滾珠直徑對薄壁筒形件反向滾珠旋壓成形性影響研究

江樹勇，孫金鳳，趙立紅，張艷秋

(1.哈爾濱工程大學(xué)工程訓(xùn)練中心，哈爾濱150001;

2.哈爾濱工程大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱150001)

滾珠直徑對薄壁筒形件反向滾珠旋壓成形性影響研究

江樹勇1，孫金鳳2，趙立紅1，張艷秋1

(1.哈爾濱工程大學(xué)工程訓(xùn)練中心，哈爾濱150001;

2.哈爾濱工程大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱150001)

以工藝實驗和剛塑性有限元法為基礎(chǔ)，研究了滾珠直徑對薄壁筒形件反向滾珠旋壓成形性的影響.有限元模擬結(jié)果表明，隨著滾珠直徑的增加，軸向旋壓力的波動減小，滾珠前方金屬堆積減小，金屬穩(wěn)定流動性增加.工藝實驗結(jié)果表明，滾珠直徑對薄壁筒形件反向滾珠旋壓成形性的影響存在兩個臨界值，而且隨著滾珠直徑的增加，滾珠旋壓力增加，筒坯較易發(fā)生塑性變形，滾珠前方金屬穩(wěn)定流動性增加.有限元模擬結(jié)果與實驗結(jié)果保持了良好的一致性.

強(qiáng)力旋壓;滾珠旋壓;滾珠直徑;有限元法

滾珠旋壓作為一種連續(xù)局部塑性成形工藝，滾珠旋壓屬于多點局部成形，變形區(qū)小，所需力學(xué)載荷較小，工裝簡單，設(shè)備較為輕便.滾珠旋壓時，滾珠沿著工件周向均勻分布，力學(xué)載荷相對較為對稱，有效防止變薄旋壓過程中筒形件的失穩(wěn)問題，有利于保證筒形件的內(nèi)徑精度［1～4］.因此，滾珠旋壓是加工小直徑、高精度和高強(qiáng)度薄壁筒形件及異類管殼的理想工藝［5～7］.

近幾年來，許多學(xué)者開始研究滾珠旋壓工藝.張士宏等人對1Cr18Ni9Ti不銹鋼薄壁管滾珠旋壓成形工藝進(jìn)行了研究，通過有效控制壁厚減薄率和進(jìn)給比，在立式滾珠旋壓機(jī)上成形出了合格的旋壓件［8］.王淼等人研究了進(jìn)給比對薄壁管滾珠旋壓成形的影響規(guī)律，給出了薄壁管滾珠旋壓成形時進(jìn)給比的選取范圍［9］.王忠堂等人研究了薄壁筒形件滾珠旋壓時滾珠工作角對金屬穩(wěn)定流動的影響，獲得了較理想的成形薄壁筒形件時減薄率的選取范圍［10］.江樹勇等人對薄壁筒形件滾珠旋壓力學(xué)進(jìn)行了分析，通過將薄壁筒形件滾珠旋壓簡化為平面應(yīng)變問題，應(yīng)用主應(yīng)力法求解了滾珠旋壓力，并分析了滾珠直徑、進(jìn)給比對滾珠旋壓力的影響，并對縱向內(nèi)筋薄壁筒形件滾珠旋壓成形進(jìn)行了深入地研究［11～14］.

由于滾珠直徑是薄壁筒形件滾珠旋壓中的一個最為重要的工藝變量，對旋壓件的成形性具有重要的影響［15］.因此深入研究滾珠直徑對旋壓件成形性的影響規(guī)律，具有重要的意義.

本文就是將工藝實驗與有限元模擬相結(jié)合，深入研究了滾珠直徑對薄壁筒形件反向滾珠旋壓成形性的影響.

1 實驗

滾珠旋壓工裝的結(jié)構(gòu)如圖1所示.旋壓工裝采用單排滾珠.該工裝由旋壓頭和芯模構(gòu)成.旋壓頭由螺紋支承管、外支承圈、圓錐模環(huán)和滾珠構(gòu)成，圓錐模環(huán)與外支承圈采取過盈配合，螺紋支承管與外支承圈采用螺紋配合.圓錐模環(huán)與螺紋支承管分別在徑向和軸向?qū)L珠起支承作用.通過在軸向上調(diào)整螺紋支承管與外支承圈的相對位置，來調(diào)節(jié)滾珠與芯模之間的間隙，從而實現(xiàn)不同的壓下量，能夠加工出不同壁厚和不同直徑的旋壓件.

