基于Deform的橢圓筒形件旋壓成形數(shù)值模擬

盧　璐

（山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，青島 266000）

基于Deform的橢圓筒形件旋壓成形數(shù)值模擬

盧璐

（山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，青島 266000）

應(yīng)用Deform 3D軟件建立單旋輪橢圓筒形彈塑性有限元模型，通過設(shè)置旋輪繞旋輪軸自轉(zhuǎn)、繞芯模主軸公轉(zhuǎn)和沿芯模主軸方向偏移的運(yùn)動(dòng)，合成了橢圓筒形件運(yùn)動(dòng)軌跡。采用Dynaform軟件反求毛坯尺寸，通過有限元模擬，獲得了橢圓筒形件旋壓過程中應(yīng)力應(yīng)變的分布規(guī)律，分析了毛坯形狀對成形過程的影響。結(jié)果表明：旋壓對已加工區(qū)的影響很小，并不易在后面即將加工的區(qū)域產(chǎn)生材料的堆積，最大等效應(yīng)力變化不大；橢圓長徑過渡到橢圓短徑的區(qū)域內(nèi)周向形狀不均勻最顯著，該區(qū)域內(nèi)等效應(yīng)變大；橢圓筒形件的旋壓在實(shí)際生產(chǎn)過程中可以采用Dynaform反求出的毛坯為基礎(chǔ)，根據(jù)具體情況進(jìn)行修改和完善。

橢圓筒形件Deform等效應(yīng)力應(yīng)變毛坯形狀

引言

旋壓作為一種先進(jìn)的無切削加工工藝，是塑性加工的一個(gè)重要分支。與傳統(tǒng)金屬加工技術(shù)相比，旋壓是一種快速、經(jīng)濟(jì)的成形回轉(zhuǎn)體零件的方法，具有可產(chǎn)生大塑性變形、變形力小、節(jié)約原材料、產(chǎn)品強(qiáng)度高等特點(diǎn)，適合加工多種金屬材料?？尚龎杭庸ち慵缀涡螤钊找鎻?fù)雜，旋壓成形技術(shù)已經(jīng)突破傳統(tǒng)的用于加工薄壁空心回轉(zhuǎn)體零件的局限。已有不少學(xué)者對非軸對稱類零件和非圓截面空心件的旋壓成形技術(shù)進(jìn)行了初步的探索研究，部分研究成果已經(jīng)投入到成產(chǎn)實(shí)踐中。日本SPINDLE公司于1999年研制出世界上第一臺可生產(chǎn)偏心及傾斜類零件的數(shù)控旋壓機(jī)床，并用于生產(chǎn)汽車的排氣歧管和消音器［1］。德國THATE GmbH公司開發(fā)了一種針對旋壓成形非圓形件的數(shù)控技術(shù)，并且嘗試用數(shù)控旋壓技術(shù)來生產(chǎn)橢圓形零件。美國MJC工程技術(shù)有限公司已經(jīng)開發(fā)了一臺全數(shù)控旋壓機(jī)床，可加工從4570mm到150mm變徑差的非圓形截面零件。國內(nèi)，華南理工大學(xué)夏琴香研制的非軸對稱零件旋壓成形技術(shù)及設(shè)備，可完整加工各部分軸線相互平行或成一定夾角的偏心、傾斜類三維非軸對稱薄壁空心零件［2］。本研究使用有限元分析軟件Deform，對單旋輪橢圓筒形件旋壓成形過程進(jìn)行有限元模擬，研討毛坯形狀對成形過程的影響。

1　橢圓筒形件旋壓成形有限元模型

1.1幾何模型與工藝參數(shù)

該橢圓筒形件的初始毛坯由 Dynaform的反求功能獲得，采用的旋壓成形過程均為單旋輪一道次旋壓成形，橢圓筒形件的初始毛坯尺寸為長徑20.53mm、短徑18.32mm的橢圓，厚度為1mm，旋輪直徑為20mm，旋壓成形幾何模型示意圖如圖1所示。

