基于金屬加工復(fù)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(yè)大學(xué) 瑪麗女王工程學(xué)院，陜西 西安 710114；2.西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，陜西 西安 710114；3.西安建筑科技大學(xué) 材料學(xué)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(xiàn)（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(zhuǎn)軸進行自轉(zhuǎn)，且同時繞中心線進行公轉(zhuǎn)，如圖1b所示。

目前體積旋壓工藝主要應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)對稱的金屬零件的生產(chǎn)，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(nèi)外許多學(xué)者對利用體積旋壓工藝成形普通盤件、環(huán)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(guān)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(jié)將對同一工序中的等效塑性應(yīng)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(zhuǎn)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(yīng)變分布云圖，通過該圖可以看出，等效塑性應(yīng)變數(shù)值的大小的分布以及動態(tài)變化與上模的物理形態(tài)以及運動軌跡相吻合。且應(yīng)變狀態(tài)在零件中分布較均勻且變化較平滑，無明顯應(yīng)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(yīng)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(yīng)變數(shù)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(yīng)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(zhuǎn)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(yīng)變數(shù)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(yīng)變數(shù)值從各面圓心向圓周依舊遞減，但兩點之間的應(yīng)變數(shù)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(yīng)變數(shù)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(yīng)變數(shù)值由圓心向圓周遞減，且隨著深度的增加，兩點之間的數(shù)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(yīng)變數(shù)值近似相等。③在深度為x到100的各水平面上，等效塑性應(yīng)變數(shù)值由圓心向圓周遞增，且隨著深度的增加，兩點之間的數(shù)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(yīng)變數(shù)值大于深度較大各點的數(shù)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(yīng)變數(shù)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(yīng)變數(shù)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(tǒng)（y∈（45,90））使得：①在半徑為0到y(tǒng)的各圓柱面上，各點的等效塑性應(yīng)變數(shù)值隨深度的增大而減小，且隨著半徑的增大，兩點之間的數(shù)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(yīng)變數(shù)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(yīng)變數(shù)值隨深度的增大而增大，且隨著半徑的增加，兩點之間的數(shù)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(yīng)變數(shù)值大于深度較大各點的數(shù)值。

3 結(jié)語

體積旋壓成型工藝是一個綜合了多因素的復(fù)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(fù)雜金屬零件的體積旋壓成型過程是一個數(shù)次小應(yīng)變積累成最終應(yīng)變的塑性成形工藝，應(yīng)變云圖中應(yīng)變的分布表現(xiàn)出由上表面到下表面的傳遞特性，從而產(chǎn)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(qū)域的等效塑性應(yīng)變較大，而近外表面的近下表面區(qū)域應(yīng)變量較小。

本文對體積旋壓成型的規(guī)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(yōu)工藝路徑提供了有價值的經(jīng)驗。