盘形件两工步对称增厚旋压工艺_刘发美.pdf

第 48 卷 第 3 期Vol.48 No.3FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 3 月Mar.2023板料成形盘形件两工步对称增厚旋压工艺刘发美,金俊松,李 斌,高 畅,张 蕾,王新云(华中科技大学 材料成形与模具技术国家重点实验室,湖北 武汉 430074)摘要:对称增厚旋压是一种针对薄辐板厚轮缘类盘形件的特种旋压技术,利用有限元模拟研究了两工步对称增厚旋压过程中坯料的变形规律、成形特点和缺陷的产生,以及各工艺参数对成形的影响。结果表明:摩擦因数、旋轮进给速度 v 以及坯料旋转速度 对成形过程影响较小。在第 1 工步中,旋轮槽底宽度 h、旋轮凹槽倾角 以及坯料长厚比 对成形影响显著,随着旋轮槽底宽度 h 和旋轮凹槽倾角 的增大以及坯料长厚比 越大,坯料越容易失稳形成缺陷;在第 2 工步中,旋轮槽底宽度 h 以及坯料的初始形状对成形影响显著,旋轮槽底圆角半径 R 能够改善坯料外边缘的应力状态,且 R 越大改善效果越明显。关键词:盘形件;对称增厚旋压;旋轮槽底宽度;旋轮凹槽倾角;圆角半径DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.03.006中图分类号:TG306 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)03-0043-11A two-step symmetrical thickening spinning process for disk-shaped partLiu Famei,Jin Junsong,Li Bin,Gao Chang,Zhang Lei,Wang Xinyun(State Key Laboratory of Materials Processing and Die&Mould Technology,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)Abstract:Symmetrical thickening spinning is a special spinning process for disc-shaped parts with thin spoke and thick rim.Therefore,the deformation laws and forming characteristics of blank,the cause of defects and the influences of process parameters on forming in the two-step symmetrical thickening spinning process were studied by finite element simulation.The results show that friction coefficient,feeding speed v of the roller and rotation speed of blank have little effect on the forming process,while groove bottom width of roller h,inclination angle of roller groove and length to thickness ratio of blank have sigmificant effect on the forming in the first step.With the increasing of groove bottom width of roller h and inclination angle of roller as well as length to thickness ratio of blank,the blank is more prone to lose stability and form defects.Furthermore,in the second step,the groove bottom width h of roller and the initial shape of blank have significont effect on the forming.Meantime,the fillet radius R at the bottom of roller groove can improve the stress state of the outer edge of blank,and the larger the R is,the more obvious the improvement effect is.Key words:disc-shaped part;symmetrical thickening spinning;groove bottom width of roller;inclination angle of roller groove;fillet radius收稿日期:2022-05-20;修订日期:2022-08-23基金项目:国家自然科学基金资助项目(52175319)作者简介:刘发美(1994-),男,博士研究生E-mail:dliufamei 通信作者:金俊松(1980-),男,博士,教授E-mail:jsjin 旋压成形作为一种渐进成形技术,具有工艺柔性好、产品尺寸精度高、表面光洁度好、设备吨位要求低等诸多优点,现代旋压技术被广泛用于军工、航天、航空等领域1-2。传统的旋压工艺主要分为普通旋压和变薄旋压两大类,相比于其他成形工艺,二者对于薄壁圆截面中空类零件具有明显优势3。