徑；e為旋壓力作用點(diǎn)至芯模母線的距離；M0X相對(duì)X軸芯模的反力矩；Mμ為相對(duì)Z軸的摩擦力矩；Mσ阻止頂緊塊轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩。

保證毛坯相對(duì)芯模靜止的必要和充分條件是，作用其上力系的總矢量與總力矩都要等于零。因此有:

若使毛坯處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，那么摩擦力矩必須等于或大于外力矩，則:

因此得出Mμmax與作用力之間的關(guān)系。假設(shè)作用于毛坯與芯模的接觸面上無窮小單位面積的摩擦力為:式

中，q為作用單元面積上的正壓力；ΔF為毛坯的單元面積；μ為摩擦系數(shù)，與毛坯和芯模接觸表面狀態(tài)有關(guān)。

Pμmax垂直于單元面積，同時(shí)又是至接觸表面中心O點(diǎn)的向徑。則:

其中，qi可以表示為:

可以認(rèn)為毛坯和芯模接觸表面上每點(diǎn)qi1是相同的，而qi2與各點(diǎn)到Z軸的距離成正比。

作用于單元接觸面上的力qi2相對(duì)X軸的力矩為:

以極坐標(biāo)(r,?)來表示:

式中，λ為未知的比例系數(shù)；dF為單元面積。

則相對(duì)X軸力矩:

當(dāng)0≤?≤π時(shí)，λ取正值；當(dāng)π≤?≤2π時(shí)，λ取負(fù)值。

因此qi可表示為:

未知比例系數(shù)為:

單位面積上最大摩擦力對(duì)回轉(zhuǎn)中心的力矩為:

如果i→∞，ΔF→0，則:

尾頂?shù)捻斁o力為:

以直徑100mm鋁制毛坯為例，分析尾頂力對(duì)毛坯減薄量所產(chǎn)生的影響。其實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

通過建立有限元模型進(jìn)行分析，可得到以下結(jié)果:在頂緊力作用下，鋁制毛坯在徑向最大變形量為0.047mm，如圖1所示。

圖1 毛坯徑向變形量

所以在靠近尾頂位置毛坯的最大變形量應(yīng)為10.647mm，要大于預(yù)計(jì)的減薄量10.6mm，減薄量的變化會(huì)直接導(dǎo)致旋輪旋壓力的改變。所以有必要建立準(zhǔn)確的旋壓力算法，以保證準(zhǔn)確的旋壓工藝參數(shù)的設(shè)定。

2 旋壓力算法

通常情況下旋壓生產(chǎn)企業(yè)會(huì)使用Thamasett算法對(duì)筒形件旋壓力進(jìn)行計(jì)算。但通過大量的旋壓工藝實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其實(shí)驗(yàn)電測法所測得的旋輪旋壓力與Thamasett算法所求取的旋輪旋壓力存在偏差。Thamasett算法所求取的旋壓力相較于測得值，在徑向上的偏差約為15%，在軸向上的偏差約為25%，在切向上的則偏差約為200%。根據(jù)這一規(guī)律，對(duì)Thamasett算法進(jìn)行參數(shù)修正。則旋輪所受徑向力為［8］:

旋輪所受軸向力為:

旋輪所受切向力為:

3 仿真模型建立

以算法作為基礎(chǔ)，可以建立仿真模型，然后對(duì)旋壓過程及其結(jié)果進(jìn)行模擬。其旋壓成形參數(shù)如表2所示。

表2 旋壓成形參數(shù)

首先利用CATIA建立幾何模型，如圖2所示。

圖2 幾何模型

利用Hypermesh對(duì)幾何模型進(jìn)行前處理，如圖3所示。

圖3 Hypermesh前處理

以Ansys為平臺(tái)對(duì)算法進(jìn)行二次開發(fā)，并且建立尾頂與毛坯、旋輪與毛坯的接觸。其實(shí)驗(yàn)條件如表1所示，旋壓工藝參數(shù)如表3所示。

表3 旋壓工藝參數(shù)

利用Ansys進(jìn)行求解，求得旋輪的塑性變形分別如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 方案1毛坯塑性變形

圖5 方案2毛坯塑性變形

圖6 方案3毛坯塑性變形

4 旋壓工藝實(shí)驗(yàn)

為了便于與動(dòng)力學(xué)仿真模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，論文的工藝實(shí)驗(yàn)仍然選擇與仿真相同的鋁制毛坯作為實(shí)驗(yàn)材料，實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備為QX62系列雙旋輪強(qiáng)力旋壓機(jī)，如圖7所示。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

圖7 雙旋輪強(qiáng)力旋壓機(jī)

