摘要 摘要 曲母線變壁厚筒形件旋壓成形工藝是在普通筒形件旋壓成形工藝的基 礎上發(fā)展起來的一種復合工藝。 為了得到曲母線筒形件的旋壓成形特點和變形規(guī)律，本文對不銹鋼u 型密封圈的成形進行了分析研究。針對u 型密封圈的形狀特點提出了兩種 工藝方案，分析了采用旋壓工藝方案的可行性，并對其進行了比較，對密 封圈的旋壓成形過程進行了有限元數(shù)值分析，為進行必要的生產(chǎn)實驗和實 際產(chǎn)品的生產(chǎn)提供了依據(jù)。 根據(jù)實際工件的尺寸及成形情況建立了不銹鋼u 型密封圈旋壓時的數(shù) 學模型，并對邊界、接觸、摩擦等條件進行分析，確定了旋輪的運動軌跡。 應用a n s y s l s d y n a 軟件對其成形過程進行了三維有限元數(shù)值模擬，得 出了成形過程中變形區(qū)應力、應變的分布規(guī)律，分析了旋壓成形時的金屬 流動規(guī)律和變形機理，并分析了不同旋輪進給速度、不同壁厚坯料和不同 旋輪直徑等工藝參數(shù)下密封圈的成形情況和應力、應變及旋壓力的變化規(guī) 律。最后，根據(jù)模擬結(jié)果分析了密封圈在旋壓成形過程中出現(xiàn)的缺陷及原 因。 模擬結(jié)果表明，曲母線變壁厚筒形件用旋壓的方法成形是可行的，有 限元數(shù)值模擬能夠為旋壓生產(chǎn)提供重要的參考依據(jù)。 關鍵詞a n s y s l s d y n a ；曲母線；旋壓力；數(shù)值模擬；u 型密封圈 燕山大學工學碩士學位論文 a b s t r a c t c u r v i l i n e a rg e n e r a t r i xs p i n n i n go f c y l i n d e r si s at e c h n i q u e st h a ti sb a s e d o nt u b es p i n n i n g i nt h i sp a p e r , a i m i n ga tu - s h a p eg l a n d ，w i t ht h ea n a l y s i so fd e f o r m i n g f e a t u r e sa n dr u l eo f d e f o r m i n gf o rc u r v i l i n e a rg e n e r a 燈i xs p i n n i n go fc y l i n d e r s ， f i n i t ee l e m e n tt h e o r yi s a p p l i e d t o p r o c e s s o fd e f o r m a t i o n , w h i c hp r o v i d e e x p e r i m e n t a la n a l y s i s a n dm a n u f a c t u r eo fr e a l i s t i c p r o d u c t f o r c o m p l e x s p i n n i n go f c y l i n d e r s w i t h n e c e s s a r y r e f e r e n c e t a k i n gb o u n d a r yc o n d i t i o n , c o n t a c t ，f r i c t i o na n ds p a t i a lt r a j e c t o r y i n t o a c c o u n t c o m p l e xs p i n n i n g o fc y l i n d e r s a c c o r d i n g t ot h ed i m e n s i o na n d d e f o r m a t i o nw i t hr e a l i s t i c w o r k - p i e c e a n s y s s o r w a r ei s a p p l i e d t o3 d n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f u s h a p eg l a n d t h es t r e s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t i o n so n s h a p i n ga r eo b t f f m e d a n dt h ep l a s t i cf l o wl a wa n dt i c f o r m a t i o nm e c h a n i s mo f t h em e t a lw i t hr e s p e c tt ou - s h a p eg l a n dd e f o r m a t i o nw e r ea n a l y z e d f i g u r a t i o n o f u s h a p eg l a n d ，r u l eo fv a r i e t yo f s t r e s s ，s t r a i na n ds p i n n i n gf o r c ew i t hr a t i o o f t h i n n i n ga n df e e d i n g ，t h et h i c ko f t h ew o r k - p i e c ea n dt h ed i a m e t e ro ft h e r o l l e rw e r ea n a l y z e d i nt h ee n d ，a s s o c i a t ew i t he x p e r i m e n t ，a l