文/張磊，李亨，李明，吳玉程·合肥工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院

錐形件強(qiáng)力旋壓成形工藝參數(shù)的優(yōu)化

文/張磊，李亨，李明，吳玉程·合肥工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院

基于ABAQUS/Explicit有限元平臺，結(jié)合正交試驗(yàn)對錐形件進(jìn)行了旋壓成形數(shù)值模擬，分別分析了旋輪圓角半徑r、旋輪進(jìn)給比f、旋輪直徑D以及主軸轉(zhuǎn)速v這4個(gè)因素對壁厚比值、最大等效應(yīng)力、應(yīng)變3個(gè)目標(biāo)函數(shù)的影響主次及規(guī)律。

張磊，碩士研究生，主要從事金屬基復(fù)合材料（鋁合金方面）、塑性成形有限元分析方面的研究。

旋壓成形是將金屬平板毛坯或預(yù)制毛坯卡緊在旋壓機(jī)芯模上，由主軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)芯模和坯料旋轉(zhuǎn)，利用旋輪對坯料施加壓力，產(chǎn)生連續(xù)、逐點(diǎn)的塑性變形，從而獲得各種母線形狀的空心回轉(zhuǎn)體零件的塑性加工方法。根據(jù)旋壓成形前后坯料厚度的變化情況，旋壓可以分為普通旋壓和強(qiáng)力旋壓。強(qiáng)力旋壓是指成形前后坯料壁厚發(fā)生明顯變化；其他情況則定義為普通旋壓。目前，強(qiáng)力旋壓成形依靠其高精度、省料、高生產(chǎn)效率等特點(diǎn)，已經(jīng)在很多領(lǐng)域取得應(yīng)用，比如航空、航天、汽車等。

旋壓成形過程中對坯料產(chǎn)生影響的因素較多，通過多次試驗(yàn)對比得出最佳的工藝參數(shù)不太現(xiàn)實(shí)。目前很多學(xué)者采用有限元方法對實(shí)際過程進(jìn)行模擬，該方法有助于研究旋壓成形過程中各工藝參數(shù)對成形質(zhì)量的影響規(guī)律。華中科技大學(xué)的黃亮等人基于ABAQUS/Explicit平臺建立了符合實(shí)際的三維有限元模型，通過分析不同情況下旋壓成形力、應(yīng)力場和應(yīng)變場的變化情況，獲得了對旋壓有一定指導(dǎo)意義的優(yōu)化工藝參數(shù)。

有限元模型的建立及參數(shù)的確定

如圖1所示，基于ABAQUS的前處理環(huán)境，在CAE中建立錐形件旋壓成形的三維有限元模型。在模型的前處理模塊中，運(yùn)用Tie命令將坯料與芯模綁定在一起，實(shí)現(xiàn)坯料與芯模的同速轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而節(jié)省了尾頂?shù)慕?。前期將旋輪設(shè)置為解析剛體，芯模設(shè)置為離散剛體，坯料設(shè)置為C3D8R的減縮積分單元。給每一個(gè)剛體設(shè)置參考點(diǎn)，通過參考點(diǎn)對剛體進(jìn)行約束加載。

材料的選擇

初始的坯料為6061-O（退火態(tài)），密度為2713kg/ m3；彈性模量為68948MPa，屈服強(qiáng)度為55MPa，強(qiáng)化系數(shù)為220.75，硬化指數(shù)為0.235，泊松比為0.33。初始坯料的半錐角是20°，較小一端直徑為120mm，壁厚為10mm。旋壓成形過程中，鋁合金坯料減薄至7mm，減薄率為大約30%，在該材料的允許范圍內(nèi)。

工藝參數(shù)的選擇

⑴旋輪圓角半徑r：旋輪圓角半徑是憑借經(jīng)驗(yàn)并根據(jù)坯料的厚度來進(jìn)行選取的。采用的坯料厚度為10mm，在此選擇5mm、10mm、15mm作為圓角半徑。

⑵旋輪進(jìn)給比f：旋輪進(jìn)給比是指主軸每旋轉(zhuǎn)一周，旋輪沿著指定母線軌跡所進(jìn)給的距離。過大的進(jìn)給比會導(dǎo)致工件粘在芯模上難以取下、旋壓開裂等缺陷，而較小的進(jìn)給比會使零件內(nèi)徑擴(kuò)大，影響旋壓件的尺寸精度。旋輪進(jìn)給比選擇0.5mm/r、1mm/r、1.5mm/r作為變化參數(shù)。

⑶旋輪直徑D：選擇的旋輪直徑的變化參數(shù)為80mm、100mm、120mm。

⑷主軸轉(zhuǎn)速v：實(shí)際生產(chǎn)中，主軸的轉(zhuǎn)速都大概在每分鐘幾百轉(zhuǎn)的范圍內(nèi)，考慮到軟件模擬可能會出現(xiàn)單元畸變等因素，選擇120r/min、180r/min、240r/min作為該因素的變化參數(shù)。

