環(huán)狀零件滾壓加工成形仿真技術(shù)探究

唐衛(wèi)平

摘 要： 對(duì)航天閥門環(huán)形零件的加工過(guò)程中涉及到轉(zhuǎn)動(dòng)、位移等多個(gè)過(guò)程，呈現(xiàn)出非線性的復(fù)雜特征。為了研究環(huán)狀零件的滾壓加工，使用有限元法進(jìn)行滾壓加工的仿真分析，以保障滾壓加工達(dá)到最佳效果?；诖耍疚氖紫汝U述了仿真技術(shù)對(duì)于滾壓加工的重要性，然后進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)和結(jié)果的分析。

關(guān)鍵詞： 環(huán)狀零件；滾壓加工；仿真技術(shù)

引言：在傳統(tǒng)的環(huán)形零件加工中，需要依靠技術(shù)人員的專業(yè)技能和手感經(jīng)驗(yàn)，還要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的試驗(yàn)篩選，才能保證滾壓加工的質(zhì)量。因此，還需要加強(qiáng)對(duì)滾壓加工仿真技術(shù)的研究，將仿真技術(shù)應(yīng)用在環(huán)形零件的加工中，提高零件的質(zhì)量。

一、仿真技術(shù)對(duì)滾壓加工的重要性

航天閥門是火箭運(yùn)載中壓力傳輸系統(tǒng)十分重要的構(gòu)件，航天閥門是一種密封件環(huán)狀結(jié)構(gòu)，零件的加工穩(wěn)定性是保障閥門可靠性的基礎(chǔ)，更是影響火箭發(fā)射的主要因素。密封件環(huán)狀結(jié)構(gòu)是利用普通車床的刀具進(jìn)行滾壓加工制作的，對(duì)操作人員的技能和手感有著很高的要求，加工之后經(jīng)過(guò)產(chǎn)品的試驗(yàn)篩選得出性能可靠的產(chǎn)品。由此可見，研究環(huán)狀零件仿真技術(shù)，可以將零件的加工過(guò)程數(shù)字化處理，從根本上保證零件加工質(zhì)量以及可靠性。環(huán)狀零件的滾壓過(guò)程是一種大位移基礎(chǔ)上的有限應(yīng)變過(guò)程，具有一定的非線性特征，使用簡(jiǎn)單的解析法對(duì)三維變形問(wèn)題進(jìn)行求解。隨著計(jì)算機(jī)的仿真技術(shù)快速發(fā)展，仿真技術(shù)已經(jīng)具備了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力，使用有限元的方法能夠?qū)Νh(huán)狀零件進(jìn)行滾壓加工研究[1]。仿真技術(shù)在滾壓加工中的應(yīng)用，有利于加工成本的控制，也能夠縮短加工的周期。在仿真過(guò)程中使用動(dòng)力顯示算法，能夠縮短計(jì)算時(shí)間，控制儲(chǔ)存空間，減少很多操作困難。

二、動(dòng)力學(xué)顯示算法

本文使用動(dòng)力學(xué)顯示算法進(jìn)行仿真研究，得到滾壓過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變等。動(dòng)力學(xué)顯示算法方程為：Mü+Cù+P=F。其中M是質(zhì)量矩陣，C是阻尼矩陣，P是內(nèi)力矩陣，F(xiàn)是外載荷矢量，u是位移。一般情況下，使用中心拆分法求解，離散速度中心差分公式為： ，加速度中心差分公式為： 。將這兩個(gè)公式帶入到動(dòng)力學(xué)顯示算法公式中，對(duì)離散點(diǎn)位移的公式進(jìn)行求解。顯示算法方程并不是耦合，而是要直接求解，顯示方程存在穩(wěn)定的條件，需要時(shí)間步長(zhǎng)小于臨界值，這樣這個(gè)算法才是穩(wěn)定的。

三、仿真過(guò)程以及結(jié)果

（一）仿真試驗(yàn)前處理

環(huán)狀零件滾壓加工方面，很多學(xué)者的研究使用了不同的仿真軟件。本文以ABAQUS仿真軟件為例，進(jìn)行仿真研究[2]。在進(jìn)行仿真研究的時(shí)候，使用SU304不銹鋼作為航天閥門的密封件元件，在進(jìn)行滾壓的過(guò)程中發(fā)生的變形比較大，需要使用胡克定律以及應(yīng)變模型來(lái)對(duì)材料彈性和塑性進(jìn)行描述。在仿真過(guò)程中，密封件環(huán)狀構(gòu)件和滾刀接觸并不是線性的簡(jiǎn)單問(wèn)題，要想更加準(zhǔn)確的模擬密封件環(huán)狀結(jié)構(gòu)，必須要設(shè)置無(wú)穿透條件在互相接觸的兩者間。

（二）刀具角度的影響

在刀具軸線和工件軸線兩者間在進(jìn)給過(guò)程中形成的角度就是刀具角度。在進(jìn)行仿真的過(guò)程中，刀具角度要控制在0。～6.79。之內(nèi)。讓刀具角度發(fā)生改變來(lái)驗(yàn)證滾壓加工質(zhì)量受到的影響，最終可以得到結(jié)論：刀具角度的改變沒(méi)有起到明顯提高滾壓質(zhì)量的作用。在滾壓加工過(guò)程中，選擇合理角度保證刀具和機(jī)床之間不會(huì)互相干涉即可。通過(guò)對(duì)刀具角度的研究分析，刀具角度選擇為6.79。和0.1。的時(shí)候進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以了解到在刀具角度為6.79。的時(shí)候，工件被加工之后表面相對(duì)平整，在刀具角度為6.79。的時(shí)候，所得到工件表面同樣比較平整，這兩者之間的差距不大，也驗(yàn)證了仿真結(jié)論的準(zhǔn)確性。