圖1 反向滾珠旋壓工裝示意圖

在旋壓過程中，旋壓頭裝在車床的卡盤上，隨車床的主軸一起旋轉(zhuǎn)，芯模裝在車床的尾頂上，5A02鋁合金筒坯固定在芯模上，隨芯模進(jìn)行軸向進(jìn)給運(yùn)動，高速旋轉(zhuǎn)的滾珠作用在筒坯上，使筒坯變薄伸長，最后獲得所需要的薄壁筒形件.

2 不同滾珠直徑的有限元模擬

2.1 有限元法的基本方程

剛塑性有限元法是以變分原理為基礎(chǔ)的.罰因子的引進(jìn)是為了去掉動可容速度場中不可壓縮條件的限制.因此，對于剛塑性材料，泛涵φ被如下建立:式中φ是能量泛函，ˉσ是等效應(yīng)力，且ˉσ=ˉσ，是等效應(yīng)變是等效應(yīng)變速率，α是罰因子，ε˙V是體積應(yīng)變速率，F(xiàn)i是表面外力，ui是速度場.

在滿足相容條件和速度邊界條件的動可容速度場中，真實解使泛函φ的一階變分為零，即:

方程(2)是有限元離散的基本方程.

2.2 材料模型

圖2為通過壓縮實驗獲得的5A02鋁合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線，被作為材料模型輸入有限元模擬軟件.筒坯模型的長度為20 mm，厚度為2.5 mm，被劃分為47712個單元，11998個節(jié)點，對于筒坯發(fā)生塑性變形的部分，采用網(wǎng)格加密處理.

圖2 5A02鋁合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.3 有限元模型

反向滾珠旋壓的有限元模型如圖3所示，在軸向滾珠旋入端，筒坯處于自由狀態(tài)，而在筒坯的另一端，筒坯處于約束狀態(tài).芯模固定不動，滾珠既有軸向進(jìn)給運(yùn)動，又有周向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，因此滾珠的運(yùn)動軌跡為螺旋線.兩種旋壓方式的滾珠均采用4個滾珠，比實際旋壓實驗的滾珠數(shù)量少，可以節(jié)省計算時間.

圖3 筒形件反向滾珠旋壓限元模型

2.4 有限元模擬結(jié)果

2.4.1 變形區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變分布

圖4、圖5和圖6為分別采用5 mm、10 mm和20 mm的滾珠直徑對旋壓件成形所進(jìn)行的有限元模擬，進(jìn)給比為1.6 mm/r，每道次壁厚減薄量為1.0 mm.

通過對圖4、圖5和圖6的模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，可以獲得不同滾珠直徑對薄壁筒形件滾珠旋壓成形的影響規(guī)律.從等效應(yīng)變的分布可以看出，隨著滾珠直徑的增大，滾珠前方變形金屬的應(yīng)變值不斷減小，這說明在保證其它工藝參數(shù)不變的條件下，隨著滾珠直徑的增大，滾珠前方金屬隆起減小，金屬材料的穩(wěn)定流動的傾向增加.

圖4 5 mm滾珠直徑成形的旋壓件應(yīng)力應(yīng)變分布

圖5 10 mm滾珠直徑成形的旋壓件應(yīng)力應(yīng)變分布

圖6 20 mm滾珠直徑成形的旋壓件應(yīng)力應(yīng)變分布

2.4.2 軸向旋壓力的模擬

圖7為通過有限元模擬獲得的軸向旋壓力分量隨著滾珠行程變化的曲線.從圖中可以看出，隨著滾珠直徑的增加，軸向旋壓力波動減小，這說明隨著滾珠直徑的增加，金屬材料趨于穩(wěn)定流動的傾向性增加.

