六边锥台薄壁件无模旋压数值模拟研究_刘宝明.pdf

第 48 卷 第 6 期Vol.48 No.6FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 6 月Jun.2023特种成形六边锥台薄壁件无模旋压数值模拟研究刘宝明1,2,田苗诚1,2,贾 震1,2,韩志仁1,2,宫 雪1,2(1.沈阳航空航天大学 航空宇航学院,辽宁 沈阳 110136;2.沈阳航空航天大学 航空制造工艺数字化国防重点学科实验室,辽宁 沈阳 110136)摘要:针对无模旋压研究中的重点与难点 非对称与非圆截面无模旋压成形精度问题,以六边锥台薄壁件为研究对象,采用无模空旋的加工方式成形,根据所求成形件的几何关系,研究了六边锥台形状旋轮的径向和轴向运行规律,并推导了旋轮路径轨迹公式,使用 ABAQUS 软件对该成形过程进行仿真模拟,分析其等效应力、等效应变和壁厚的分布规律。在此基础上,采用 PS-CNCSXY600-5 型数控旋压机开展非圆截面旋压成形实验,获取了与模型相一致的六边锥台形薄壁件,验证了六边锥台形无模旋压的数值模拟结果的可靠性以及工艺的可行性,为后续异形件无模旋压方法以及成形机理的研究提供支持,具有较高的应用价值。关键词:六边锥台薄壁件;无模旋压;旋轮路径;等效应力;等效应变;壁厚DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.06.016中图分类号:TG306 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)06-0108-07Study on numerical simulation on dieless spinning for thin-walled hexagonal frustum partLiu Baoming1,2,Tian Miaocheng1,2,Jia Zhen1,2,Han Zhiren1,2,Gong Xue1,2(1.Faculty of Aerospace Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China;2.Key Laboratory of Fundamental Science for National Defence of Aeronautical Digital Manufacturing Process,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)Abstract:For the dieless spinning accuracy problem of non-symmetrical and non-circular cross-section which is the focus and difficulty in the research of dieless spinning,taking the thin-walled hexagonal frustum part as the research object,dieless spinning method was used to form,and based on the geometric relationship of formed parts,the radial and axial operation laws of spinning wheel with the shape of hexagonal frustum,and the trajectory formula of spinning wheel path was derived.Then,the forming process was simulated by software ABAQUS,and the distribution laws of equivalent stress,equivalent strain and wall thickness were analyzed.Furthermore,on this basis,the non-circular cross-section spinning experiment was carried out to obtain the thin-walled hexagonal frustum parts consistent with the model by PS-CNCSXY600-5 CNC spinning machine,which verifies the reliability of the numerical simulation results for the hexagonal frustum dieless spinning and the feasibility of the process,and provides support for the subsequent research on the dieless spinning method and forming mechanism of special-shaped parts,which has high application value.Key words:thin-walled hexagonal frustum part;dieless spinning;rotary wheel path;equivalent stress;equivalent strain;wall thickness收稿日期:2022-07-25;修订日期:2022-10-12基金项目:国家自然科学基金资助项目(52275355);辽宁省教育厅科学基金(JYT2020005);国防重点实 验室开 放基金(SHSYS202005)作者简介:刘宝明(1979-),男,硕士,工程师E-mail:syliubaoming 通信作者:韩志仁(1964-),男,博士,教授E-mail:hanren888 旋压工艺因其成形力相对较小、所需设备吨位低,具有节材、高效、绿色等优点,因而被广泛应用于航空、航天、汽车与农机等工业领域1-3。