lk i n d so fv i c e s o f u s h a p eg l a n dd e f o r m i n g w e r e a n a l y s i sa s w e l la sh o wt ob e f r o mt h er e s u rw ec a ns e et h a ti ti sf e a s i b l et os h a p eu pt h eu g l a n d w i t h t h ep r o c e s sm e t h o do fs p i n n i n g t h em e t h o do fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nc a l l p r o v i d ei m p o r t a n tc o n s u l t t of a c t u a lp r o d u c t i o n k e y w o r d sa n s y s l s d y n a ；c u r v i l i n e a rg e n e r a t r i xc y l i n d e r s ；f o r c e o f s p i n n i n g ；n u m e r i c a la n a l y s i s ；u - s h a p eg l a n d 第1 章緒論 第1 章緒論 1 1 旋壓概述及課題背景 旋壓是利用旋壓工具對旋轉(zhuǎn)坯料施加壓力，使之產(chǎn)生連續(xù)的局部塑性 變形而成形為所需空心回轉(zhuǎn)零件的塑性加工方法，是制造薄壁回轉(zhuǎn)體零件 常用的一種工藝方法。同其它加工方法相比，旋壓件適用于多品種、小批 量的場合，具有所需設備噸位小、投資少、綜合性能好、材料利用率高等 優(yōu)點。目前，不論在工藝研究、設備設計與制造，還是理論研究和應用等 方面都有很大的發(fā)展1 1 】。 通常旋壓可分為兩大類，即普通旋壓和強力旋壓。普通旋壓簡稱普旋， 成形過程中，板厚基本不變，旋壓成形主要靠坯料直徑方向的收縮或擴張 來實現(xiàn)。其主要特征是能明顯的看到坯料外徑的變化。普旋成形又可根據(jù) 工件的變形特點完成成形、壓筋、收口、擴口、翻邊、卷邊等各種工序， 成形各種薄壁軸對稱空心回轉(zhuǎn)體工件。 強力旋壓簡稱強旋，其成形過程為，主軸卡盤將毛坯夾緊，芯模和坯 料在主軸帶動下一起旋轉(zhuǎn)，旋輪作進給運動，并在摩擦的作用下進行自轉(zhuǎn)， 使毛坯連續(xù)逐點的變薄并貼靠芯模而成為所需的工件，旋輪的運動軌跡是 由控制系統(tǒng)來確定的。強力旋壓按變形的性質(zhì)和工件的形狀分為錐形件、 筒形件、復合型工件強力旋壓三類。錐形件強力旋壓采用板坯或較淺的預 制空心毛坯，按正弦規(guī)律f = “s i n a 變形。筒形件強力旋壓采用短而厚，內(nèi) 徑基本不變的筒形毛坯，按照體積不變原理進行變形。 曲母線筒形件是筒形件特殊的一種，其成形工藝較一般筒形件復雜， 成形時，坯料變形區(qū)金屬的流動規(guī)律將不再等同于普通筒形件的旋壓成形， 在曲母線的成形過程中，既有形狀的變化，也有壁厚方面的變化，使得成 形過程的變形機理變得更加復雜。成形過程中應力、應變的分布，旋壓力 的變化情況等都將隨著母線的不同而出現(xiàn)不同于普通筒形件旋壓時的規(guī) 燕山大學工學碩士學位論文 律。相應的，各工藝參數(shù)對旋壓成形的影響也將發(fā)生變化，不能再按照普 通的筒形件的旋壓規(guī)律進行選擇，采取的成形工藝也就有所不同，在本課 題中不銹鋼u 型密封圈，根據(jù)壁厚的變化情況，采用了普通旋壓和強力旋 壓復合的工藝進行了旋制，其中更有擴口和翻邊兩種加工工藝。 近些年，我國工業(yè)水平飛速發(fā)展，對旋壓產(chǎn)品的復雜性、高性能、高 精度的要求顯得尤為突出，尤其是曲母線形件越來越多，曲母線的復合旋 壓成形工藝也就是因此而生。但是，到目前為止，還很難找到曲母線變壁 厚工件成形工藝的相關文獻資料，各種介紹旋壓的書籍也只是對普通工件 的旋壓進行介紹，沒有提到過曲母線形工件的成形情況 2 - 1 1 1 。因此，曲母 線形變壁厚工件的復合旋壓工藝的采用和完善，更有利于制件的成形和質(zhì) 量的保證，并促進旋壓復臺工藝的研究及應用。 1 2 旋壓技術發(fā)展簡史 旋壓作為一種成形工藝方法，最早起源于我國古代的陶瓷制坯作業(yè)。 經(jīng)過長期的生產(chǎn)實踐，大約公元十世紀初，我國勞動人民開始用旋壓方法 制作金屬容器，從而使旋壓在金屬成形工藝中占有了一定地位。到了十四 世紀，旋壓技術才由我國傳入歐洲。 最古老的旋壓機用人力驅(qū)動。使用棒形工具推壓材料成形，生產(chǎn)效率 很低。然后發(fā)展為電力驅(qū)動，并使用旋輪作為成形工具后，才使旋壓的成 形能力和技術水平有了很大的提高。但是，在漫長的歲月中，旋壓技術一 直局限于普通旋壓這種變形方式。直到上個世紀中葉，旅壓技術才由普通 旋壓發(fā)展到強力旋壓，并迅速擴大了應用范圍。 雖然旋壓技術是在我國發(fā)源的，但在解放前卻沒有得到多大發(fā)展。解 放后，隨著國民經(jīng)濟各領域?qū)χ萍囊蟛粩嘣黾?，適用于旋壓成形的工 件加工促進了旋壓技術及設備的發(fā)展。在六十年代初期，北京航空工藝研 究所研制出s y 系列強力旋壓機床，還與工廠合作成功地將這種技術用于 航空產(chǎn)品的成批生產(chǎn)。同時北京有色金屬研究總院也開始了立式旋壓機的 研制并旋制了各種銅管、鋁管等急需產(chǎn)品。國內(nèi)從事生產(chǎn)的單位已包括許 多冶金廠、研究所和重要的機械工廠。