圖7 軸向旋壓力分量關(guān)于滾珠行程變化的曲線

3 不同滾珠直徑的工藝實驗研究

采用不同的滾珠直徑對薄壁筒形件的滾珠旋壓進(jìn)行了實驗研究.在薄壁筒形件滾珠旋壓過程中，當(dāng)其它工藝變量一定時，滾珠直徑d對金屬材料塑性流動的影響存在兩個臨界值，即dc1和dc2.

當(dāng)d＜dc1時，只有滾珠前方的金屬不斷地堆積，筒坯并沒有發(fā)生徑向壓縮和軸向伸長(如圖8所示);當(dāng)dc1＜d＜dc2時，筒坯發(fā)生了徑向壓縮和軸向伸長，但滾珠前方的金屬仍有很大的隆起，甚至發(fā)生剝皮(如圖9所示);當(dāng)d＞dc2時，筒坯發(fā)生了徑向壓縮和軸向伸長，滾珠前方金屬隆起較小(如圖10所示).

圖8 具有表面堆積的旋壓件照片

圖9 具有表面剝皮的旋壓件照片

圖10 具有表面穩(wěn)定流動的旋壓件

4 基于滾珠直徑的旋壓成形理論分析

滾珠直徑是軸向咬入角的一個變量，如公式(3)所示:

式中α為軸向咬入角;Δt為每道次壁厚減薄量，Δt =t0-t，t0為筒坯壁厚，t為工件壁厚;d為滾珠直徑.

軸向咬入角是用來表征不同滾珠直徑對壁厚減薄量影響的特性角，軸向咬入角的大小對旋壓件的成形性有重要的影響，它決定著薄壁筒形件滾珠旋壓過程中變形區(qū)金屬材料能否發(fā)生穩(wěn)定流動.由于咬入角是滾珠直徑的函數(shù)，因此滾珠直徑的大小也必然影響滾珠旋壓過程中金屬材料的流動狀態(tài).

另外，滾珠直徑是旋壓力的一個重要變量，徑向旋壓力、軸向旋壓力和切向旋壓力都隨著滾珠直徑的增加而增加，徑向旋壓分力增加最為顯著，而軸向旋壓分力次之，增加最為緩慢的是切向旋壓分力.

基于以上理論基礎(chǔ)知識，當(dāng)其它工藝變量不變時，滾珠直徑對旋壓件成形性的影響存在兩個臨界值dc1和dc2的原因如下.

當(dāng)d＜dc1時，由于滾珠直徑較小時，徑向旋壓力不足以使?jié)L珠下方筒坯發(fā)生塑性變形，而軸向旋壓力則使?jié)L珠前方的金屬發(fā)生塑性變形，不斷地向前方堆積.

當(dāng)dc1＜d＜dc2時，隨著滾珠直徑的增大，徑向旋壓力不斷地增加，足以使?jié)L珠下方筒坯發(fā)生塑性變形，筒坯發(fā)生了徑向壓縮和軸向伸長，但此時軸向力仍然很大，且軸向咬入角很大，金屬材料表現(xiàn)為非穩(wěn)定流動.

當(dāng)d＞dc2時，此時，徑向旋壓力已足夠大，且軸向咬入角很小，金屬材料表現(xiàn)為完全地穩(wěn)定流動.

5 結(jié)論

(1)滾珠直徑對薄壁筒形件滾珠旋壓成形性具有重要影響.滾珠直徑不僅影響旋壓力的大小，而且影響軸向咬入角的大小.因此，薄壁筒形件滾珠旋壓過程中，滾珠直徑不僅影響筒坯能夠發(fā)生塑性變形，而且影響滾珠前方金屬能否發(fā)生穩(wěn)定流動.

(2)有限元模擬和實驗結(jié)果表明，隨著滾珠直徑的增加，筒坯較易發(fā)生塑性變形，滾珠前方金屬穩(wěn)定流動性增加.合理選擇滾珠直徑是保證成形合格旋壓件的關(guān)鍵.

(3)理論分析和實驗現(xiàn)象表明，滾珠直徑對旋壓件成形性的影響存在兩個臨界值dc1和dc2，影響兩個臨界值大小的因素較多，如旋壓材料、進(jìn)給比和壁厚減薄量等，因此確定該臨界值有一定難度，這將在后續(xù)的研究工作中進(jìn)行不斷的探索.

