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当不同道次下拉深旋压成形有限元数值模拟

发布时间:2021-09-10 08:01:22 阅读: 来源:空气锤厂家

不同道次下拉深旋压成形有限元数值模拟

摘要:通过建立合理的力学模型,采用弹塑性有限元方法,对多道次拉深旋压进行数值模拟,得到了不同道次下的应力应变分布规律。从应力应变分布的角度分析了拉旋与拉深变形的区别,揭示了多道次拉旋的变形特点,为进一步研究多道次拉旋的成形极限及成形质量奠定了基础。

关键词:道次 拉深旋压 数值模拟 应力应变分布

前言

拉深旋压是普通旋压中最常用和最具有代表性的成形技术,目前广泛应用于航空、航天、军事及民用等加工技术领域。它通常是指利用旋压工具使毛坯(板材或预制件)直径减小成形为回转体零件的加工过程。由于与拉深成形相类似,因此,称作拉深旋压简称拉旋[1]。由于一道拉旋的成形极限很小,实际生产中很少采用,而广泛采用多道次旋压[2]。在多道次旋压过程中,不同道次之间相互制约、相互影响,每一道次的变形对工件的最终成形都具有决定性的影响。为此,探讨不同道次下拉深旋压成形的特点是极其必要的。

本文建立合理的力学模型,采用弹塑性有限元方法对不同道次下拉深旋压进行数值模拟,得到不同道次下应力应变的分布规律,并从应力应变分布的角度指出了拉旋与拉深变形的不同。从而揭示了多道次拉旋的变形特点。

1 有限元模型

1.1 基本假设

多道次拉旋相对于简单拉旋大大改进了拉旋过程中的成形极限。但是由于道次数量的增加,也增加了变形的复杂性,对研究不同道次下坯料的变形带来极大的困难。为此本文对多道次拉旋成形过程进行了必要的简化,并采取了一些假设。假设如下:

(1) 由于最终成形件为轴对称零件,这里将旋压加工过程简化为轴对称问题12吨装载机求解;

(2) 旋轮与毛坯接触压力均匀分布,并在每一进给步长圆周接触面上同时对板料加载;

(3) 由于旋轮除了轴向和径向进给外,其本身还有自转,与毛坯之间为滚动摩擦,并且在实际生产中通常加入润滑油以减小摩擦,摩擦力相对旋压力可不计,此处忽略摩擦作用。

1.2 力学模型

旋压加工过程中毛坯每转一圈旋轮进给量很小,因此旋压局部变形可视为小变形物理非线性问题。并根据基本假设,轴对称中心固定约束,芯模下板料被夹持,故此处厚度方向约束,板料外缘自由,旋轮对毛坯作用为表面分布力,模型如图1 所示。

图1 力学模型示意图

2 相关的工艺参数

数值模拟中使用的主要工艺参数为:毛坯直径为180mm,厚度为1mm,旋轮直径为140mm,圆角半径为6mm,芯模直径为80mm,进给比为0.2mm/r。

坯料选用LF2M,材料性能参数为弹性模量为71000MPa,硬化指数为0.16,泊松比为0.3。

旋轮轨迹采用直线单向式道次贴模形式。为了避免旋轮和芯模之间干涉,入旋点选为R=46mm。

3 结果与讨论

根据上述模型对多道次拉旋中的四个道次进行了数值模拟。图2 为四个道次拉旋变形位置示意图。图3 为四个道次下多道次拉旋应力应变分布图。

图2 拉旋各道次位置示意图

图2 拉旋各道次位置示意图

从应力分布图上看,由于采用道次贴模加工,随着道次的增加,贴模部分扩大,芯模附5、有效工作空间:150×150×240mm近的应力随道次的增加而逐渐减小;但在材料硬化效应的作用下,随着道次的增加最大应力增加,从而也使后续道次塑性变形的屈服应力增大,变形困难。其中由于入旋点选在R=46mm 处,因此,入旋点附近产生极值。另外,从应力整体分布来看,初期道次的应力变化与后期道次存在差异,这主要是由于平板毛坯多道次加工中,不同道次形状变化的区别所致。坯料形状首先由平板变为锥形体,以后各道次壳体的中心角逐渐减小,形状基本不变。

众所周知,在拉深筒形件成形过程中,最大径向拉应力发生在凸模(相当于芯模)园角处而产生最大值时刻一般在瞬时外缘半径为0.9R0处,即拉深初始阶段。但拉旋却有所不同,从径向应力分布图3(a)中可以看出,最大径向应力发生在旋轮作用变形区。拉裂通常在壁部发生。而另一区别在于,拉深锥形件时内壁和外凸缘处均有可能发生失稳起皱。但拉深旋压却仅在外缘处切向压应力(见图3(c))较大,而内侧通常不会有起皱现象发生。因此,拉旋比拉深成形有更大的优越性。

从应变分布图可见,随着道次的增加,坯料外径逐渐缩小贴近芯模,因此,径向和周向应变(图3(d)和(f))逐渐增大,与拉深成形基本一致。但由于旋轮采用单向式直线轨迹加工,因此厚向应变(图3(e))变化剧烈,内部厚度减小,外缘厚度增加。

4 结论

(1) 本文建立了合理力学模型,对多道次拉旋成形进行了数值模拟,得到了不同道次下的应力应变分布规律。从应力分布图可以看出,应力随道次增加而增大,前期道次的应力变化与后续道次略差异,从应变分布图上看,应变随道次增加而增大,各道次之间的变化基本一致。

(2) 将拉旋与拉深成形从应力应变分布角度进行了对比,得出拉旋具有比拉深更大的优越性。

(3) 从应力应变分布角度揭示了多道次拉旋的变形特点,为进一步研究多道次拉旋的成形极限及成形质量奠定了基础。

参考文献

1 日本塑性加工学会. 旋压成形技术. 陈敬之译. 北京: 机械工业出版社, 1988

2 王仲仁主编. 特种塑性成形. 北京: 机械工业出版社, 1994

关于军事改革的难度

作者简介:刘建华,女1972年生,博士研究生,研究方如全自动实验机、大型构造实验机、上下温恒温恒湿盐雾等环境实验机、电子耐久蠕变实验机等向为多道次普通旋压加工的计算机仿真。(end)

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