工件由芯模和頂塊夾緊，旋輪旋轉(zhuǎn)且根據(jù)所需的軌跡進(jìn)給并擠壓坯料，使坯料產(chǎn)生連續(xù)的局部塑性變形，最終獲得所需的橢圓筒形工件。旋壓工藝參數(shù)如表1所示。

1.2有限元模型的軌跡設(shè)計(jì)

實(shí)際生產(chǎn)中，工件由頂塊和芯模夾緊并高速轉(zhuǎn)動(dòng)。而在有限元模擬過程中，芯模每自轉(zhuǎn)一步，軟件都要重新計(jì)算模型的位置，重復(fù)的存儲(chǔ)、讀取動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，造成數(shù)據(jù)計(jì)算量巨大。因此，采用旋輪公轉(zhuǎn)代替芯模自轉(zhuǎn)的方法，可減少位置更新模型的數(shù)量，顯著節(jié)省數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算量。旋壓模擬過程中，通過設(shè)置旋輪繞旋輪軸自轉(zhuǎn)的速度、繞芯模主軸公轉(zhuǎn)的速度和沿芯模徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度，可以合成旋輪的橢圓形運(yùn)動(dòng)軌跡［3-6］。

圖1　幾何模型

表1　旋壓工藝參數(shù)

（1）旋輪公轉(zhuǎn)。模擬中，將芯模和頂塊設(shè)置為不旋轉(zhuǎn)，旋輪設(shè)置為公轉(zhuǎn)。其中，旋輪公轉(zhuǎn)角速度與芯模自轉(zhuǎn)角速度相等。旋輪公轉(zhuǎn)角速度與主軸轉(zhuǎn)速關(guān)系如式（1）所示。

式中，ω為旋輪公轉(zhuǎn)角速度，n為主軸轉(zhuǎn)速。

（2）旋輪自轉(zhuǎn)。為保證模擬中旋輪與工件不發(fā)生打滑，要求旋輪與工件在接觸點(diǎn)處時(shí)刻保持線速度相等。垂直于主軸方向上芯模的投影如圖2所示。當(dāng)轉(zhuǎn)速恒定時(shí)，旋輪從長軸端點(diǎn)A運(yùn)動(dòng)到短軸端點(diǎn)S，旋輪與工件接觸點(diǎn)線速度由最大值變?yōu)樽钚≈怠Ｎ闹胁捎脭M合方法，將A點(diǎn)至S點(diǎn)橢圓弧段劃分為若干份，每一點(diǎn)對應(yīng)一個(gè)線速度，以此求出旋輪接觸該點(diǎn)時(shí)的自轉(zhuǎn)角速度。離散的點(diǎn)數(shù)目越多，模擬中的運(yùn)動(dòng)軌跡與實(shí)際愈接近?？紤]精度與計(jì)算效率的綜合因素，本文將弧段劃分為18份，并根據(jù)旋輪公轉(zhuǎn)速度，做出旋輪自轉(zhuǎn)角速度隨時(shí)間變化曲線圖，如圖3所示。

圖2　Y方向芯模投影

圖3　旋輪自轉(zhuǎn)速度與時(shí)間曲線圖

（3）旋輪沿主軸偏移的運(yùn)動(dòng)。旋輪的公轉(zhuǎn)軌跡為圓形，與旋輪沿主軸偏移的運(yùn)動(dòng)合成后為橢圓，在Deform中對如圖2所示X方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)設(shè)置，其中偏移速度如式（2）所示，旋輪偏移速度隨時(shí)間變化曲線圖，如圖4所示。

式中，V偏為旋輪偏移速度，ROB為 B點(diǎn)到主軸的距離，ROA為A點(diǎn)到主軸的距離，T為芯模每轉(zhuǎn)1/72圈所用的時(shí)間。

圖4　偏移速度與時(shí)間曲線

1.3有限元模型的本構(gòu)方程

本文建立的有限元模型為彈塑性有限元模型，工件材料為AL-1100，其本構(gòu)方程如公式（3）所示。

式中，c為強(qiáng)度系數(shù)；n為硬化指數(shù)，0＜n＜1，其在Deform中應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5所示。

