基于有限元的旋壓成形過程數值模擬

曲周德，李立云，鄧小虎

（天津職業技術師范大學天津市高速切削與精密加工重點實驗室，天津300222）

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基于有限元的旋壓成形過程數值模擬

曲周德，李立云，鄧小虎

（天津職業技術師范大學天津市高速切削與精密加工重點實驗室，天津300222）

摘要：利用ABAQUS軟件模擬鋁合金錐形件的旋壓成形過程，分析建模過程和不同工藝參數下變形區應力應變場的分布情況及變化規律，探究不同工藝參數對旋壓成形過程的影響規律，為該類零件旋壓成形工藝參數的選擇提供參考。研究表明：旋輪直徑和進給率對旋壓成形的影響較大，主軸轉速對旋壓過程影響很小。

關鍵詞：ABAQUS；錐形件；拉深旋壓；工藝參數

旋壓成形是塑性加工的一個重要分支，在加工大直徑高精度旋轉類零件方面有巨大的優勢，被廣泛應用于航空航天、兵器等金屬精密加工領域[1]。其本質是把平板或空心坯料的中心固定在芯模上，在旋輪進給運動和坯料旋轉運動共同作用下，將局部的塑性變形逐漸擴展到坯料的整個表面，并緊貼于芯模，完成零件的加工[2]。拉深旋壓是普通旋壓中最普遍的成形方法[3]，其中旋壓材料中有1/4是鋁及其合金。本文以鋁合金錐形件的拉深旋壓成形過程為研究對象，研究在旋壓成形過程中不同工藝參數如主軸轉速、旋輪進給率及旋輪直徑等對成形過程的影響，確定最優工藝參數，為企業生產提供指導。

1　建立模型

旋壓過程中，坯料隨芯模一起旋轉，旋輪按照預定的軌跡做進給運動，旋壓過程結束就可獲得所需工件[4]，其成形原理如圖1所示。但這個過程確難以在ABAQUS軟件中實現[5]，為使模型能在ABAQUS中順利模擬旋壓過程，結合實際提出下列假設和簡化。①旋壓過程中坯料是變形體，中心與芯模頂端固定在一起，不可自由變形；芯模與旋輪設為解析剛體，無變形，其邊界條件和場變量輸出等均定義在參考點上；為簡化模型，把芯模與坯料利用捆綁約束固定在一起。②忽略重力和慣性力的影響。

圖1　旋壓成形原理圖

1.1實體模型及有關參數

鋁合金錐形件的三維實體模型如圖2所示，其芯模底端半徑50 mm，頂端半徑11.1 mm，高度37 mm，圓角半徑4 mm，坯料頂端半徑11.1mm，周邊長度23.9 mm，圓角半徑4 mm，旋輪半徑22.5 mm，圓角半徑15 mm。坯料為6061鋁合金，其性能參數如表1所示。

圖2　錐形件的三維實體模型

表1　材料性能參數

1.2網格的劃分

將鋁合金拉深旋壓成形模擬為彈塑性有限元三維數值模擬[6]。坯料為變形體，用S4R單元劃分網格；芯模與旋輪為解析剛體，不需劃分網格。為提高計算精度和計算效率，坯料利用不同密度的網格來劃分，如圖3所示。

圖3　坯料的網格劃分

1.3邊界條件的處理

給芯模以固定轉速，使坯料隨芯模做勻速轉動；給旋輪賦以速度約束，使其沿芯模母線勻速進給。旋輪和坯料接觸區域采用面-面接觸，選用庫倫摩擦。

2　模擬結果及應力應變分析

旋壓不同時期截面處的等效應力和應變云圖分別如圖4和圖5所示。由圖4和圖5可知，旋壓成形的初期到中期，最大應力集中于坯料外表面與旋輪接觸部分及其后方，以及坯料內表面與旋輪接觸部分的前方。遠離接觸區的區域，應力隨距離的變大而逐步變小，易發生接觸區坯料的拉裂。中期到中后期，最大應力相對均勻地分布于較大的一塊區域，不易產生拉裂等缺陷。整個旋壓過程應變的產生以坯料與旋輪接觸部分及其后方為主，中后期以坯料的中間部分為主，最大等效應變在旋壓過程中逐漸變大，最大值產生于坯料的中間部分。