圖1 錐形件旋壓成形三維有限元模型

研究方案的確定

為了在盡可能少的試驗(yàn)次數(shù)的情況下得到較準(zhǔn)確的結(jié)論，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法。研究旋輪圓角半徑r、旋輪進(jìn)給比f、旋輪直徑D以及主軸轉(zhuǎn)速v這4個(gè)因素對強(qiáng)力旋壓成形件的影響。每一個(gè)變量在各自合理的取值范圍內(nèi)分別取3個(gè)變化值，正交方案如表1所示。

旋壓件成形后壁厚的分布均勻與否是衡量旋壓成形質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，故選擇成形后壁厚最大值與最小值的比值來衡量旋壓件成形質(zhì)量的好壞。壁厚比值越小，說明成形件的壁厚分布越均勻，成形質(zhì)量越好。在旋壓成形過程中，坯料的局部周向壓應(yīng)力和局部切向拉應(yīng)力會對其成形性能產(chǎn)生較大影響：周向壓應(yīng)力較大時(shí)，容易導(dǎo)致坯料局部失穩(wěn)，從而導(dǎo)致坯料的局部起皺；切向拉應(yīng)力較大時(shí)，容易導(dǎo)致坯料的局部拉裂。由于等效應(yīng)力能一定程度上反映周向壓應(yīng)力和切向拉應(yīng)力，故選擇成形過程中坯料的最大等效應(yīng)力作為衡量旋壓成形質(zhì)量的指標(biāo)，等效應(yīng)力最大值越小，成形件的起皺、拉裂等缺陷越不易產(chǎn)生，成形質(zhì)量越好。最后還以最大等效應(yīng)變作為成形質(zhì)量的指標(biāo)，最大等效應(yīng)變越小，成形過程中應(yīng)變越均勻，成形質(zhì)量越好。綜上所述，采用壁厚比值、最大等效應(yīng)力和最大等效應(yīng)變作為正交試驗(yàn)的目標(biāo)函數(shù)。

結(jié)果與討論

各因素對目標(biāo)函數(shù)的影響

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得出表2所示壁厚比值、最大等效應(yīng)力和最大等效應(yīng)變的直觀分析表。其中，均值為對應(yīng)各列因素對結(jié)果影響的平均值，其最大值和最小值之差叫做極差。極差的大小反映了試驗(yàn)中的相應(yīng)因素對目標(biāo)函數(shù)作用的顯著性，因素的極差越大，說明該因素對目標(biāo)函數(shù)的影響越顯著。反之，極差越小，因素的影響就越不顯著。

從表2中可以看出，各因素對壁厚比值極差的影響大小依次是，旋輪進(jìn)給比＞旋輪圓角半徑＞主軸轉(zhuǎn)速＞旋輪直徑，即旋輪進(jìn)給比對壁厚分布影響最大，旋輪圓角半徑次之，接著是主軸轉(zhuǎn)速，旋輪直徑對其影響最不明顯。各因素對最大等效應(yīng)力極差的影響大小依次是：旋輪進(jìn)給比＞旋輪直徑＞主軸轉(zhuǎn)速＞旋輪圓角半徑，即旋輪進(jìn)給比對坯料最大等效應(yīng)力影響最大，旋輪直徑次之，接著是主軸轉(zhuǎn)速，旋輪圓角半徑對其影響最不明顯。各因素對最大等效應(yīng)變極差的影響大小依次是：旋輪直徑＞旋輪進(jìn)給比＞主軸轉(zhuǎn)速＞旋輪圓角半徑，即旋輪的直徑對坯料最大等效應(yīng)變影響最大，旋輪進(jìn)給比次之，接著是主軸轉(zhuǎn)速，旋輪圓角半徑對其影響最不明顯。

工藝參對目標(biāo)函數(shù)的影響規(guī)律

從圖2中可以看出，隨著旋輪圓角半徑r的增大，壁厚比值先增大后減小，在r=15mm時(shí)，壁厚比值最??；壁厚比值隨著進(jìn)給比f的增大而呈減小趨勢；壁厚比值隨旋輪直徑D的增大先增大后減小，在D=80mm時(shí)，壁厚比值獲得較小值；壁厚比值隨主軸轉(zhuǎn)速v增大而先減小后增大，在轉(zhuǎn)速v=180r/min時(shí)，壁厚比值獲得較小值。

表2 模擬結(jié)果的正交試驗(yàn)表

從圖3中可以看出，隨著旋輪圓角半徑r的增大，最大等效應(yīng)力先減小后增大，并在圓角半徑r=10mm時(shí)獲得較小等效應(yīng)力值；隨著旋輪進(jìn)給比f的增大，最大等效應(yīng)力先增大后減小，并在進(jìn)給比f=1.5mm/ r時(shí)獲得較小值；隨著旋輪直徑D的增大，最大等效應(yīng)力值呈減小趨勢；隨著主軸轉(zhuǎn)速v的增大，等效應(yīng)力最大值，先減小后增大，并在轉(zhuǎn)速v=180r/min時(shí)獲得較小值。

