陳開(kāi)達(dá)，李 帆，張昊天，高志杰，孫浩然，朱文宇，趙升噸

(西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

0 前言

隨著軍用火箭導(dǎo)彈和航空航天技術(shù)的發(fā)展，性能要求和輕量化的要求逐漸提高[1]，為了增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和減少整體重量，超大型鋁合金筒形件的運(yùn)用越來(lái)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(lái)完成部件的聯(lián)接，會(huì)降低整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)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(qiáng)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(huì)選用強(qiáng)力旋壓。強(qiáng)力旋壓過(guò)程一般可根據(jù)有無(wú)芯模分為有模旋壓和對(duì)輪旋壓[3-4]。在加工大型筒形件時(shí)，考慮到芯模的制造問(wèn)題，使用有模旋壓較為困難，使用加工范圍相對(duì)靈活的對(duì)輪旋壓較為合適[5]。然而在旋壓過(guò)程中，因?yàn)樾嗇S向進(jìn)給過(guò)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(zhì)量。因此，工藝參數(shù)的選取也十分重要。

對(duì)輪強(qiáng)力旋壓工藝即成對(duì)的旋輪從側(cè)面進(jìn)行環(huán)扎擠壓，完成徑向進(jìn)給，坯料進(jìn)行自轉(zhuǎn)完成軸向進(jìn)給，最后由旋輪在完成一圈減薄后，后移并下移開(kāi)始下一圈減薄以完成軸向進(jìn)給，從而完成筒形件整體的強(qiáng)力旋壓。本文將通過(guò)圓度、實(shí)際減薄率與期望減薄率的關(guān)系、成形后坯料應(yīng)力分布以及旋壓過(guò)程中旋輪受到的最大反力等因素，分析減薄率、坯料自轉(zhuǎn)速度和旋輪徑向進(jìn)給速度等工藝參數(shù)對(duì)旋壓結(jié)果的影響。

1 對(duì)輪強(qiáng)力旋壓模型的建立

ABAQUS是進(jìn)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(jié)構(gòu)和其他工程領(lǐng)域的許多問(wèn)題[7]。由于超大型薄壁筒形件的對(duì)輪強(qiáng)力旋壓過(guò)程中，需要考慮內(nèi)外旋輪和坯料內(nèi)外表面、夾具與坯料表面的復(fù)雜動(dòng)態(tài)接觸、強(qiáng)力旋壓較大減薄率帶來(lái)的材料大變形，以及隱式和顯式算法的特點(diǎn)及適用范圍[8]，本文采用ABAQUS/Explicit模塊完成旋壓過(guò)程的模擬仿真。

1.1 坯料材料的化學(xué)成分及應(yīng)力應(yīng)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(gè)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。

表1 2A14鋁合金各化學(xué)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

該材料擁有較高的強(qiáng)度以及較好的可加工性，其應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示。

圖2 鋁合金2A14應(yīng)力應(yīng)變曲線[9]

1.2 旋輪尺寸的確定

為了簡(jiǎn)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(shù)；σbk為變形率為K時(shí)的材料抗拉強(qiáng)度。

計(jì)算可得，旋輪直徑應(yīng)小于3.19 m，考慮到制造難度和驅(qū)動(dòng)難度，最終旋輪直徑選為0.5 m。

因?yàn)槌尚芜^(guò)程為徑向旋壓，所以旋輪和坯料的接觸面選為柱面，同時(shí)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(guò)圓角過(guò)渡。為了提高旋壓效果，圓角半徑設(shè)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(guò)程有限元仿真模型的構(gòu)建

一般對(duì)輪旋壓設(shè)備中，旋輪對(duì)數(shù)一般選為1～4對(duì)[11]。當(dāng)旋輪對(duì)數(shù)過(guò)少時(shí)，加工效率低下，加工精度和加工穩(wěn)定性都欠佳；而當(dāng)旋輪對(duì)數(shù)過(guò)多時(shí)，加工設(shè)備結(jié)構(gòu)會(huì)較為復(fù)雜，實(shí)際中難以實(shí)現(xiàn)。因此，考慮到旋壓過(guò)程的效率、穩(wěn)定性和精度，同時(shí)也考慮到生產(chǎn)實(shí)際中的設(shè)備狀況，仿真模型中的旋輪對(duì)數(shù)選為4，排布為對(duì)稱分布。

坯料的內(nèi)徑為4 965 mm，外徑為5 015 mm，壁厚為25 mm，高度為1 000 mm。對(duì)坯料進(jìn)行網(wǎng)格劃分，考慮到相較于四面體網(wǎng)格，六面體網(wǎng)格精度更高[12]，故網(wǎng)格劃分采用三維8結(jié)點(diǎn)單元，即C3D8R。為了減少運(yùn)算成本同時(shí)提高計(jì)算精度，對(duì)接觸部分進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，最終劃分后的網(wǎng)格包括82 572個(gè)結(jié)點(diǎn)和64 850個(gè)單元，劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3 坯料網(wǎng)格劃分示意圖

