基于金屬加工復雜零件的體積旋壓成形工藝過程分析

王婷翌，呂博銘，李宣琛，王佳琪，林肖麗

(1.西北工業大學 瑪麗女王工程學院，陜西 西安 710114；2.西北工業大學 材料學院，陜西 西安 710114；3.西安建筑科技大學 材料學院，陜西 西安 710114）

1 體積旋壓工藝概述

體積旋壓是一種低成本高效率的成形合金盤件的新工藝，金屬零件的變形通過上模向下擠壓而實現（如圖1a所示）。其中上模在向下進給的過程中繞距中心線一定傾角的旋轉軸進行自轉，且同時繞中心線進行公轉，如圖1b所示。

目前體積旋壓工藝主要應用于旋轉對稱的金屬零件的生產，且對徑厚比大的金屬零件尤為適用，如薄圓盤和大法蘭盤等等。

目前國內外許多學者對利用體積旋壓工藝成形普通盤件、環件進行了研究，如Lin[1]、Sudipta Chand[2]等人，但對利用體積旋壓工藝成形異形盤件卻很少有相關報道。

目前對此類異形盤件的制造方法主要包括粉末冶金鍛造、等溫鍛造、超塑性成形等等，但這些工藝不但耗時長、成本高，且成型外形局限性較大，因此尋找高效省時的新成形工藝有著重要的意義。

2 工藝過程研究

圖1

本節將對同一工序中的等效塑性應變的變化行為進行分析研究，進而推進對體積旋壓工藝的了解。在本次研究的工藝道次中，金屬零件為一100＊200mm的GH4169圓柱型材（劃分為4954個單元尺寸為15mm的四面體），上模傾角γ取值為3°，上模向下進給速度為5mm/s，上模旋轉速度為180rad/min，坯料溫度為1060℃。工序總用時21.6s，1s～19.45s為上模向下進給擠壓階段，19.45s～21.6s為無進給修飾階段。

最終成型的異形盤件如圖2所示：

圖2 金屬材料成型件示意圖

圖3為不同工況下零件的等效塑性應變分布云圖，通過該圖可以看出，等效塑性應變數值的大小的分布以及動態變化與上模的物理形態以及運動軌跡相吻合。且應變狀態在零件中分布較均勻且變化較平滑，無明顯應超力集中點和明顯缺陷。

圖3 不同工況下零件中等效塑性應變分布的彩色云圖

圖4 追蹤點示意圖

為方便研究，本工序插入了不同橫向深度與縱向深度的九個追蹤點，如圖4所示。

圖5 體積旋壓過程中各點等效塑性應變數值變化

從圖5各圖的總趨勢可以看出，隨著上模進給行程的增加，金屬材料中各點的等效塑性應變都在不斷地增大，且通過觀察初期曲線的各峰值位置，可算出上模繞中心線公轉一周的周期。圖5a-c中各圖的三點位于工件同一深度，通過圖5a可以看出在體積旋壓工藝過程中，金屬材料近上表面部分同一深度各點的等效塑性應變數值從各面圓心向圓周遞減；通過圖5b可看出，金屬材料近中部同一深度各點的等效塑性應變數值從各面圓心向圓周依舊遞減，但兩點之間的應變數值差較上表面部分有所減小；通過圖5c可看出，材料近下表面部分同一深度各點的等效塑性應變數值從各面圓心向圓周遞增。故可以推測，在體積旋壓過程中，存在一深度x（x∈（50,90））使得：①在深度為0到x的各水平面上，等效塑性應變數值由圓心向圓周遞減，且隨著深度的增加，兩點之間的數值差逐漸減小。②在深度為x的水平面上，各點的等效塑性應變數值近似相等。③在深度為x到100的各水平面上，等效塑性應變數值由圓心向圓周遞增，且隨著深度的增加，兩點之間的數值差逐漸增大。且綜合三張圖可得出在體積旋壓過程中，深度較小的各點的等效塑性應變數值大于深度較大各點的數值[3]。

圖5d-f中各圖的三點位于工件同一半徑，通過圖5d可以看出，金屬材料中近外圍各點的等效塑性應變數值隨深度的增大而增大；通過圖5e與f可以看出，金屬材料中中等半徑的各點與中心軸上的個、各點的等效塑性應變數值隨深度的增大而減小。故可以推測，在體積旋壓過程中，存在一半徑y（y∈（45,90））使得：①在半徑為0到y的各圓柱面上，各點的等效塑性應變數值隨深度的增大而減小，且隨著半徑的增大，兩點之間的數值差逐漸減小。②在半徑為y的圓柱面上，各點的等效塑性應變數值近似相等。③在半徑為y到100的各個圓柱面上，等效塑性應變數值隨深度的增大而增大，且隨著半徑的增加，兩點之間的數值差逐漸增大。且綜合三張圖可得出在體積旋壓過程中，半徑較小的各點的等效塑性應變數值大于深度較大各點的數值。

3 結語

體積旋壓成型工藝是一個綜合了多因素的復雜的成型過程，利用三維有限元模型可以對該工藝進行很好的模擬與研究。通過本次的模擬，揭示了復雜金屬零件的體積旋壓成型過程是一個數次小應變積累成最終應變的塑性成形工藝，應變云圖中應變的分布表現出由上表面到下表面的傳遞特性，從而產生徑向與軸向的變形不均勻而周向變形相對均勻。且總的來說近中心軸面的近上表面區域的等效塑性應變較大，而近外表面的近下表面區域應變量較小。

本文對體積旋壓成型的規律進行的一定研究，可為進一步認識體積旋壓工藝機理和探究最優工藝路徑提供了有價值的經驗。