（三）進(jìn)給速度的影響

在同樣刀具角度條件下，通過(guò)調(diào)整不同的進(jìn)給速度，進(jìn)行滾壓加工的仿真，從而得到在不同的進(jìn)給速度情況下，分析滾壓的加工質(zhì)量。當(dāng)進(jìn)給速度處于較低水平的時(shí)候，加工零件的邊緣會(huì)產(chǎn)生上翹的情況。當(dāng)進(jìn)給速度處于比較高的水平的時(shí)候，加工零件的質(zhì)量比前一種情況要好很多。將進(jìn)給速度從每秒0.2毫米提升到0.4毫米的時(shí)候，對(duì)加工質(zhì)量的影響并不明顯。

（四）主軸轉(zhuǎn)速的影響

在真實(shí)加工的過(guò)程中，可以發(fā)現(xiàn)滾壓加工質(zhì)量受到主軸轉(zhuǎn)速比較明顯的影響，對(duì)主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行仿真分析。通過(guò)對(duì)比分析可以明顯了解到主軸轉(zhuǎn)速的增大，會(huì)在滾壓加工零件邊緣產(chǎn)生明顯的褶皺，其中的應(yīng)力變化也十分明顯，對(duì)于滾壓加工質(zhì)量把控有不利的影響。因此，將主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為每分鐘260轉(zhuǎn)比較合理。對(duì)仿真結(jié)論展開試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到每分鐘260轉(zhuǎn)的時(shí)候，加工工件表面也一直處于平滑狀態(tài)，并沒(méi)有出現(xiàn)表面褶皺的情況，只存在輕微的表面上翹。這是由于實(shí)驗(yàn)時(shí)有塑料環(huán)對(duì)工件起到了約束作用，滾壓部分值產(chǎn)生了輕微的上翹問(wèn)題。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到每分鐘340轉(zhuǎn)的時(shí)候，加工工件產(chǎn)生小臺(tái)階，加工的表面也存在粗糙的問(wèn)題，因此將主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為每分鐘260轉(zhuǎn)比較恰當(dāng)。

（五）進(jìn)給方式的影響

在滾壓加工的過(guò)程中，滾刀進(jìn)給有兩種方式，分別是恒速進(jìn)給以及平滑進(jìn)給。對(duì)于兩種滾刀進(jìn)給方式展開仿真，對(duì)加工質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比。首先使用平滑進(jìn)給的方式進(jìn)行零件加工，所得到的零件邊緣比較平整，并沒(méi)有產(chǎn)生表面褶皺。再使用恒速進(jìn)給的方式進(jìn)行零件加工，可以發(fā)現(xiàn)零件表面出現(xiàn)了明顯的邊緣上翹，表面也出現(xiàn)了明顯的褶皺。因此，在滾壓加工的過(guò)程中，需要盡量保證滾壓速度平滑的變化，這樣更有助于保障零件的加工質(zhì)量。對(duì)此結(jié)論展開試驗(yàn)分析，使用平滑進(jìn)給方式加工，加工的部位相對(duì)平整，恒速給進(jìn)方式加工造成了工件邊緣上翹。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以確定平滑進(jìn)給方式比恒速給進(jìn)方式更具有優(yōu)勢(shì)，可以驗(yàn)證仿真結(jié)論的準(zhǔn)確。

（六）滾壓工藝參數(shù)的優(yōu)化

根據(jù)航天閥門密封件滾壓過(guò)程的仿真過(guò)程，對(duì)滾壓工藝優(yōu)化，從而得到滾壓工藝的最佳參數(shù)。利用優(yōu)化之后的滾壓參數(shù)展開仿真試驗(yàn)，分析仿真結(jié)果可以了解到滾壓部位的邊緣并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的上翹，也沒(méi)有出現(xiàn)褶皺問(wèn)題。內(nèi)邊緣也呈現(xiàn)出平整的效果，更加符合滾壓加工的實(shí)際要求。經(jīng)過(guò)滾壓實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，可以得出進(jìn)給方式可以選擇平滑進(jìn)給，進(jìn)給速度設(shè)定為每秒0.2毫米，主軸轉(zhuǎn)速可以設(shè)定為每秒260轉(zhuǎn)，刀具的角度可以控制在3.4?！?.79。。經(jīng)過(guò)優(yōu)化之后的工藝參數(shù)，在進(jìn)行滾壓加工的時(shí)候，可以加工出邊緣平整，沒(méi)有褶皺的零件。并且能夠保證平滑的加工表面，加工出來(lái)的工件比較符合對(duì)技術(shù)的要求，可以用來(lái)指導(dǎo)實(shí)際加工工作。

結(jié)論：綜上所述，本文基于仿真技術(shù)對(duì)滾壓加工的重要性，使用動(dòng)力學(xué)顯示算法進(jìn)行了仿真過(guò)程以及結(jié)果的分析，從仿真試驗(yàn)前處理、刀具角度、進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給方式以及滾壓工藝參數(shù)的優(yōu)化多個(gè)方面進(jìn)行了研究。經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，可以得出進(jìn)給方式可以選擇平滑進(jìn)給，進(jìn)給速度設(shè)定為每秒0.2毫米，主軸轉(zhuǎn)速可以設(shè)定為每秒260轉(zhuǎn)，刀具的角度可以控制在3.4?！?.79。，可以保障滾壓加工質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]吳艷，連旭日.防止環(huán)狀薄壁零件變形的加工方法[J].工程機(jī)械，2017，48（11）：38-41+7.

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