為了簡(jiǎn)化模型，夾具底座和旋輪屬性設(shè)置為剛體，最終的裝配體模型如圖4所示。

圖4 4對(duì)輪強(qiáng)力旋壓仿真模型裝配體

為了簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，夾具底座和坯料設(shè)置為綁定關(guān)系，由夾具底座帶動(dòng)坯料旋轉(zhuǎn)。由于薄壁筒形件穩(wěn)定性較差，旋壓質(zhì)量受減薄率、軸向進(jìn)給速度和旋轉(zhuǎn)速度的影響較大[13]，其余邊界條件以及工藝參數(shù)的設(shè)置如表3所示。

表3 工藝參數(shù)的數(shù)值設(shè)置

最終設(shè)計(jì)旋壓過(guò)程的示意圖如圖5所示：

圖5 旋壓過(guò)程示意圖

考慮到超大型薄壁筒形件的對(duì)輪強(qiáng)力旋壓是個(gè)復(fù)雜的加工過(guò)程，涉及各種因素和限制，因此從尺寸精度、減薄目標(biāo)的達(dá)成、成形后材料應(yīng)力狀態(tài)和加工設(shè)備的要求4個(gè)方面，分別選取成形后內(nèi)外徑圓度、實(shí)際減薄率與設(shè)計(jì)減薄率對(duì)比、成形后材料應(yīng)力分布以及成形過(guò)程中旋輪受到的最大反力作為分析的數(shù)據(jù)。

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(duì)于旋壓的質(zhì)量有較大影響，鋁合金筒形件的硬度會(huì)隨著減薄率增大而增大[14]，減薄率過(guò)大時(shí)會(huì)導(dǎo)致坯料的形變量和對(duì)旋輪的反力增加，減薄比過(guò)小時(shí)，坯料形變量的不均勻會(huì)導(dǎo)致成形精度會(huì)降低[15]。因此，對(duì)不同壁厚坯料的旋壓情況，分別以20%、30%、40%、50%、60%的減薄率進(jìn)行仿真，并對(duì)結(jié)果分析。理論減薄率與減薄尺寸質(zhì)量關(guān)系如圖6所示。

圖6 設(shè)計(jì)減薄率與尺寸質(zhì)量和實(shí)際減薄率的關(guān)系

由可圖6(a)可知，在設(shè)計(jì)減薄率為40%的時(shí)候，實(shí)際旋壓過(guò)程中，筒形件毛坯的圓度狀況最好；而由圖6(b)可知，在設(shè)計(jì)減薄率為50%時(shí)，實(shí)際減薄率與目標(biāo)達(dá)到的減薄率最接近。因此可得出在該狀況下，減薄尺寸質(zhì)量最好的減薄率應(yīng)在40%～50%之間。

不同減薄率下，坯料上的應(yīng)力分布和旋壓過(guò)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(yīng)力分布和旋輪受到的反力關(guān)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(yīng)力分布逐漸增大。同時(shí)材料發(fā)生硬化，對(duì)旋輪的反作用力也逐漸增加。

綜上所述，過(guò)小或者過(guò)大的減薄率都會(huì)影響成形的尺寸質(zhì)量，因此在該加工條件下，根據(jù)得出的結(jié)論，單一道次減薄率在40%～50%之間會(huì)達(dá)到較好的加工效果。

3 坯料轉(zhuǎn)速

在仿真過(guò)程中，坯料在加工時(shí)進(jìn)行自轉(zhuǎn)，因此不同的坯料轉(zhuǎn)速也對(duì)旋壓加工的質(zhì)量有一定的影響。對(duì)坯料外表面的轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為2 m/s、4 m/s、6 m/s、8 m/s、10 m/s的仿真情況進(jìn)行分析。不同外表面轉(zhuǎn)速下，尺寸質(zhì)量和減薄率目標(biāo)達(dá)成效果如圖8所示。

圖8 坯料轉(zhuǎn)速與尺寸質(zhì)量和減薄目標(biāo)達(dá)到情況的關(guān)系

由圖8(a)可知，隨著坯料轉(zhuǎn)速的增加，旋輪單位時(shí)間內(nèi)接觸的坯料長(zhǎng)度逐漸增加，使得旋壓表面質(zhì)量逐漸提高，內(nèi)外徑的圓度呈下降趨勢(shì)。

由圖8(b)可知，當(dāng)坯料外圈轉(zhuǎn)速在6 m/s以下的時(shí)候，隨著毛坯轉(zhuǎn)速的增加，由于旋輪單位時(shí)間內(nèi)與坯料接觸長(zhǎng)度增加，整體減薄效果越來(lái)越好，但是當(dāng)轉(zhuǎn)速在6 m/s以上的時(shí)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(zhuǎn)速下，坯料上的應(yīng)力分布和旋壓過(guò)程中旋輪受到的最大反力如圖9所示。