表4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 成形結(jié)果對(duì)比分析

方案1、方案2、方案3的仿真結(jié)果與工藝實(shí)驗(yàn)旋壓制品對(duì)比如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 方案1仿真模型與旋壓制品對(duì)比

圖9 方案2仿真模型與旋壓制品對(duì)比

圖10 方案3仿真模型與旋壓制品對(duì)比

方案1的仿真成形過程一直較為穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)裂紋或者擴(kuò)徑的趨勢(shì)，成形質(zhì)量較好。從旋壓制品工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，其塑性變形過程與仿真相符，其旋壓制品實(shí)驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)要求相符。

方案2的仿真過程中毛坯出現(xiàn)了較深的紋理，有破裂的傾向。從旋壓制品工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，由于進(jìn)給量過大，最終導(dǎo)致毛坯出現(xiàn)裂紋。

方案3的仿真過程出現(xiàn)了明顯的不貼膜現(xiàn)象。從旋壓制品工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，由于主軸轉(zhuǎn)速過高，其旋壓制品的確出現(xiàn)了不貼膜的現(xiàn)象。

6 旋壓力結(jié)果對(duì)比分析

旋壓力是否準(zhǔn)確也是驗(yàn)證旋壓仿真模型是否準(zhǔn)確的重要依據(jù)，利用電測法可以準(zhǔn)確的測量旋壓過程中軸向、徑向和切向的旋壓力。其測量結(jié)果如表5所示。

表5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

仿真模擬所得到的方案1、方案2、方案3的受力分別如圖11、圖12、圖13所示。

圖11 方案1軸向力、徑向力、切向力

圖12 方案2軸向力、徑向力、切向力

圖13 方案3軸向力、徑向力、切向力

從對(duì)比結(jié)果來看，方案1、方案2、方案3的模擬旋壓力與電測法測量所獲取的旋壓力基本相符。

7 結(jié)論

論文以Ansys為平臺(tái)建立了針對(duì)鋁制毛坯的筒形件雙旋輪強(qiáng)力旋壓仿真模型。并通過旋壓工藝實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。該模型可用于旋壓生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)，可為企業(yè)節(jié)約大量的毛坯實(shí)驗(yàn)件成本以及旋壓工藝實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

［1］ 楊羽.筒形件強(qiáng)力旋壓動(dòng)力學(xué)仿真研究［D］.長春:長春理工大學(xué)，2014.

［2］ 路平，張?jiān)崎_，陳波.汽車輪輻錯(cuò)距強(qiáng)力旋壓成形的有限元仿真［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，49（1）:56-61.

［3］ 繆偉亮，劉大海，邵雪明.工藝參數(shù)對(duì)薄壁件多道次旋壓變形均勻性的影響［J］.精密成形工程，2014，6（2）: 18-23.

［4］ 張行健，陰中煒，周曉建，等.大直徑6061鋁合金筒形件旋壓工藝及性能研究［J］.輕合金加工技術(shù)，2013（10）: 54-58.

［5］ 李啟軍，范開春，王琪，等.大尺寸薄壁鈦合金筒體旋壓成形質(zhì)量影響因素［J］.宇航材料工藝，2012，42（1）: 86-88.

［6］ 李克智，李賀軍，呂炎.筒形旋壓件內(nèi)徑尺寸精度預(yù)測［J］.航空工藝技術(shù)，1998（5）:11-13.

［7］ 張學(xué)光，張治峰，梁嵬，等.筒形件旋壓加工中材料隆起情況分析研究［J］.長春理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2016，39（1）:56-60.

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Establishment of Simulation Model of Aluminum Alloy Blank Cylindrical Pieces by Spinning Power

YANG Yu
（School of Life Science and Technology，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

Some of the cylindrical aluminum alloy blank need to be topped tightly with the end of the top in the spinning process.The soft blank and the larger top tight force lead to the end of the top embedding the blank and slight deformation of blank.The local deformation of blank will cause the change of thickness deduction and the deviation of spinning process parameter.Dimensional accuracy of spinning products is hard to guarantee.Only by repeated spinning process experiment to correct the process parameter，the final products can meet the design requirement.This article proposes a calculation method of the top end force and exert it upon the blank and establish a simulation model of aluminum alloy blank cylindrical pieces based on Ansys.The result is in accordance with the simulation one by the simulation experiment.The simulation model can be used for guiding spinning production and save a lot of blank experiment cost and spinning process experiment time.

aluminum alloy blank；cylindrical pieces；power spinning；dimensional accuracy

TH164

A

1672-9870（2016）05-0076-05

2016-05-16

楊羽（1983-），男，博士，講師，E-mail:yangyu1983@sina.com