旋壓的材料包括鎢、鋁、鈮、b 鈦 2 第1 章緒論 合金、超高強度鋼等等。旋壓毛坯的初級加工己采用了離心鑄造、電渣重 熔、環(huán)軋、冷拔以及粉末壓制等手段。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國在旋壓工 藝、設備設計制造、理論研究及技術推廣等方面，都取得了較大成績，不 少產(chǎn)品及其性能都達到了國際先進水平。 伴隨著先進制造技術的推廣和應用，旋壓設備已經(jīng)達到數(shù)控及自動控 制的要求，并結(jié)合c a d c a m c a e 等技術的應用使得其生產(chǎn)產(chǎn)品成形的形 狀及質(zhì)量控制上都達到了較高的水平。隨著旋壓技術研究的深入發(fā)展，復 合旋壓的應用越來越多。復合旋壓有兩種類型，一種是工序復合，另一種 是在一道成形工序中就有兩種性質(zhì)不同的旋壓工藝。如汽車的輪輻的旋壓， 是屬于工序中的復合；而在本課題中浮動式密封圈的成形，則是在同一道 次中就存在著普旋和強旋兩種旋壓工藝的有機結(jié)合。復合旋壓的重要性不 僅體現(xiàn)在幾種旋壓工序的復合，尤其體現(xiàn)在同一工序中存在著的多種旋壓 工藝的情況。 1 3 旋壓成形的塑性研究方法 旋壓成形過程是一個復雜的彈塑性大變形過程，這是既有材料非線性， 又有幾何非線性，再加上復雜的邊界接觸條件的非線性，這些因素使得變 形機理非常復雜，難以用準確的數(shù)學關系式來進行描述。到目前為止，金 屬塑性成形過程的研究方法主要有主應力法、滑移線法、上限法、邊界元 法和有限元法等。 主應力法假設把問題簡化成平面問題或軸對稱問題，滑移線法僅適用 于處理理想剛塑性體的平面應變問題，本文中不銹鋼u 型密封圈的旋壓成 形屬于局部接觸大位移變形，屬于空間三維的變形問題，不能簡單的抽象 成軸對稱問題，或者平面應變和平面應力問題，因此很難用理論推導的方 法分析其變形問題。尤其對其自身的變形特點及影響因素采用大變形彈塑 性有限元進行數(shù)值分析不失為一種比較合理的選擇。 有限元數(shù)值模擬方法的優(yōu)點是功能強、精度高、解決問題的范圍廣， 可以用不同形狀、不同大小和不同單元類型的單元來描述任意形狀的變形 體，適用于任何邊界條件，可以方便的處理各種摩擦，考慮材料性能等各 燕山大學工學碩士學位論文 種工藝參數(shù)對成形過程的影響，可獲得成形過程中任意時刻的力學信息和 金屬流動情況。并可在計算機上實現(xiàn)成形過程，反復演示、計算和優(yōu)化， 這是其它方法所無法比擬的。 有限元方法需要完善的地方主要有： ( 1 ) 基本理論方面有限元技術要在多學科交叉，宏觀和微觀結(jié)合方面 有所突破，這樣才能對金屬塑性成形中的各向異性、復合材料的成形、微 觀組織演化等方面提供更加可靠和高質(zhì)量的數(shù)據(jù)信息。從而有助于建立正 確反映材料特征和本構(gòu)關系的有限元模型。 ( 2 ) 邊界接觸模型金屬成形過程中模具與變形金屬接觸邊界的動態(tài) 確定和邊界摩擦的處理是有限元模擬的難點，也是今后有限元技術的著力 點 1 2 - 1 5 】。 因此，與實際成形的條件結(jié)合較真實的建立其數(shù)學模型和邊界條件才 能發(fā)揮出其特有的功能和作用。 1 4 旋壓成形數(shù)值模擬技術的研究 1 4 1 數(shù)值模擬方法在旋壓加工中的應用 有限元理論在不斷發(fā)展和完善，用計算機對旋壓工藝進行數(shù)值模擬的 研究日益增多，在分析旋壓成形過程的變形機理、受力、以及合理的選取 工藝參數(shù)等方面都取得了很大進展。三維有限元數(shù)值模擬可以考慮旋壓的 幾何軌跡、旋輪與毛坯接觸界面的形狀、毛坯隨芯模的旋轉(zhuǎn)運動、旋輪的 縱向進給等因素，使之更符合實際工藝條件。 目前，對旋壓變形過程的有限元數(shù)值模擬大多還只是在簡化了一些影 響因素下的數(shù)值條件，與真實的成形過程仿真還有相當?shù)牟罹唷ｋS著旋壓 加工優(yōu)越性的日益突出，以及各種價格昂貴的新型難變形結(jié)構(gòu)材料應用的 日益廣泛，通過高精度的數(shù)值模擬計算，反映旋壓的成形規(guī)律，已經(jīng)成為 該領域中迫切需要解決的重要基礎性的研究課題。同時，更加結(jié)合實際、 面向生產(chǎn)，體現(xiàn)在以下幾個方面【l 6 l ： ( i ) 通過對旋壓成形工藝過程的模擬分析，確定各主要工藝參數(shù)對金屬 4 第l 章緒論 毛坯成形的影響，從而達到優(yōu)化工藝參數(shù)的目的。 f 2 ) 通過模擬實現(xiàn)對成形工藝及模具設計合理性的監(jiān)測與評價，并能對 產(chǎn)品的成形缺陷進行預測。 ( 3 ) 將有限元模擬與金屬材料微觀組織的變化結(jié)合起來，預測和控制熱 塑性變形過程中材料的微觀組織。 但是，由于實際旋壓加工過程的復雜性，在有限元數(shù)值模擬時進行了 過多的簡化和假設，使得模擬過程不會和實際的加工過程相符合，存在很 多缺陷和不足，尤其是在三維有限元數(shù)值模擬方面，還有許多地方需要改 進。主要難點有： ( 1 ) 網(wǎng)格生成是幾何定義和有限元分析的橋梁，復雜三維問題的網(wǎng)格生 成以及重劃分仍舊是丞待完善的難題。三維網(wǎng)格具有空間幾何實體描述和 三維網(wǎng)格的自動生成算法的復雜性，使得三維網(wǎng)格，尤其是六面體網(wǎng)格的 生成和重劃分成為制約有限元技術發(fā)展的瓶頸。 ( 2 ) 發(fā)展高效率的線性方程組求解算法對金屬成形的有限元分析具有 重要意義。 ( 3 ) 有限元分析的求解精度評估及三維實體的幾何信息的精確描述。 ( 4 ) 三維動態(tài)接觸算法及摩擦算法的處理有待進一步研究 1 7 - 1 9 i 。 1 4 2 旋壓工藝數(shù)值模擬的研究概述 長期以來，旋壓生產(chǎn)通常依靠經(jīng)驗，反復試驗，才能夠確定合理的工 藝參數(shù)、旋壓道次、旋輪運動軌跡等。隨著有限元數(shù)值模擬在旋壓技術中 的應用，使研究從以試驗為主轉(zhuǎn)為計算機數(shù)值模擬與試驗相結(jié)合，減少了 試旋的次數(shù)，降低了成本，提高了生產(chǎn)效率，推動了旋壓技術的發(fā)展。 文獻 2 0 ，2 1 就多道次普旋中各道次的旋輪軌跡曲線做了深入研究。就 普旋過程中壁厚減薄問題，文獻 2 2 ，2 3 分別通過數(shù)值模擬和實驗研究發(fā)現(xiàn) 并證實了選取較大旋輪圓角半徑和較小的進給比可以有效地防止壁厚減 薄。 筒形件強力旋壓成形在生產(chǎn)薄壁超長高精度筒形件上具有突出的優(yōu) 點，故得到廣泛的應用。近幾年來，有不少學者嘗試用有限元法分析旋壓 5 燕山大學工學碩士學位論文 成形過程。依據(jù)工件形狀或變形特點，分別建立了不同的力學模型和數(shù)學 模型，并使得這方面的研究工作更進一步深化。 文獻 2 4 2 6 1 采用三維剛塑性有限元，考慮了旋輪的幾何軌跡，旋輪與 毛坯的接觸界面的形狀，以及毛坯隨芯棒的旋轉(zhuǎn)運動，對筒形件反旋加工 進行了模擬分析。發(fā)現(xiàn)旋輪作用區(qū)周向兩側(cè)存在兩個產(chǎn)生切向收縮變形的 區(qū)域，當兩側(cè)區(qū)域的收縮變形大于旋輪作用區(qū)的切向伸長量時，就產(chǎn)生了 縮徑，反之則產(chǎn)生了擴徑。在此基礎上，文獻 2 7 - 3 1 ，4 1 1 運用三維彈塑性有 限元，以三旋輪簡形件強力旋壓為對象，取毛坯的1 3 建立力學模型，考 慮旋輪與毛坯及毛坯與芯模的接觸問題，通過給定旋輪初始位移進行加載， 對反旋成形過程進行數(shù)值模擬，得到了變形區(qū)應力與應變場的基本分布規(guī) 律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，筒形件強旋時，與旋輪接觸的坯料徑向被壓縮而沿軸向和 切向伸長。 文獻 3 2 3 3 根據(jù)強旋時的實際接觸情況，采用數(shù)值計算方法分別計算 了筒形件正旋和反旋時的旋壓力，系統(tǒng)分析了旋輪工作角、旋輪圓角半徑、 減薄率、進給比、旋輪直徑及毛坯壁厚等工藝參數(shù)對旋壓力的影響。 1 5 選題意義及主要研究內(nèi)容 對曲母線形變壁厚工件的復合旋壓，尤其是內(nèi)旋，國內(nèi)外的研究都比 較少，對于其變形特點、工藝的復合等方面都需要很好的研究。 曲母線形件的旋壓過程中，在旋壓過程部分，坯料、旋輪、芯模以及 其他輔助工具的受力情況很復雜，而且旋輪的運動軌跡也很復雜，在 a n s y s 中建立有限元模型時，要在保證成形過程真實性的前提下進行必 要的簡化和假設，以便數(shù)值模擬的順利進行。由于復雜的邊界條件、物理 條件以及幾何條件的非線性，在建立模型時應當很好的進行工藝方案及旋 壓過程的分析。 本課題針對一個典型的曲母線形變壁厚不銹鋼u 型密封圈進行研究。 u 型不銹鋼密封圈是金屬密封圈的一種，主要應用在橡膠密封圈所不足用 的防銹、防腐蝕的閥體密封上，如在化工等方面的閥或泵等有特殊用途。 國內(nèi)某些廠家現(xiàn)在生產(chǎn)的浮動式閥座里面的密封圈一般都是通過進口，然 6 第1 章緒論 后組裝生產(chǎn)。本課題的研究對于相應的產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)都有一定的實際意 義。 密封圈采用的是內(nèi)旋成形，由于旋壓過程中，旋輪只是和筒形毛坯內(nèi) 壁接觸，內(nèi)層金屬流動變形較大，而筒形毛坯外層部分金屬變形相對較小， 而曲母線筒形件的成形主要是要求金屬進行流動變形，以生成曲面部分。 本文將分析不同的工藝參數(shù)，主要是進給率、減薄率、坯料壁厚和旋輪直 徑，對筒形毛坯內(nèi)壁金屬徑向變形的影響，以找到最適宜工件成形的工藝 參數(shù)。 本課題主要對密封圈的復合旋壓成形工藝進行數(shù)值模擬分析，通過對 有限元分析軟件a n s y s 建立密封圈旋壓成形的三維有限元模型，進行整 個成形過程的數(shù)值模擬分析，以觀察密封圈旋壓成形的可行性及可能出現(xiàn) 的一些情況，得出在毛坯料進行變形過程中，錐角的成形以及應力、應變 的分布情況，分析旋壓力的變化，預測缺陷的出現(xiàn)，最終為實際工件的成 形提供參考。 7 燕山大學工學碩士學位論文 第2 章工藝方案的選擇及旋壓工藝分析 2 1引言 本課題中所研究的“u ”型不銹鋼密封圈，主要是應用在彈性金屬密封 蝶閥，該閥精密的彈性密封圈與經(jīng)過鍍鉻拋光的蝶板密封面接觸，二者有 機的結(jié)合，具有耐高溫、高壓、低溫等特點，因此被廣泛應用于介質(zhì)溫度 5 5 5 0 。c 的供熱、供汽、供水及煤氣、油品、酸堿等不同介質(zhì)的管路上作調(diào) 節(jié)流量、截斷或接通流體。如圖2 - 1 示。 圖2 1浮動式閥座密封圈示蔥圖 f i g 2 1 s k e t c h m a po f f l o a t i n gg l a n d 這種閥座密封圈浮動，具有一定的彈性，可以在較深的閻體槽內(nèi)作徑 向擴伸或定位，因而在各種條件下均可進行自調(diào)整以保持最佳密封位置。 由于結(jié)構(gòu)獨特，蝶板與閥座靠機械力進行密封，而不依附于介質(zhì)壓力，因 此無論壓力大小，它均可達到雙向密封，而且閥體收縮也不會影響密封圈 造成夾持的現(xiàn)象。