［1］ ZHANG Guangliang，ZHANG Shihong，LI Bing，

ZHANG Haiqu.Analysis on folding defects of inner grooved copper tubes during ball spin forming.Journal of Materials Processing Technology.2007，184:393－400.

［2］TANG Y，CHI Y，CHEN J C，et al.Experimental study of oil-filled high-speed spin forming micro-groove fin-inside tubes［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2007(47):1059－1068.

［3］徐恒秋，樊桂森，張 銳，等.旋壓設(shè)備及工藝技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展［J］.新技術(shù)新工藝，2007(2):6－8.

［4］李茂盛，康達(dá)昌，張士宏，等.滾珠旋壓工藝中成形區(qū)接觸壓力的分析計算［J］.材料科學(xué)與工藝，2004，12(2):125－128.

［5］王忠堂，王淼，王本賢，等.滾珠旋壓工藝參數(shù)對薄壁筒形件旋壓變形的影響［J］.熱加工工藝，2007，36(1):47－49.

［6］張士宏，吳江，方蔓蘿.不銹鋼薄壁管滾珠旋壓模擬及缺陷分析［J］.航天制造技術(shù)，2008(1):5－9.

［7］許春停，薛克敏，李萍.帶縱向內(nèi)筋筒形件滾珠反旋工藝模擬和缺陷分析［J］.河南科技大學(xué)學(xué)報，2006，27(4):9－11.

［8］張士宏，吳江.薄壁不銹鋼管滾珠旋壓成形工藝研究［J］.鍛壓技術(shù)，2009，34(1):60－64.

［9］王淼，王忠堂，王本賢，等.軸向進(jìn)給比對薄壁管滾珠旋壓影響的有限元分析［J］.沈陽理工大學(xué)學(xué)報，2007，26(2):30－33.

［10］王忠堂，王淼，王本賢，等.滾珠旋壓工藝參數(shù)對薄壁筒形件旋壓變形的影響［J］.熱加工工藝，2007， 36(1):47－49.

［11］JIANG Shu-yong，REN Zheng-yi.Analysis of mechanics in ball spinning of thin-walled tube［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2008，21(1):25－30.

［12］JIANG Shu-yong，REN Zheng-yi，WU Bin，et al.General issues of FEM in backward ball spinning of thinwalled tubular part with longitudinal inner ribs［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2007，17(4):793－798.

［13］JIANG Shu-yong，REN Zheng-yi，XUE Ke-ming，et al. Application of BPANN for prediction of backward ball spinning of thin-walled tubular part with longitudinal inner ribs［J］.Journal of Materials Processing Technology，2008，196(1－3):190－196.

［14］JIANG Shu-yong，ZHENG Yu-feng，REN Zheng-yi，et al.Multi-pass spinning of thin-walled tubular part with longitudinal inner ribs［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2009，19(1):215－221.

［15］李茂盛，張士宏，康達(dá)昌，等.滾珠旋壓工藝的滾珠直徑選擇［J］.材料科學(xué)與工藝，2005，13(6):594－597.

Study on influence of ball diameter on backward ball spinning of thin-walled tube

JIANG Shu-yong1，SUN Jin-feng2，ZHAO Li-hong1，ZHANG Yan-qiu1
(1.Engineering Training Center，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China; 2.College of Materials Science and Chemical Engineering，Harbin 150001，China)

Based on the process experiment and the rigid-plastic finite element method(FEM)，influence of ball diameter on backward ball spinning of thin-walled tube is studied.FEM simulation results show that with the increase of ball diameter，the fluctuation of axial spinning force component decreases，and metal build-up in front of ball decreases，but stable flow of metal increases.During backward ball spinning of thin-walled tube，ball diameter possesses two critical values which have a significant influence of deformability of the spun part.Furthermore，increasing ball diameter leads to the increase of ball spinning force，which contributes to occurrence of plastic deformation of tubular blank as well as stable flow of metal in front of ball.The FEM simulation results agree well with the experimental ones.

power spinning;ball spinning;ball diameter;finite element method

TG306 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005－0299(2011)02－0001－04

2009－07－09.

黑龍江省博士后基金資助項目(No.3236301154).

江樹勇(1973－)，男，博士，教授.

(編輯 張積賓)