圖5　AL-1100的應(yīng)力應(yīng)變曲線

2　應(yīng)力應(yīng)變分析

Dedorm軟件的網(wǎng)格主要以四面體單元為主。實(shí)體劃分網(wǎng)格時(shí)，四面體網(wǎng)格的單元屬性將自動(dòng)轉(zhuǎn)換到實(shí)體上。網(wǎng)格數(shù)設(shè)置為130000，使工件在成形過程中減少網(wǎng)格發(fā)生畸變的數(shù)量，避免軟件的自動(dòng)重劃分網(wǎng)格，保證模擬的精確性。步數(shù)為1000，每步時(shí)間為0.002s，旋輪與工件之間有摩擦力而使旋輪的發(fā)生旋轉(zhuǎn)，模擬時(shí)旋輪與工件之間的摩擦系數(shù)采用0.4。通過模擬，獲得了應(yīng)力應(yīng)變分布。

（1）等效應(yīng)力分布。圖6為等效應(yīng)力分布。由圖6可以看出，在起旋階段，旋輪前方未成形區(qū)和后方已成形區(qū)的等效應(yīng)力值也較大。這是由于旋輪對前方的金屬有拉彎的作用，拉應(yīng)力傳遞到旋輪的已成形區(qū)域和未成形區(qū)域造成的。隨旋輪進(jìn)給量的增加，應(yīng)力分布沿垂直旋壓軌跡方向向外擴(kuò)散。當(dāng)旋輪旋入達(dá)到毛坯所要求的壁厚減薄率時(shí)，旋壓變形進(jìn)入穩(wěn)定階段。最大的等效應(yīng)力集中于旋輪與工件接觸區(qū)域。由圖6（b）可以看出，等效應(yīng)力沿中心軸方向的梯度最大，即金屬沿著該方向的流動(dòng)阻力最小。可見，旋壓不僅對后方已加工區(qū)的影響很小，而且也不易在前方即將加工的區(qū)域產(chǎn)生材料的堆積。旋壓過程工件中，最大等效應(yīng)力隨時(shí)間的變化如圖7所示。由圖7可以看出，在穩(wěn)定工作階段，最大等效應(yīng)力變化不大，變形過程比較平穩(wěn)［7］。

圖6　等效應(yīng)力分布

圖7　等效應(yīng)力

（2）等效應(yīng)變分布。圖8為等效應(yīng)變分布。從圖8可以看出，在起旋階段，塑性應(yīng)變分布較均勻，金屬存在彎曲、拉伸和擠壓多個(gè)方向的變形。當(dāng)旋輪旋入毛坯達(dá)到所要求的壁厚減薄率后，旋壓變形進(jìn)入穩(wěn)定階段，塑性應(yīng)變最大處分布在旋輪由橢圓長徑過渡到橢圓短徑的區(qū)域。這是因?yàn)樵谛龎哼^程中，坯料在旋輪的作用下發(fā)生彎曲和擠壓變形逐漸貼合芯模.但是，由于芯模為橢圓形，在周向上變形不均勻，其中橢圓長徑過渡到橢圓短徑的區(qū)域內(nèi)周向形狀不均勻最顯著，故而該區(qū)域內(nèi)等效應(yīng)變大［8］。

圖8　等效塑性應(yīng)變分布

3　毛坯形狀對旋壓結(jié)果的影響

生產(chǎn)中毛坯初始形狀會(huì)對成形過程產(chǎn)生影響，因此本文進(jìn)一步研究兩種不同形狀的毛坯對成形結(jié)果形狀的影響。

圖9為毛坯圖，圖10為工件最終變形圖。從圖9和圖10可以看出，當(dāng)毛坯是由芯模等比例放大的形狀時(shí)，旋壓結(jié)束后，底部邊緣非常不平整，需要進(jìn)一步加工修平，增加了加工成本和材料的浪費(fèi)。而當(dāng)毛坯是由 Dynaform反求出的形狀時(shí)，旋壓結(jié)束后，工件底部邊緣較為平整。因此，橢圓筒形件旋壓的毛坯形狀并不是簡單的芯模橢圓形狀等比例放大。在生產(chǎn)過程中，可以以Dynaform反求出的毛坯為基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)一步修改完善。