n e i l i s c 蝶板成橢圓形，并以雙偏心安裝。當?shù)迮c圓形 閥座密封圈接觸時，將密封圈向外擠壓造成其短軸處與密封圈接觸。當閥 門開啟時，接觸立即解除，密封圈恢復其原來形狀，這樣就防止了磨損； 該蝶閥的三維偏心距，經(jīng)過嚴格的計算，“u ”型密封圈與蝶板幾乎無磨擦， 使用壽命長，可以經(jīng)受幾十萬次運行，并具有越關越緊的功能。 8 第2 章t 藝方案的選擇及旋壓工藝分析 針對本課題中所研究的“u ”型不銹鋼密封圈的外形特征，加工成形 方式可以采用脹形、沖壓或者旋壓等。密封圈材質(zhì)是1 c r l 8 n i 9 t i ，屬于鉻 鎳奧氏體不銹鋼，具有優(yōu)良的抗氧化酸均勻腐蝕性、良好的延展性、韌性 以及沖壓性和拉深性能，廣泛用于航空、航天、化工、食品、醫(yī)療等部門。 但是它不能用熱處理的方法強化，為了達到要求的各項指標，冷加工是強 化的唯一手段，所以旋壓成為首選。另外，旋壓精度高，成形質(zhì)量好，可 以達到所要求的尺寸和形狀精度，這也是本課題采用旋壓加工方法的原因 所在。 2 2 旋壓成形的兩種不同工藝方案 就密封圈本身形狀而言，它的成形趨勢是材料沿著徑向流動，內(nèi)外徑 擴大，成形錐角部分時坯料向外翻出一定的角度，整個旋壓加工過程是擴 口和翻邊兩種工藝方法的復合。在加工的每一道工序里，同時存在著坯料 形狀的變化和壁厚的減薄，普通旋壓和強力旋壓又是共同存在。所以，縱 觀它的成形過程，是典型的復合旋壓。 針對不同的旋壓成形特點，考慮了兩種不同的旋壓加工工藝方案。第 一種方案采用的是分步加工，先擴口，再翻邊。擴口是先成形出錐形段， 這個過程壁厚和形狀同時發(fā)生變化；翻邊是為了成形圓弧段，在圓弧段坯 料的厚度不變，錐形段向外翻出，只有坯料形狀發(fā)生變化，壁厚基本上不 減薄。這種加工方法將不同的旋壓工藝有機結(jié)合；第二種方案是旋輪連續(xù) 加工一道次或多道次成形，然后再對成形件進行形狀精整和尺寸校正，這 種加工方法旋輪自動加工，通過控制旋輪的運動軌跡來控制坯料的成形， 即借助于控制旋輪在每一時刻的位移來對控制坯料的變形程度，在一道次 中，同時完成擴口和翻邊，得到所要求的形狀和壁厚。前者可通過手動或 半自動旋壓機來完成，后者必須在數(shù)控旋壓機上完成進給要求。 2 2 1分步加工旋壓工藝方案 2 2 1 1 旋壓擴口變形旋壓擴口方法可以普通在旋壓機床進行擴口加 工，它是利用旋壓工具( 旋壓頭、旋輪或者滾輪) 使管坯端口沿徑向擴張的 9 燕山大學工學碩士學位論文 成形方法。利用旋壓頭旋壓擴口的成形過程如圖2 2 所示。旋壓頭1 邊旋 轉(zhuǎn)邊軸向運動，使管坯3 端口內(nèi)壁在單位壓力目作用下逐漸擴口成形。根 據(jù)管件的使用要求，擴口加工可制出管端為錐形、簡形或其他形狀的零件。 在本文中的密封圈的擴口形狀如圖2 3 a 示f 3 4 】。 “l(fā) 圖2 - 2 旋壓頭擴口成形過程 f i g 2 2 p r o c e s s o f e x p a n d i n g 圖2 - 3 管端擴口形狀 f i g 2 3f i g u r eo f n o z z l ei n f l a t i o n 1 0 第2 章工藝方案的選擇及旋壓工藝分析 2 2 1 2 擴口變形特點旋壓擴口時，旋輪由中部向外旋，屬于正旋，此 時的變形區(qū)處于三向應力狀態(tài)，兩向壓力和一向拉應力，即徑向為壓應力， 切向與軸向為拉應力。變形區(qū)與已變形區(qū)的界面上有拉應力，變形區(qū)與未 變形區(qū)的界面壓力為零，該區(qū)自由向前移動。同時，變形區(qū)還受旋輪與芯 模對工件的f 壓力和摩擦力。變形區(qū)應力應變的變化如圖2 - 4 示。 圖2 4 旋壓擴口變形區(qū)受力圖 f i g 2 4 s t r e s sa n ds t r a i no f f l a r i n gt r a n s m u t a t i o na r e a 當錐形段較短的時候，可以用錐形凸模擴口得到。沖壓的方法是整體 變形，變形區(qū)應力應變狀態(tài)如圖2 5 示。 圖2 - 5 擴口變形區(qū)應力應變狀態(tài) f i g 2 - 5 s r e s s s t r a i ns t a t eo f p i p ea n a m o p h i ca r e a 1 1 燕山大學工學碩士學位論文 旋壓擴口和沖壓擴口兩種方法在變形區(qū)單元的應力應變狀態(tài)是不一樣 的，在普通沖壓方法加工時，只受一拉一壓兩個應力，這和旋壓變形區(qū)的 兩壓一拉是不同的。在坯料變形的時候，由于第三個方向壓應力的存在， 會對金屬的流動產(chǎn)生一定的阻礙，使金屬流動速度減慢，這樣一來，在變 形時，金屬流動比較平穩(wěn)，不會導致金屬的堆積，引起層皺的缺陷。這是 采用旋壓加工的優(yōu)勢所在。 擴口部分的壁厚與變形程度大小有關，壁厚減薄量由擴口內(nèi)緣向外緣 線性變化。擴口部分的壁厚變薄還與擴口方法有關。當采用旋壓擴口時， 由于成形過程中材料是在較大單位壓力作用下逐漸變形，故擴口部分的壁 厚變形相對均勻，其擴口外緣的壁厚可按下式估算 忙j 詈 ( 2 4 ) 式中r ，擴口外緣的壁厚 t 擴口前管坯壁厚 d 擴口前管坯外徑 d 1 擴1 2 1 外緣直徑 2 2 1 3 擴口變形程度擴口變形程度是以擴口部分最大的切向變形來衡 量的，具體表示方法如下： ( 1 ) 擴口率 s ：里型1 0 0 f 2 5 ) d 式中d 擴口前管坯直徑 d ，擴口后外緣直徑 ( 2 ) 擴口系數(shù)k k_d_dal(2-6) 擴口系數(shù)與擴口率的關系為 k = + 1 ( 2 - 7 ) 由該式易見，擴口率越大，擴口系數(shù)越大，則表示擴口變形程度越大。 