近年来,国内外学者纷纷提出各种特种旋压工艺,而非传统地通过改变薄板形状或减小坯料厚度来成形零件,如多楔带轮旋压4、内筋旋压5、对称分形旋压6、楔入旋压7、凹槽旋压8,以及增厚旋压等。圆形板料增厚旋压工艺是通过旋轮对板料进行体积成形,对大直径薄辐板厚轮缘类盘形件的成形尤为适合9。根据变形特点可以将增厚旋压分为单侧增厚和对称增厚。Kim Y J 等10提出采用流动旋压来使汽车的飞轮外边缘单侧增厚,并通过实验验证了有限元模拟及工艺的合理性,同时分析了成形过程中的应力分布。Jin J S 等11设计了带有内凹槽的环形旋轮,采用 4 工步单侧增厚旋压工艺成形出具有厚轮缘的盘形件,并利用实验和模拟相结合的方法详细介绍了增厚 旋 压 的 成 形 机 理,推 导 出 旋 轮 载 荷 公 式。Wang X Y 等9,12-13提出了另一种单侧增厚旋压方案,带有外凹槽的圆形旋轮沿着坯料的径向方向进行进给,从而使得坯料外边缘发生增厚,并分析了各参数对成形质量的影响,获得了成形工艺窗口。Jin J S 等14提出采用多工步进行单侧增厚旋压,分析了各参数对每一工步材料流动的影响,设计并优化了每一工步的旋轮尺寸和工艺参数。Xue K M 等15研究了单侧增厚旋压时旋轮凹槽与坯料间隙对成形质量的影响,并建立了间隙与成形质量之间的唯象关系模型。而对于对称增厚旋压,王炜16和吴文魁17分别介绍了常温和高温下对称增厚旋压的工艺过程和失效形式,发现单步成形质量不稳定,容易发生屈曲甚至折叠缺陷。本文提出采用两工步对圆形板料进行对称增厚旋压,并利用有限元模拟与实验相结合的方法,系统地对两工步对称增厚旋压工艺的成形机理、成形缺陷的产生、成形参数对成形过程的影响进行了研究,最后进行了实验验证,两工步对称增厚旋压工艺能够明显增大增厚比。1 对称增厚旋压有限元模型建立1.1 工艺原理与有限元模型盘形件对称增厚旋压成形的成形过程为:圆形坯料夹持在上、下压盘之间,与圆盘一起以角速度 旋转,旋轮凹槽和坯料的轴向中心对齐,旋轮以速度 v 径向运动,坯料外缘局部径向压缩,使得坯料外径减小而厚度增加,直至旋轮与压盘接触,坯料充满凹槽型腔,成形过程完成,得到薄辐板厚轮缘的盘形零件。成形过程如图 1 所示。图 1 对称增厚旋压成形工艺示意图Fig.1 Schematic diagram of symmetrical thickening spinning process在 Simufact Forming 上进行有限元模拟,建立的有限元三维模型如图 2a 所示。为了降低计算成本,对模型进行了合理简化。在实验中,坯料被压盘压住部分几乎不发生变形,因此,将盘形件内部进行“挖空”处理得到环形件,如图 2b 所示。将坯料设置为弹塑性变形体,将旋轮和压盘设置为刚体。图 2 有限元模型(a)三维有限元模型(b)模型的纵剖面图(c)坯料网格图Fig.2 Finite element model(a)3D finite element model(b)Longitudinal profile diagram of model(c)Grid diagram of blank坯料采用 AISI 1045 钢,旋轮及坯料温度均为室温且用润滑液进行润滑和冷却,因此,忽略变形过程中的温度变化。材料的塑性本构采用 J-C 模型,如式(1)所示,材料参数18如表 1 所示。=(ReL+Bn)1+Cln0()|(1)式中:ReL为材料在指定应变速率下的屈服强度;B和 n 为强化系数;C 为应变速率敏感系数;为应变速率;0为参考应变速率;和 分别为应力和应变。1.2 网格划分及边界条件设置Simufact Forming 提供了多种网格划分方式,本文采用 Ringmesh 网格划分模式,所得到的六面体网格对旋压这类回转成形尤为适合。对于金属板料的体积成形,在厚度方向上采用4层网格能够在保证44锻压技术 第 48 卷表 1 AISI 1045 钢的材料参数Table 1 Material parameters of AISI 1045 steel参数数值弹性模量/GPa210泊松比0.33密度/(kgm-3)7850ReL/MPa714B/MPa563n0.518C0.0370/s-10.000833精度的前提下降低计算成本19。径向网格尺寸为厚度方向的 12 倍,切向网格尺寸为厚度方向的 814 倍,网格总数保持在 9000 15000,网格划分如图 2c 所示。图 4 同一时刻不同坯料旋转速度(a)、旋轮进给速度(b)、摩擦因数(c)时的成形对比图Fig.4 Comparison diagrams of forming at different rotation speeds of blank(a),feeding speeds of roller(b)and friction coefficients(c)at the same time压盘与坯料的接触关系通过 Simufact Forming 的接触表设置为 Glued,以实现坯料在压盘的带动下做旋转运动,旋轮与坯料的接触关系设置为 Touch-ing,模具之间不设置任何接触关系。旋轮与坯料之间的摩擦行为采用剪切摩擦模型。2 模拟结果与讨论在成形过程中,影响成形结果的因素很多,本文运用 Simufact Forming 软件对成形工艺参数进行研究,所研究的参数包括:坯料旋转速度、坯料与旋轮之间的摩擦因数、旋轮进给速度 v、旋轮凹槽倾角、旋轮槽底宽度 h,如图 3 所示。定义坯料外缘至压盘边缘之间的距离为悬臂长 l=(D-d)2,定义坯料变形部分的长厚比 =lt=(D-d)2t,其中,D 为坯料外径,d 为压盘直径,t 为坯料厚度。图 3 对称增厚旋压成形参数示意图Fig.3 Schematic diagram of symmetrical thickening spinning parameters2.1 工艺因素的确定图 4 为不同摩擦因数、旋轮进给速度 v 和坯料旋转速度 时,在同一套旋轮参数下坯料成形后的等效塑性应力、等效塑性应变分布对比。模拟结果表明:在不同、v 和 下,坯料的等效塑性应变分布或等效应力分布