圖9 坯料轉(zhuǎn)速與坯料應(yīng)力分布和旋輪受到的反力關(guān)系

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

由圖9(b)可知，隨著坯料轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速增加能提高加工尺寸質(zhì)量并降低旋輪受到的反力，應(yīng)當(dāng)在離心力影響可控的范圍內(nèi)，以及生產(chǎn)設(shè)備允許的范圍內(nèi)，提高坯料的轉(zhuǎn)速。

4 旋輪徑向進(jìn)給速度

不同于旋壓旋輪進(jìn)行的軸向進(jìn)給，影響旋壓的生產(chǎn)效率的主要是旋輪的徑向進(jìn)給，因此旋壓的徑向進(jìn)給速率對(duì)于加工質(zhì)量的影響也較為重要。對(duì)坯料相同轉(zhuǎn)速下的不同徑向進(jìn)給速度對(duì)旋壓加工質(zhì)量的影響進(jìn)行探討。在旋輪不同徑向進(jìn)給速度下，尺寸質(zhì)量和減薄率目標(biāo)達(dá)成效果如圖10所示。

圖10 旋輪進(jìn)給速度與尺寸質(zhì)量和減薄目標(biāo)達(dá)到情況的關(guān)系

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

由圖10(b)可知，隨著旋輪徑向進(jìn)給速度的增加，減薄效果逐漸變差，但是由于最后在旋輪沒(méi)有徑向進(jìn)給時(shí)，坯料額外的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行了修圓，所以實(shí)際減薄率與目標(biāo)值的差值得到了控制。

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

圖11 旋輪徑向進(jìn)給速度與坯料應(yīng)力分布和旋輪受到的反力關(guān)系

由圖11(a)可知，隨著旋輪徑向進(jìn)給速度的增加，坯料應(yīng)力分布逐漸降低。而由圖11(b)可知，隨著旋輪徑向進(jìn)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(jìn)給速度在有額外坯料旋轉(zhuǎn)進(jìn)行修圓的情況下，旋輪徑向進(jìn)給速度的增加對(duì)于坯料的尺寸精度和最終減薄目標(biāo)的影響是可控的，但是會(huì)一定程度上增加設(shè)備的負(fù)載，因此應(yīng)當(dāng)在設(shè)備生產(chǎn)條件允許的情況下，一定范圍內(nèi)增加旋輪徑向進(jìn)給速度以提高生產(chǎn)效率。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)超大型直徑薄壁鋁合金的筒形件，傳統(tǒng)的強(qiáng)力旋壓過(guò)程單道次變形程度過(guò)大，就會(huì)使旋壓過(guò)程中軸向壓應(yīng)力造成材料壓縮失穩(wěn)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(shù)有減薄率、坯料轉(zhuǎn)速、旋輪徑向進(jìn)給速度等。

(2)在強(qiáng)力對(duì)輪旋壓的成形過(guò)程中，減薄率直接影響了加工件尺寸質(zhì)量和減薄目標(biāo)的達(dá)成，過(guò)小的減薄率和過(guò)大的減薄率都會(huì)造成加工質(zhì)量的下降，同時(shí)增加減薄率會(huì)提高加工設(shè)備的負(fù)載。由仿真結(jié)果得出，在該加工條件下，40%～50%的壁厚減薄率會(huì)帶來(lái)較好的加工效果。

(3)在強(qiáng)力對(duì)輪旋壓的成形過(guò)程中，坯料轉(zhuǎn)速通過(guò)影響單位時(shí)間內(nèi)旋輪與筒形件接觸的長(zhǎng)度，對(duì)尺寸精度和旋輪受到的反力影響較大，由仿真結(jié)果可知，隨著坯料轉(zhuǎn)速的增加，成形件的尺寸質(zhì)量逐漸提高，并且旋輪受到的反力逐漸降低，只是在轉(zhuǎn)速增加的同時(shí)，離心力也會(huì)對(duì)成形結(jié)果造成一定影響。因此，應(yīng)當(dāng)在離心力影響可控的范圍內(nèi)，和生產(chǎn)設(shè)備允許的范圍內(nèi)，盡量提高坯料的轉(zhuǎn)速。

(4)在強(qiáng)力對(duì)輪旋壓的成形過(guò)程中，旋輪徑向進(jìn)給速度直接決定生產(chǎn)效率，在該加工條件下，在0.1～1 mm/s范圍中，旋輪徑向進(jìn)給速度的增加對(duì)于加工件的尺寸質(zhì)量影響并不大，但會(huì)增加旋輪受到的最大反力，因此應(yīng)當(dāng)在設(shè)備生產(chǎn)條件允許的情況下，在一定范圍內(nèi)增加旋輪徑向進(jìn)給速度以提高生產(chǎn)效率。