1 2 第2 章t 藝方案的選擇及旋壓工藝分析 當擴口系數(shù)過大時，就會在擴口管件口部產(chǎn)生破裂。 2 2 1 4 擴口管坯尺寸對于給定形狀、尺寸的擴口管件，其管坯直徑及 其壁厚通常取與管件要求的筒體直徑及壁厚相等。而管坯的長度尺寸，應 根據(jù)管端擴口形狀，按擴口前后體積不變條件確定擴1 5 部分所需的管坯長 度后，再加上管件簡體部分的長度即可。對于圖2 - 6 所示的錐形擴口，其 錐形部分所需的管坯長度可用下式計算 ，r， ，= 圭l2 + k 0+ 孚( 1 + 2 足) i ( 2 - 8 ) l，、 7 f 、 7 l 一 一 割 _ 。： i ： j i j l j l j i l ： 1 i d 圖2 - 6 錐形件擴口尺寸 f i g 2 - 6 d i m e n s i o n o f c o n e s h a p e dw o r k - p i e c e 式中f 雛形母線長度 h 口系數(shù)，k = r 擴口前管坯壁厚 t 擴口后口部壁厚 2 2 1 5擴口方法 用于旋壓擴口的旋壓頭分為滑動旋壓頭和滾動旋壓頭 兩種，圖2 7 所示即為滑動旋壓頭。雙刃式滑動旋壓頭適用于小直徑鋁管； 1 3 燕山人學工學碩士學位論文 三刃式滑動旋壓頭多用于直徑較大的鋁管?；瑒有龎侯^用高碳工具鋼制造， 或在刃口上鑲嵌硬質(zhì)合金，以提高旋壓頭使用壽命。滾動旋壓頭用于直徑 較大的鋁、碳鋼、不銹鋼等管材擴口，旋壓頭材料可用高碳工具鋼或球墨 鑄鐵。滾動旋壓頭擴口質(zhì)量比滑動旋壓頭好，管件擴口部分的內(nèi)表面粗糙 度可達r 。0 2 0 4t a m 。旋壓頭軸向進給速度應適宜，一般可取5 0m m m i n 。 本文中擴口用的是旋輪。 ( a ) ( ”三刃式 圖2 - 7 滑動旋壓頭 f i g 2 - 7s l i d i n gs t i c k 旋壓擴口可用機油或工業(yè)凡士林作潤滑劑。旋壓擴口轉(zhuǎn)速可參考表2 - 1 選取。 1 4 第2 章t 藝方案的選擇及旋壓上藝分析 表2 - 1 旋壓擴口轉(zhuǎn)速 t a b l e 2 - 1r o t a t es p e e do f s p i n n i n ge x p a n d i n g i 邋 l c r l 8 n i 9 t i 1 8 m i l l 滾動擴口3 0 0 5 0 01 1 7 2 6 1 在旋壓擴口前應先檢查管材端頭處是否有氧化層、毛刺及橢圓度，若 有這些缺陷，需在擴口前及時打磨與校圓，以保證擴口質(zhì)量。旋壓擴口中 常見的質(zhì)量缺陷有：喇叭口的縱向裂紋、喇叭口邊緣壁厚過度變薄等。產(chǎn) 生縱向裂紋的主要原因如下： ( 1 ) 材料表面有較多的拉痕或劃痕，擴口時由于塑性變形區(qū)應力集中而 導致縱向開裂。 ( 2 ) 旋壓頭與夾緊模塊的軸線不重合，擴口時管壁受力不均。 ( 3 ) 旋壓頭設計與制造不良，錐體自傳不靈活，與管壁產(chǎn)生滑動摩擦。 ( 4 ) 管材組織不均勻，熱處理狀態(tài)不合要求等。 在旋壓擴口工藝中，旋壓頭擴口適用于在管端成形喇叭口。對于管端 的其他擴口形狀，可采用相應的旋壓擴口工具。 2 2 1 6 翻邊除了在變形中占主要地位的擴口，還存在著翻邊的影響。 翻邊加工是在管壁上預制孔的邊緣彎曲成一定角度( 大多是9 0 。) 的直壁的 加工工藝。翻邊分為內(nèi)翻邊和外翻邊，本文密封圈的成形部分屬于外翻邊 成形。在翻邊過程中，孔徑不斷增大，直至成形結(jié)束。變形區(qū)材料主要受 切向拉應力和軸向拉應力作用，使切向產(chǎn)生伸長變形。愈靠近孔邊緣的金 屬，切向拉應力愈大，壁厚變薄也愈嚴重。徑向由于凸模的摩擦，故拉應 力較小。厚向應力忽略不計，故視為平面應力狀態(tài)。 翻邊變形屬于伸長類變形，當切向拉應變達到一定程度時，材料在孔 邊緣即產(chǎn)生縮頸，然后破裂。因此，防止，孑l 邊緣破裂是翻邊成形的主要 問題，而一次翻邊極限變形程度，也主要是受材料伸長率的限制。翻邊示 1 5 燕山大學j 二學碩士學位論文 意圖如圖2 - 8 示。 圖2 - 8 翻邊示意圖 f i g 2 - 8 s k e t c hm a p o f f l a n g i n g 2 - 2 2 連續(xù)旋壓n t 成形 對于簡形坯料，除了鋁合金以外的普通材料，一道次的減薄率可以達 到0 7 0 8 ，但是考慮到旋壓件的精度和表面質(zhì)量而取0 5 5 為上限，要達 到更大的壁厚減薄率就需要進行多道次旋壓。密封圈的材質(zhì)是1 c r l 8 n i 9 t i 屬于冷作硬化鋼，如果進行強力的冷加工，如本文中密封圈的旋壓，材料 內(nèi)部就會由奧氏體組織迅速變成馬氏體組織，造成強度急增，塑性下降， 這樣增加了后續(xù)道次加工的難度。如果坯料的厚徑比t 。d 達到o 0 3 以上， 是能夠進行一道次旋壓成形的。 在密封圈連續(xù)旋壓加工成形過程中，既包含著普通旋壓，也包含著變 薄旋壓；既有擴口的同時也有翻邊的成分。坯料為筒形坯，加工時，先成 形一半，然后斷料，將半成品反向夾緊固定，旋輪依照同軌跡旋壓成形， 這樣就可以得到整個的成形件。密封圈的成形過程中，曲線段部分成形時 的應力應變狀態(tài)在很大程度上和翻邊一致。只不過，普通翻邊翻起角度大， 高度小；旋壓翻邊時一道次翻起較高，變形較普通翻邊復雜。旋壓加工示 1 6 第2 章工藝方案的選擇及旋壓工藝分析 意圖如圖2 - 9 示。 圖2 9 旋壓加工不意圖 f i g 2 - 9 s k e t c h m a p o f s p i n n i n gp r o c e s s i n g 2 3不銹鋼密封圈旋壓工藝參數(shù)的分析 旋壓工藝參數(shù)的選擇合適與否，將直接影響導成形工件的質(zhì)量，選擇 不當甚至使旋壓過程不能穩(wěn)定進行。