圖4　旋壓不同時期截面處的等效應力云圖

圖5　旋壓不同時期截面處的等效應變云圖

3　工藝參數的影響分析

3.1旋輪直徑的影響

坯料的等效應力與旋輪直徑之間的關系如圖6所示，坯料的等效應變與旋輪直徑的關系如圖7所示。由圖6和圖7可知，隨旋輪直徑的增加，等效應力與應變均呈現下降趨勢，因加大的直徑能增加接觸部分的面積，產生同樣的變形時所需外力較小。等效應力的差值約5 MPa，等效應變的差值約4%，即旋輪直徑對結果的影響不大，綜合生產成本考慮，確定最優旋輪直徑為45 mm。

3.2主軸轉速的影響

坯料的等效應力與主軸轉速之間的關系如圖8所示，坯料的等效應變與主軸轉速之間的關系如圖9所示。由圖8和圖9可以看出，主軸轉速對等效應力與等效應變的影響很小，綜合考慮生產效率及機床的穩定性，轉速選用600 r/min。

圖6　等效應力與旋輪直徑之間的關系

圖7　等效應變與旋輪直徑的關系

圖8　等效應力與主軸轉速之間的關系

圖9　等效應變與主軸轉速之間的關系

3.3旋輪進給率的影響

坯料的等效應力與進給率的關系如圖10所示，坯料的等效應變與進給率的關系如圖11所示。由圖10和圖11可知，隨進給率的加大，等效應力與應變均呈遞減趨勢，選用較大的進給率可降低等效應力與應變值。但進給率的大小影響工件的表面質量，且適當的減小進給率可降低對設備的要求。綜合考慮各種因素，選用0.9 mm/r進給率。

圖10　等效應力與進給率的關系

圖11　等效應變與進給率的關系

4　結束語

本文利用ABAQUS軟件分析了薄壁錐形件的旋壓過程及規律，解析了錐形件的旋壓成形機理。通過對模擬結果的分析和比較可知，旋輪直徑與進給率對旋壓成形作用較大，主軸轉速對旋壓成形作用很小。因此，選用最優工藝參數為旋輪直徑為45 mm、進給率為0.9 mm/r、主軸轉速為600 r/min。

參考文獻：

［1］王浩然.模環旋壓成形過程的數值模擬與工藝優化[D].大連：大連理工大學，2008.

［2］王志偉.強力旋壓連桿襯套工藝參數對性能影響正交試驗研究[D].太原：中北大學，2014.

［3］張慶玲.先進的鋁合金輪轂旋壓成形技術[J].金屬世界，2008（5）：52-54.

［4］胡文駿.薄壁曲母線形件旋壓成形的數值模擬及工藝研究[D].湘潭：湘潭大學，2011.

［5］吳統超，詹梅，古創國，等.薄壁曲母線形件旋壓成形的數值模擬及工藝研究[J].材料科學與工藝，2011，19（1）：121-126.

［6］齊麥順.鋁合金輪轂拉深旋壓成形模擬和試驗[J].有色金屬，2010，62（2）：40-46.

Numerical simulation of spinning forming process based on finite element method

QU Zhou-de，LI Li-yun，DENG Xiao-hu
（Tianjin Key Laboratory of High Speed Cutting and Precision Machining，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

Abstract：The ABAQUS software is used to simulate the pinning forming process of aluminum alloy conical parts.The modeling process and stress and strain field distribution and variation of deformation area in different process parameter are analyzed，the different process parameters on spinning forming process are studied to provide a reference for choosing the spinning forming process parameters.The research shows that the roller diameter and feed rate have great effect on the spinning，and the effects of spindle speed on the spinning process is very small.

Key words：ABAQUS；conical parts；drawing spinning；process parameters

作者簡介：曲周德（1973—），男，教授，碩士生導師，研究方向為塑性成形新技術、塑性成形組織演化模擬技術.

基金項目：天津職業技術師范大學科研創新基金項目（YC14-04）.

收稿日期：2016-01-06

中圖分類號：TG379

文獻標識碼：A

文章編號：2095－0926（2016）01－0033－04