筒形件模环旋压隆起和旋压力的有限元模拟分析

20筒形件模环旋压隆起和旋压力的有限元模拟分析大连理工大学 王浩然 杨 志 周文龙 航天特种材料及工艺技术研究所 刘黎明摘要 在分析筒形件强力模环旋压工艺变形特点的基础上，采用三维弹塑性有限元法对筒形件模环旋压进行了数值模拟，分析了旋压成形时的应力分布、旋压成形中的隆起现象及工艺参数对隆起和旋压力的影响。

结果表明，在所描述的工艺条件下，采用成形角为20°～25°，牵引速度范围为0.4～0.6mm/s 是合理的。

模拟分析结果为模环旋压工艺参数的优化提供了依据。

关键词 筒形件 模环旋压 有限元 计算机仿真1 引言旋压成形技术特别适用于加工大直径高精度薄壁筒体类零件，在金属材料的精密加工领域占有十分重要的地位。

强力模环旋压方法是在内旋压基础上的改进技术，其成形原理如图1所示。

成形工件外壁紧贴在成形模具内表面，旋轮和成形模具在轴向相对位置保持不变，坯料前端固定在牵引机构上，在机床主轴带动下主动旋转，同时在端面拉力和推力的作用下，材料通过旋轮和成形模具之间的间隙时产生塑性变形，实现旋压变形。

图1 模环旋压成形示意图1－模环 2－工件 3－牵引机构 4－旋轮模环旋压相比其他种类的旋压方法，其模具制造成本较低，可以使用同一模具生产出不同内径和不同长度的工件，加工工件的表面具有较高的硬度和表面光洁度。

旋压成形工艺参数的影响因素较多，而新品研制通常需结合经验，经过反复试验，才能确定合理的工艺参数。

利用计算机数值模拟方法对旋压成形工艺进行模拟和优化并预测工件质量，具有重要的现实意义。

近年来，许多学者[1～8]开展了有限元方法分析旋压成形过程的研究，但对外旋压成形过程的研究较多，而有关模环旋压成形过程的数值模拟却少见报道。

本文使用有限元软件MSC.Marc 对LF6铝合金进行了三维弹塑性有限元数值模拟，分析了模环旋压过程中隆起的成因，并对不同工艺参数对旋压力和隆起的影响进行了探讨。

2 有限元模型的建立2.1 有限元基本理论在旋压成形过程中，坯料与旋轮的相对运动是螺旋式的运动过程。

本文采用更新拉格朗日法进行模环旋压的有限元建模，按照普朗特—路埃斯理论来确定本构方程：收稿日期：2007-10-23作者简介：王浩然（1980-），硕士研究生；研究方向：材料变形计算机数值模拟分析。

21λσσδνσεd ij m d ij E ij d G e ij d '21'21+−+= （1）式中：εe ij ——弹性应变张量；G——切变模量； σ'ij ——应力偏张量； v ——泊松比； σm ——平均应力； E ——杨氏弹性模量； λ——切应变。

2.2 单元划分由于筒形件毛坯几何形状规则，对毛坯的某一纵向截面先进行二维四节点四边形的网格划分，然后扩展为三维六面体单元。

筒形件的旋压成形达到稳定状态后的变形情况基本相同。

因此划分单元时，为保证计算精度和计算效率，在建模过程中，采用了在变形计算区域局部有限元网格加密细化的方法。

模型经离散化后，计算模型共划分为22022个节点，15840个单元。

2.3 载荷及接触判断模环旋压成形过程属于典型的非线性问题。

应选择非线性加载方法来处理旋轮对毛坯的加载。

本文采用给定速度方式，即给定牵引速度和旋转速度使之作用于接触区，使工件变形。

旋压成形过程中的接触是高度非线性的边界条件，需要准确判断接触发生后各部分之间的相互作用。

产生接触的两个物体必须满足无穿透条件。

△u A × n ≤ D (2) 式中：△u A ——A 点的增量向量；n ——单位法向量； D ——接触距离容差。

2.4 摩擦处理在模环旋压成形旋轮与坯料接触区域中会产生周向和轴向的滑动摩擦，本文采用基于切应力的摩擦模型。

t fr 3σμσ−≤ (3)式中：σfr ——切向（摩擦）应力；μ——摩擦系数；t ——相对滑动速度方向上的切向单位矢量。

2.5 模型的简化考虑模环旋压成形过程的复杂性以及筒型坯料的加工工艺情况，对于变形区域因温度变化产生的温度效应、工件本身重力影响和旋转过程中产生的惯性力，这些因素在模环旋压中对坯料的成形影响较小，在模型简化计算中忽略不计。