對密封圈的旋壓進行有限元數(shù)值模擬， 目的就是為合理的選擇工藝參數(shù)提供有效依據(jù)。影響密封圈成形的工藝因 素很多，有旋輪的形狀、旋輪進給率、旋壓道次、旋壓力等。由于錐角的 存在，密封圈的旋壓工藝參數(shù)的選擇同一般的筒形件強力旋壓有所不同。 2 3 1旋輪形狀 筒形件強力旋壓所用的旋輪形狀如圖2 一1 0 所示，其中用的最多的就是 c 種，它對軟鋼、臺金鋼和不銹鋼等較硬材料尤為合適。它的退出角能使 成形工件獲得光亮的表面，但它產(chǎn)生的旋壓力比b 種的大。為了模擬的準 確性，旋輪的有限元建模將完全按照c 種的形狀建立，以便和實驗相對照。 旋輪的成形角是一個非常重要的工藝參數(shù)，d 越大，隆起就越高而造成 金屬的非穩(wěn)定流動，所以a 有個上限。鋁及其合金更容易產(chǎn)生隆起，故其 成形角a 不能取大值。但當a 取得小時，就會使旋輪與毛坯的接觸面積增 大，同時使旋壓力相應增大而帶來不利的影響，因此成形角a 在2 0 0 3 0 。 的范圍內(nèi)選定。 1 7 燕山大學工學碩士學位論文 ( a )( b )( c ) 圖2 1 0 筒形件強力旋壓所用旋輪的形狀 f i g 2 - 1 0r o l l e r s f i g u r eo f t h ep o w e rs p i n n i n g 旋輪圓角半徑p 一般是憑經(jīng)驗取值。p 取的過大會造成旋壓力增加， 工件內(nèi)徑擴大并使薄壁件起皺：p 取的過小則容易產(chǎn)生材料的剝離。對硬 料可取p d = o 0 1 5 0 0 3 ，其中d 為旋輪的直徑，對軟料最好取大一些。 旋輪外徑d 的選取也很重要。d 取的過小時使金屬的周向流動增加，從而 使工件的精度變差。當d 取的過大時則旋壓力與d 成正比的增加。通常 取用的d 值是( 1 2 2 ) d ，其中d 為芯模直徑【3 8 】。在本文中，針對密封圈的 成形，最佳參數(shù)是通過做大量的模擬得到的。 2 3 2 旋輪進給率 選擇旋輪進給率的原則是，在可能的條件下，盡量取大一些。但是過 大的進給率會使工件過分牢固的貼在芯模上，而不利于成形后取下工件， 還可能導致旋壓中的開裂：過小的進給率會使零件內(nèi)徑擴大，尺寸精度惡 化，尤其是薄壁筒形件旋壓時，很容易產(chǎn)生起皺。 進給率在o 5 0 0m _ r l l i 的范圍選取，常用的進給率是0 5 1 5i n i 曲。 在變薄旋壓壁厚管坯時，開始受設備能力限制，迸給率不能很大，由此造 成工件有一定的擴徑量，隨后的道次進給率加快可以彌補。 圖2 1 1 是不銹鋼在不同的旋輪進給比和不同的壁厚減薄率下旋壓成 功區(qū)的示例。如果進給量太大，將使旋輪前面形成突起，導致材料的堆積， 出現(xiàn)起皮；而過小，又會由于彈性變形的緣故，本來就很小的材料變形流 動量分布在沿壁厚方向不同的流動面上，引起材料的夾層現(xiàn)象。 1 8 第2 章工藝方案的選揮及旋壓工藝分析 蓁i 0 8 匠 船羚講埝齜f m m ，r 、 圖2 - 1 l 旋壓成功區(qū)的圖示 f i g 2 - 1 1 s u c c e s s f u lr e g i o no f s p i n n i n g 由此可見，為了促成金屬的穩(wěn)定流動，不產(chǎn)生缺陷，對于旋輪進給速 度和壁厚減薄率的取值要進行控制，這樣的話，才可以旋出成功件，不造 成材料的浪費。 由于錐角的形成，進給率對旋壓件的影響會出現(xiàn)一些新的情況，進給 率過大，將不利于成形后工件的取下，而且容易出現(xiàn)皺曲、鼓包等缺陷； 進給率過小，又會導致坯料金屬的同一區(qū)域和旋輪接觸的增加，使得工件 的質(zhì)量無法保證。數(shù)值模擬將對幾種不同減薄率下的旋壓過程進行分析， 以得出進給率對密封圈旋壓成形的影響規(guī)律。 2 3 3 旋壓道次 對除鋁合金外的普通材料進行筒形件變薄旋壓時，一道次的壁厚減薄 率r 可以達到o 7 o 8 。但是考慮到旋壓件的精度和表面質(zhì)量而取r = o 5 5 為限。要想達到更大的壁厚減薄率及需要進行多道次旋壓。如果每道次都 要改變旋輪形狀而更換旋輪就會降低生產(chǎn)率。把旋輪頂端圓角半徑p 取為 工件壁厚to 的十倍以下，就可以用一個旋輪完成全部道次。在多道次旋壓 時后期道次的壁厚減薄率rl 可以加大。這是因為初期道次的壁部厚，旋壓 力大，而且隨著成形率的增加材料的隆起變小。 材料經(jīng)過多道次旋壓后，會發(fā)生加工硬化，材料很難再發(fā)生塑性流動， 1 9 燕山大學工學壩士學位論文 硬化越嚴重，曲線很難形成，所以中間需要進行多次退火。另外，如果多 道次旋壓，前面已經(jīng)成形的部分對坯料外壁金屬的周向和徑向流動將產(chǎn)生 阻礙作用，使旋壓產(chǎn)生斷裂等缺陷。因此，曲母線形件的旋壓成形一般采 用一道次成形，或者采用不同的芯模實現(xiàn)預成形和終成形。在本課題中彈 性密封圈的模擬成形就采用的是一道次成形，但是當壁厚很薄時，會有不 貼模的現(xiàn)象發(fā)生，這時，只需在其變形基礎上再加一道整形工序進行精整 便可以達到目的。 2 3 4 旋壓力 筒形件強力旋壓成形時，旋壓力通過旋輪的工作面均勻的作用于工件 和旋輪的接觸面上。作用力的合力通過接觸面的重心，其方向為接觸面的 重一t l , 處的法向。人們感興趣的不是旋壓力的合力而是其分力，因為需要根 據(jù)旋壓力的分量來分別確定旋壓設備所需的功率和進給機構(gòu)的動力。般 將旋壓力合力分解為互相垂直的三個分力，即軸向分力、徑向分力和周向 分力。 