從圖4中可以看出，隨著旋輪圓角半徑r的增大，最大等效應(yīng)變先減小后增大，并在圓角半徑r=10mm時(shí)獲得較小等效應(yīng)變值；隨著旋輪進(jìn)給比f的增大，最大等效應(yīng)變呈增大趨勢；隨著旋輪直徑D的增大，最大等效應(yīng)變值呈減小趨勢；隨著主軸轉(zhuǎn)速v的增大，最大等效應(yīng)變值呈增大趨勢。

最優(yōu)工藝參數(shù)

由于采用了3個(gè)目標(biāo)函數(shù)來評判各組因素對旋壓成形質(zhì)量的影響，故要先分別得出相對于各個(gè)目標(biāo)函數(shù)而言的最佳參數(shù)組合，再進(jìn)行綜合分析，進(jìn)而得到一組對每一個(gè)目標(biāo)函數(shù)都盡可能好的因素組合，最終得到最優(yōu)的參數(shù)組合。具體分析如下：⑴壁厚比值越小，旋壓件壁厚分布越均勻，故該目標(biāo)函數(shù)的最佳參數(shù)組合為：r=15mm、f=1.5mm/r、D=80mm以 及v=180r/min；⑵最大等效應(yīng)力越小，說明該旋壓成形不易導(dǎo)致起皺、拉裂等缺陷，故該最佳參數(shù)組合為：r=10mm、f=1.5mm/r、D=120mm以及v=180r/min；⑶最大等效應(yīng)變越小，成形質(zhì)量越好，故該最佳參數(shù)組合為：r=10mm、f=0.5mm/r、D=120mm以及v=120r/min。

由表2可以看出：旋輪圓角半徑對壁厚比值影響較大，對另外兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)影響很小，幾乎可以忽略考慮，故選用旋輪圓角半徑r=15mm；旋輪進(jìn)給比對壁厚比值和最大等效應(yīng)力影響都比較大，對最大等效應(yīng)變影響較小，故進(jìn)給比為f=1.5mm/r；旋輪直徑直接對最大等效應(yīng)力、最大等效應(yīng)變影響都比較大，尤其對于后者，而其對壁厚比值影響最小，故在此選擇旋輪直徑D=120mm；由于主軸轉(zhuǎn)速對于3個(gè)目標(biāo)函數(shù)的影響程度差別不大，而有兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)因素參數(shù)組合中選擇主軸轉(zhuǎn)速為180r/min，故在此選擇主軸轉(zhuǎn)速v=180r/min。

綜上所述，最優(yōu)的參數(shù)組合為：旋輪圓角半徑r=15mm；旋輪進(jìn)給比f=1.5mm/r；旋輪直徑D=120mm；主軸轉(zhuǎn)速v=180r/min。將上述最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行模擬，結(jié)果如下：壁厚比值為1.069；最大等效應(yīng)力為337.1MPa；最大等效應(yīng)變?yōu)?.273。驗(yàn)證試驗(yàn)所得的結(jié)果中：壁厚比值僅比最小值大0.007，壁厚均勻性提高；最大等效應(yīng)力值比最小值大2.4MPa；最大等效應(yīng)變比最小值大0.297。

由此可見，該最優(yōu)因素組合不僅對旋壓件的壁厚均勻性提升較大，而且降低了坯料的最大等效應(yīng)力，這對于避免旋壓件局部皺縮、拉裂等缺陷有一定的幫助。該組參數(shù)對最大等效應(yīng)變的改善不是很明顯，這可能是由于旋壓成形本身就是局部塑性變形，其局部的大變形量受旋壓工藝因素的影響較小。

圖2 工藝參數(shù)對壁厚比值的影響

圖4 工藝參數(shù)對最大等效應(yīng)變的影響

結(jié)論

⑴旋輪進(jìn)給比對壁厚比值、最大等效應(yīng)力影響最大，尤其對后者的影響更明顯；旋輪直徑對最大等效應(yīng)力影響居于次位，但其對最大等效應(yīng)變影響最大；旋輪圓角半徑對壁厚比值的影響居于次位；主軸轉(zhuǎn)速對3個(gè)目標(biāo)函數(shù)影響均不是很明顯。

⑵隨著旋輪圓角半徑的增大，旋壓件壁厚分布均勻性先降低后增大，起皺和拉裂的趨勢先降低后增大；隨著旋輪進(jìn)給比的增大，旋壓件壁厚分布均勻性呈增大趨勢，起皺和拉裂的趨勢先增大后降低；隨著旋輪直徑的增大，旋壓件壁厚分布均勻性先降低后增大，起皺和拉裂的趨勢呈現(xiàn)降低趨勢；隨著主軸轉(zhuǎn)速的升高，旋壓件壁厚分布均勻性先增大后減小，起皺和拉裂的趨勢先降低后增大。

⑶通過影響因素的優(yōu)化分析，得出6061鋁合金錐形件旋壓成形的優(yōu)化工藝參數(shù)組合：旋輪圓角半徑r=15mm；進(jìn)給比f=1.5mm/r；旋輪直徑D=120mm；主軸轉(zhuǎn)速v=180r/min。驗(yàn)證試驗(yàn)得知，該組參數(shù)對旋壓件的壁厚分布均勻性提升較大，對于起皺、拉裂等缺陷有一定程度的改善，對于局部的應(yīng)變影響較小。