实际生产中模环和模具采用模具钢制造，其硬度与强度相比坯料高很多，旋压过程中产生的弹性变形很小，因此在计算分析中将其定义为刚体。

建立的有限元模型如图2所示。

图2 有限元模型1－模环 2－坯料 3－牵引机构 4－旋轮3 数值计算条件本文旋压坯料为LF6，材料的机械性能参数见表1。

旋压工艺基本的参数见表2。

表1 毛坯材料的机械性能弹性模量E /GPa泊松比γσb /MPaσs /MPa密度/g·cm -3摩擦系数μ67 0.3 285 310 2.64 0.15表2 工艺参数坯料直径/mm坯料壁厚/mm旋轮成形角/(°)减薄率ψt /%坯料转速/r·min -1牵引速度/mm·s -1540102530500.6224 模拟结果分析4.1 工艺参数对旋压力的影响图3给出了模环旋压过程稳态变形时，牵引速度对旋压力影响的数值分析结果。

在旋压成形过程中，牵引速度增大，旋轮前端坯料堆积随之增加，坯料与旋轮的接触区域即随之增大，接触区域的变形增大。

由于材料塑性流动不会有较大的变化，从而导致接触区域的应力增大。

径向旋压力、轴向旋压力和周向旋压力都随着牵引速度的增加而增加。

模环旋压成形过程中，牵引速度对旋压力的影响与外旋压强旋成形过程的情况类似。

数值模拟结果与叶山次郎[9]和马泽恩[10]的旋压成形旋压力理论公式基本符合。

旋压力/ K N牵引速度1牵引速度/mm ·s -1图3 牵引速度对旋压力的影响旋压力/ K N旋轮成形角/（º）图4 旋轮成形角对旋压力的影响图4给出了旋轮成形角对旋压力影响的情况。

随着旋轮成形角的增大，旋压力的变化不大。

由于成形角增大使旋轮和坯料的接触长度缩短，因而径向旋压力变小，轴向旋压力增大，周向旋压力变化不大。

较大的成形角易于导致旋轮前端的材料堆积，不利于材料的塑性流动。

旋轮成形角较小更易于导致旋压成形破裂。

4.2 旋压变形中隆起的分析 4.2.1 变形区域应力分析整个工件可以分为三个区域：旋轮与工件相接触的变形区、旋轮工作行程后的已变形区以及前方的未变形区。

模环旋压过程中，旋轮对坯料呈点接触式的逐点挤压，故应力区域比较集中。

图5给出旋轮接触变形区域内表面的轴向应力、径向应力及周向应力的分布情况。

在变形区域，无论在轴向、径向或周向，旋轮后方存在拉应力区，旋轮前方呈压应力。

在轴向和周向上的拉应力与压应力区域相对较大，而在径向上出现压应力最大值。

a 轴向b 径向c 周向图5 内表面应力分布图234.2.2 隆起形成分析在旋压成形过程中，拉应力区的坯料内表面易产生微裂纹，而在压应力区，旋轮接触处部分前端的坯料易于导致堆积，形成隆起。

由于变形区与旋轮接触的坯料受到旋轮的轴向压缩而产生的堆积，在旋轮前方形成了隆起。

图6显示产生隆起时的纵向截面图。

过大的隆起导致旋压变形区域出现裂纹、剥皮等缺陷。

当变形区域隆起较小且能保持稳定不变时，旋压成形仍然能顺利地进行。

图7显示了隆起时的高度变化曲线。

模拟分析表明，在一定的工艺变形条件下，旋轮前方的坯料在旋轮的作用下，形成隆起并逐渐进入稳定状态，较小的稳态隆起，仍能维持旋压成形过程正常进行。

图6 计算过程中隆起区域隆起高度 / m m旋轮行程 / mm图7 隆起曲线4.3 工艺参数对隆起的影响图8、图9分别给出了稳定变形时，旋轮成形圆角半径和牵引速度对旋轮前坯料形成隆起的影响。

随着圆角半径和牵引速度的增加，隆起的高度均增大。

牵引速度超过一定值时，旋轮前端坯料隆起加剧。

当牵引速度超过0.6mm/s 、成形角大于25°时，隆起呈大幅增加。

隆起的产生与轴向旋压力有关，隆起较大时，轴向旋压力也较大，这将导致旋压力增大，增加设备负荷，且易于使坯料产生裂纹。

隆起高度/ m m旋轮圆角/（º）图8 旋轮成形角隆起的影响隆起高度 / m m牵引速度/mm ·s-1图9 牵引速度对隆起的影响经过数值模拟分析及优化结果表明，旋轮成形角20º～25º、牵引速度为0.4～0.6mm/s 范围时，旋压力处于中间值，隆起高度较小，旋压成形过程处于较好的稳定状态。

在参考数值模拟分析结果的基础上，确定了优化的旋压成形工艺条件，旋压成形工艺试验结果表明，成形的工件内外表面质量较好，力学性能达到设计要求，实验件参见图10。

图10 该工艺下旋压成形工件5 结论a. 建立了三维筒形件模环旋压的弹塑性有限元模型，合理处理了建模过程中的单元划分、接触摩擦及模型简化问题；b. 模环旋压成形过程中，较高的牵引速度使旋压力增大，坯料隆起加剧；较大的旋轮成形角使坯料隆起增加，轴向旋压力增大，周向旋压力略微增大，而径向旋压力减小；c. 通过数值模拟分析，明确了合适的工艺参数范围，为模环旋压成形的工艺优化提供理论依据。

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