旋壓力是設計機床、編制工藝流程、設計工藝設備的科學依據(jù)。迄今 為止，已有薩瑪塞( e t h a m a s e t t ) 、小林( s k o b a y a s h i ) 、葉山益次郎 ( m h a y a r n a ) 、陳適先及馬澤恩等對旋壓力的計算進行了分析并給出了近似 表達式，但由于其計算手段過于簡單及對實際條件的過多簡化，其計算結(jié) 果不盡如人意口1 - 3 3 j 。 2 4 本章小結(jié) 本章著重對不銹鋼密封圈旋壓加工采用的兩種不同工藝方案進彳亍了論 證，分析了影響密封圈成形的主要工藝參數(shù)，介紹了旋壓力，為有限元數(shù) 值模擬中工藝參數(shù)的選擇提供了參考。 第3 章數(shù)值模擬的理論分析 第3 章數(shù)值模擬的理論分析 3 1引言 數(shù)值模擬是人們在廣泛吸收現(xiàn)代數(shù)學、力學理論的基礎上，借助于計 算機來滿足工程要求的數(shù)值分析。目前在工程領域內(nèi)常用的有限元法、邊 界單元法、離散單元法和有限差分法。本文用的是有限單元法?；舅枷?是將旋壓問題的求解域劃分為一系列單元，單元之間僅靠節(jié)點連接。單元 內(nèi)部點的待求量如應力、應變的變化等可由單元節(jié)點量通過選定的函數(shù)關 系插值得到。單元形狀簡單，易于建立節(jié)點量之間的方程式，然后將各個 單元方程集在一起而形成方程組，計入邊界條件后即可對方程組求解。 有限元法作為一種有效的數(shù)值方法被廣泛應用于金屬成形過程的數(shù)值 模擬方面。利用有限元法可在計算機上模擬分析旋壓加工時從坯料到制件 的整個成形過程，可以求出應力場、應變場、位移場和變形所需的旋壓力 的大小，還可以給出旋壓成形過程中坯料幾何形狀、尺寸、性能的改變， 除此之外，還可以預測缺陷的產(chǎn)生和分析成形質(zhì)量等。在進行實際加工時， 一切都依照經(jīng)驗、依靠試驗確定參數(shù)的選取范圍，有了數(shù)值模擬的結(jié)果， 就可以控制參數(shù)的取值在一個較小的范圍內(nèi)，這樣就無需做大量的試驗研 究，減小了工作量。 本文所研究的密封圈的旋壓成形是局部大位移變形，模擬應用的是 a n s y s 軟件，大變形彈塑性有限元理論。 3 2 大變形彈塑性有限元法基礎理論 3 2 1 物體的構(gòu)形及描述 為了描述物體變形前后兩種不同的狀態(tài)，引入了參考構(gòu)形和變形構(gòu)形。 我們把物體中所有物質(zhì)點瞬時位置的集合一某一瞬時物體在空間所占據(jù)的 區(qū)域定義為該物體的構(gòu)形3 4 l 。令t = o 時，物體的初始構(gòu)形為v o ，物體上的 2 1 燕山大學工學碩士學位論文 任一質(zhì)點p 的位置坐標為x i ( i = l ，2 ，3 ) 。設此后在某一瞬時f ，物體發(fā)生了變 形，此時物體的構(gòu)形稱為變形構(gòu)形。p 點變形后被移動到q 點，其位置坐 標為( 盧1 ，2 ，3 ) 。如果令兩坐標系重臺，變形后的構(gòu)形如圖3 1 所示。 圖3 1 物體的構(gòu)形描述 f i g 3 - 1d e s c r i p t i o n o fo b j e c t 顯然，對于同一質(zhì)點而言，變形前后坐標的關系為 x ：= x i ( x l ，x 2 ，x 3 ，f ) f = 1 ，2 ，3( 3 - 1 ) 物質(zhì)中質(zhì)點的運動有兩種描述方式。我們把以x f ( f _ 1 ，2 ，3 ) 和t 作為獨 立的變量來描述物體的運動( 或變形) ，稱為物質(zhì)描述( m a t e r i a ld e s e r i p t i o n ) 或拉格朗f j ( l a g r a n g e ) 描述+ 其中x j ( i = l ，2 ，3 ) 和f 稱為拉格朗日變量。這 種描述是隨著運動的質(zhì)點來研究質(zhì)點的運動狀態(tài)。另一種描述運動( 或變形) 的方法稱為空間描述( s p a t i a ld e s e r i p t i o n ) ，它以確( i - - - 1 ，2 ，3 ) 和f 作為獨立的 變量。這種描述又稱為歐拉( e u l e r ) 描述，其中x j l ( = 1 ，2 ，3 ) 和f 稱為歐拉變 量。空間描述的研究方法不是跟隨著運動的質(zhì)點研究其運動狀態(tài)，而是研 究各不同質(zhì)點經(jīng)過空間某一點而( i = 1 ，2 ，3 ) 時的狀態(tài)?；蛘哒f，拉格朗日描 述是以變形前的狀態(tài)，即以已知的初始構(gòu)形v o 為參考狀態(tài)來描述物體的運 動，而歐拉描述則是以當前的構(gòu)形為參考狀態(tài)來描述物體的運動狀態(tài)。通 常，采用物質(zhì)描述來求解固體力學方面的問題，而空間描述則更適合于求 解流體力學方面的問題 3 5 - 3 7 】。 第3 章數(shù)值模擬的理論分析 3 2 2彈塑性大變形有限元形式方程 對等參單元，坐標和位移插值公式是 o t = 虬。工j 。一= m x ? t = n k t + 6 a x ? 。t = n k t “? “，= 以“? ( 3 - 2 ) 式中x ? 節(jié)點k 相當于t 時刻的i 方向的坐標 “? 節(jié)點k 相當于t 時刻的i 方向的位移 。節(jié)點k 的形函數(shù) 丹一單元插值節(jié)點的總數(shù) 按照一般有限元方法，利用( 3 2 ) 導出積分式中所要用的位移倒數(shù)，于是 “k 。卜：【足?！砍磌 - “豫 - 。t 護) ( 3 3 ) 其中載荷矢量