异形件的主要特征表现为旋压件的横截面不为圆形或者零件横截面的中心连线与旋压件成形时的旋转中心不重合。国内外学者对此已有深入研究,例如:日本学者 Hirohiko A4-5研制了两轴联动的非圆旋压装置,通过控制旋轮径向旋压力恒定,成功地加工出四边形空心零件;夏琴香等6-7研究了基于非圆横截面仿形芯模的多边形薄壁零件旋压成形方法与装置,并与邝卫华等8设计了筒形件非轴对称收口旋压成形轨迹,旋压成形出用于汽车尾管的偏心筒形件。异形件在旋压成形时不仅需要旋轮轴向进给,还需要其在径向上往复进给,基于异形旋压零件的表面轮廓,对旋轮径向进给、轴向进给和芯轴转动进行匹配,得出相互协调的轨迹9。针对此研究,程秋谋等10采用一种特制机构完成了椭圆件的普通旋压及无芯轴剪切旋压实验,发现其变形规律与常规回转体旋压有所不同。日本学者 Shimizu I11推导出了椭圆截面锥体空心件的旋轮路径公式,利用数控程序协调旋轮轴向与径向进给,加工出椭圆截面及方截面空心锥体零件。以上非圆截面的旋压大都采用了仿形芯模,阻滞了旋压工艺的高柔性。鉴于航空航天制造领域对带有回转体特征的异形薄壁件往往有参数修改响应迅捷的需求,所以,更加凸显此类零件的无模旋压方法研究的重要意义12。无模旋压柔性好,适合于航空航天零件,具有品种规格多、批量小等特点。随着数控技术的发展,无模旋压开始广泛应用在非对称或者非圆截面的异形形状薄壁零件上13-14。本文采用无模旋压方式成形六边锥台形状薄壁件,并以初始角度离散化的旋轮路径设计方法,理论推导出旋轮路径。在此基础上,开展六边锥台薄壁件无模旋压的有限元数值模拟与实验研究。1 旋轮路径解析六边锥台薄壁件的几何模型如图 1 所示,锥台任一横截面均为正六边形。据此将旋轮路径轨迹设计为布置在六边锥台表面的连续的螺旋曲线,由于机器误差,实际成形过程中无法保证旋轮的进给与芯轴的转动匹配为 1 条绝对连续的曲线,因此,本文采取离散化的方法对旋轮路径轨迹进行解析推导。本文中旋轮路径轨迹是由中心向外运动,以工件旋转第 1 周的路径轨迹为例,详细说明路径轨迹公式的推导过程。根据六边锥台薄壁件的形状特征,将板材进行区域划分,以此推导出各个区域中旋轮路径的具体坐标值。将板材划分为 7 个区域:0 30、30 90、90 150、150 210、210 270、270 330和 330360,六边锥台薄壁件旋压过程中旋轮运动路径示意图如图 2 所示。六边形为轴对称图形,以 0 30位置为例对旋轮路径轨迹进行分析,其他的路径轨迹以此类推。旋压路径为 1 条空间螺旋线,因此,推导旋轮路径需从径向和轴向两个方向进行研究。设置初始角度图 1 六边锥台薄壁件示意图(a)3D 图(b)三视图Fig.1 Schematic diagrams of thin-walled hexagonal frustum part(a)3D diagram(b)Three view图 2 六边锥台薄壁体的旋轮路径(a)俯视图(b)左视图Fig.2 Path of rotary wheel for thin-walled hexagond frustum part(a)Top view(b)Left side view为,其值恒定,以偏转角 作为离散点进行划分。首先,考虑旋轮的径向位移,设置零件的上表面为基准面,零件中心为点 A,AB 为旋轮与芯轴的最短距离 x,如图3 所示,AD 为基准面上旋轮距零件中心的投影距离,AD 为径向位移的一部分,记为 W1。C 点为基准面上六边形轨迹的顶点,也就是旋轮投影轨迹的拐点。通过图 3,并根据三角函数关系可得:W1=xcos(m)(1)式中:m 为变量,初始值为 0,芯轴每转动 角 m901第 6 期刘宝明等:六边锥台薄壁件无模旋压数值模拟研究 图 3 离散点的划分示意图Fig.3 Schematic diagram of division for discrete points值加 1。旋轮在运动过程中沿径向的另一部分位移,如图4 所示,其中 EG 为轮的轴向位移,设为 Q,则有:Q=mn360(2)式中:n 为螺旋线的螺距。图 4 旋轮路径左视图Fig.4 Left view of path for rotary wheel EF 为径向位移的垂直位移,设为 U,则有:U=Qtan(3)空间内的径向位移分为两部分,其中第 1 部分为 W1,设置第 2 部分为 W2,则有:W2=Ucos(m)(4)在零件旋压成形过程中,旋轮的径向位移即为基准面上的投影距离与径向配合位移之和,即为旋轮与零件接触的具体位置,设为 Wi,i 为任意时刻。Wi=W1+W2(5)整理式(1)式(5)可得旋轮径向位移为:Wi=xcos(m)+mntan360cos(m)(6)式(6)为 030旋压过程中旋轮的径向位移公式。旋轮的轴向位移与旋轮运动过程中的进给率密切相关,对进给率(与空间螺旋线的螺距相同)进行等分计算,设置旋轮的轴向位移为 Qi。Qi=-Gm360(7)式中:G 为旋轮的进给率。通过分析六边锥台薄壁件的几何关系,得到第1 周锥体盒形件的旋压轮路径公式,亦可用此方法得到符合设计加工要求的完整的旋轮路径表达式。2六边锥台薄壁件无模旋压有限元模拟分析 随着计算机软件技术的发展,有限元模拟方法在旋压工艺上的应用越来越广泛。通过对异形零件旋压过程预先进行有限元仿真,不仅可以降低物理实验的试错次数,还可以准确获得应力-应变、金属流动等难以直接测得的物理场。因此,本文开展六边锥台薄壁件无模旋压的有限元数值模拟及结果分析。2.1 有限元模型建立六边 锥 台 薄 壁 件 无 模 旋 压 有 限 元 建 模 在 ABAQUS 商业软件平台上进行。首先,建立芯轴、板坯、旋轮的三维几何实体模型。其中,板坯定义为可变形体,材料采用 6061 铝合金;芯轴与旋轮