工藝參數(shù)對剪切旋壓旋壓力和壁厚差的影響

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1、工藝參數(shù)對剪切旋壓旋壓力和壁厚差的影響

2、第1現(xiàn)代航空、航天、兵器、汽車等領域的發(fā)展要求塑性加工產品朝著輕量化、強韌化、精密、高效、低耗的方向發(fā)展.而剪切旋壓是生產薄壁高精度錐形件或曲母線形零件的有效方法，具有變形抗力小、原材料利用率高、生產效率高、產品質量好等優(yōu)點，在航空、航天、兵器、汽車等金屬精密塑性加工技術領域得到了廣泛的應用.錐形件剪切旋壓過程毛壞外徑不變，僅毛壞厚度改變.從理論上而言其壁厚變化應遵循正弦律(t=t0sina，a為芯模半錐角，t0為坯料厚度)，如圖1所示.但生產實際中旋壓件壁厚是不均勻的，直接影響到旋壓件的

3、形狀及尺寸精度，因此，分析旋壓件壁厚的變化規(guī)律及影響因素，有助于選擇合理的工藝參數(shù)并進行優(yōu)化，為改善旋壓件成形質量提供依據.旋壓力的分析計算對于選擇旋壓機和設計工裝，以及確定工藝參數(shù)和深入理解強力旋壓過程都具有重要意義。文獻4采用解析法分析了錐形件剪切旋壓的流動模式和旋壓力.中國臺灣的Chen對錐形件剪切旋壓進行了實驗研究，但僅是針對旋壓力及旋壓件內外表面的粗糙度進行的研究，對其他成形質量，如壁厚變化等均未涉及.文獻7，8對小錐度零件多道次剪切旋壓進行了實驗研究.但由于錐形件剪切旋壓是一個多因素作用下的復雜的局部連續(xù)塑性成形過程

4、，單純采用解析法難以準確地解決生產實際問題;而實驗方法不具普適性，難以對問題給予普遍性的解答和規(guī)律性的指導.有限元方法和計算機技術的不斷發(fā)展為旋壓工藝提供了先進的分析方法，可以對成形的整個過程進行模擬，有助于通過模擬來研究各工藝參數(shù)對零件質量的影響.因此，本文采用彈塑性有限元法，針對錐形件剪切旋壓成形過程，基于ABAQUS/Explicit平臺建立了合理的三維有限元仿真模型，進而獲得了旋輪圓角半徑、旋輪進給量、偏離率、芯模轉速、旋輪直徑對旋壓力和旋壓件壁厚差的影響規(guī)律.本文結果可為相關工藝參數(shù)的確定和優(yōu)化提供參考依據.1錐形件剪

5、切旋壓的有限元模型為了便于分析并有較高的求解精度，在有限元分析模型中做如下假設和簡化:①變形材料為均一、各向同性和不可壓縮;②旋輪和芯模均假設為剛體，不發(fā)生變形;③忽略變形中的溫度效應，將變形假設為等溫變形.1.1分析模型的建立本文基于ABAQUS/Explicit平臺建立的錐形件剪切旋壓的三維有限元模型如圖2所示.為了使模型簡單適用，在模型中采用Tie方式將毛坯與芯模固定在一起，實現(xiàn)芯模與毛坯完全同速轉動，從而避免了尾頂?shù)慕９ぷ?在模型中采用片式圓弧旋輪，視為解析剛體進行處理，芯模采用離散剛體進行處理，毛坯采用四邊形減縮積分

6、殼單元S4R進行離散.芯模與毛坯之間無摩擦，旋輪與毛坯之間采用罰函數(shù)摩擦模型進行處理.1.2可靠性驗證為了驗證本文所建立的有限元模型的可靠性，選用與文獻[8]中部分實驗條件相同的模擬條件，其中芯模轉速n=156r/min，進給比f=0.51mm/r，芯模半錐角a=53°~30°，間隙(δ)分別為1.7,2.45,2.92mm，對材料為LF2的坯料，在不同偏離率下進行了模擬計算，以旋壓件壁厚差為指標，將模擬結果與實驗結果進行對比，見圖3.從圖3可以看出，模擬結果與實驗結果的變化趨勢基本一致，且兩者的最大誤差不超過17%，表明本文所

7、建立三維有限元模型是可行和可靠的.1.3分析方案模擬仿真采用ABAQUS/Explicit軟件作為分析平臺，以常用材料硬鋁LY12M板坯作為研究對象，其本構關系為:1，楊氏模量E=71000MPa,屈服應力σ1=104MPa，泊松比y=0.27.有限元模擬給定的原始工藝參數(shù)有:毛坯直徑400mm，厚度3mm;旋輪圓角半徑為6mm，旋輪直徑為180mm，旋輪進給量為1.0mm/r;芯模小端直徑為100mm，半錐角400，圓角半徑18mm，大端直徑420mm，芯模轉速為600r/min;偏離率t為0.模擬時旋輪沿芯模母線進給.在改變

8、某一參數(shù)時，其他參數(shù)保持不變.1.3.1旋輪圓角半徑ap旋輪圓角半徑分別為3,5,6,8mm.1.3.2旋輪進給量旋輪進給量是芯模旋轉一周旋輪沿芯模母線移動的距離.通常f在0.5—1.5mm/r的范圍內選擇.本文中f取值為0.5,0.7,1.0,1.2,1.5mm/r.1.3.3偏離率偏離率是錐形件剪切旋壓過程特有的參數(shù).它是指旋壓件的實際厚度與理論厚度的相對偏差.本文中偏離率取0、士5%、10%、士25%.1.3.4芯模轉速芯模轉速取350、500、600、800、1000、1200r/min.1.3.5旋輪直徑旋輪直徑取15

9、0,180,240,300,360mm.2結果與討論為便于研究旋輪圓角半徑、旋輪進給量、偏離率、芯模轉速及旋輪直徑對旋壓力和旋壓件壁厚差的影響規(guī)律，本文將成形零件圓角附近以下至凸緣以上壁部的壁厚差和穩(wěn)定旋壓階段的旋壓力作為工藝參數(shù)的評定標準.2.1旋輪圓角半徑旋