圖9　毛坯圖

圖10　最終變形圖

4　結(jié)論

本文運(yùn)用Deform模擬橢圓筒形件旋壓的成形過程，結(jié)論如下：

（1）橢圓筒形件旋壓模擬過程中，運(yùn)動(dòng)軌跡由旋輪繞旋輪軸自轉(zhuǎn)、繞芯模主軸公轉(zhuǎn)和沿芯模主軸方向偏移的運(yùn)動(dòng)合成，計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定高效。

（2）Deform模擬中，旋壓對已加工區(qū)的影響很小，并不易對在后面即將加工的區(qū)域產(chǎn)生材料的堆積，最大等效應(yīng)力變化不大。坯料在旋輪的作用下發(fā)生彎曲和擠壓變形逐漸貼合芯模，由于芯模為橢圓形，在周向上變形不均勻，其中橢圓長徑過渡到橢圓短徑的區(qū)域內(nèi)周向形狀不均勻最顯著，故而該區(qū)域內(nèi)等效應(yīng)變大。

（3）橢圓筒形件旋壓的毛坯形狀并不是簡單的芯模橢圓形狀等比例放大，在生產(chǎn)過程中可以以Dynaform反求出的毛坯為基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修改和完善。

［1］高田佳昭.日本呢最新回車云成形技術(shù)［J］.塑性加工（日本塑性加工學(xué)會(huì)志），2002，（11）：8-12.

［2］夏琴香.三維非軸對稱零件成形工藝及設(shè)備［J］.新技術(shù)新工藝，2003，（12）：33-35.

［3］劉陶.基于DEFORM-3D的鋁合金筒形件旋壓成形過程數(shù)值模擬 ［J］.鍛壓技術(shù)：特種鑄造及有色合金，2010，30（6）：508-510.

［4］趙云豪，李彥利.旋壓技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［5］陳海濤，魏修亭，徐海泉，徐鵬.基于DEFORM-3D的輪輻旋壓成形有限元模擬［J］.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2012，（4）：1-2.

［6］梅瑛，牛朝勃，劉波，李瑞琴，張愛晨.鋁合金筒形件強(qiáng)力正旋的應(yīng)力應(yīng)變分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2011，（1）：53-56.

［7］郝繼東.變薄旋壓工藝數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)分析［D］.青島：山東科技大學(xué)，2011.

［8］王鳳彪.錐形件強(qiáng)力旋壓壁厚的模擬預(yù)測及試驗(yàn)驗(yàn)證［D］.重慶：重慶大學(xué)，2014.

Numerical Simulation of Spinning Forming of Elliptical Tube Shaped Parts based on Deform

LU Lu
（College of mechanical and Electronic Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266000）

Application of deform 3D software established single roller is elliptic cylindrical elastic plasticity finite element model，by setting rotary wheel around the axle of the roller rotation，orbit around the mandrel spindle and along the offset of the mandrel axis direction of motion synthesis of the elliptic tube shaped part of the trajectory.By using Dynaform software to obtain the blank size，the distribution law of stress and strain in the process of spinning is obtained by the finite element simulation，and the influence of the blank shape on the forming process is analyzed.The results show that the effect of spinning on the processed area is very small，and it is not easy to accumulate the material in the area that is about to be processed at the back，and the maximum equivalent stress is not changed.In the region of the elliptical length，the circumferential shape is not even and the most significant，and the effect becomes larger in the region.In the actual production process，the spinning of elliptical cylindrical parts can be used as the basis of the blank of Dynaform reverse，and the modification and improvement are carried out according to the specific conditions.

Elliptic cylinder，DEFORM，Equivalent stress，E-quivalent strain，Spinning forming