本文利用 ABAQUS 軟件，對鋁合金管進行了旋壓模擬。結(jié)果表明，當(dāng)進給比為 0.25時，旋輪達到穩(wěn)定接觸面積時所用的時間最少，且后面接觸面積波動程度最輕，接觸平穩(wěn)定也相應(yīng)較好；當(dāng)進給比為 0.3 時，旋輪總力達到最大總力所需的時間最短，且達到最大旋輪總力后的平穩(wěn)定最好，且毛坯整體隆起高度最低；對于特定的毛坯直徑，需要選擇合適的旋輪半徑，旋輪半徑過大或者過小均會導(dǎo)致接觸面積的震蕩。

 

旋壓加工技術(shù)作為近現(xiàn)代塑性加工中的一個新工藝，在生產(chǎn)薄壁回轉(zhuǎn)體高精度零件上具有突出的優(yōu)點，已在航空、航天、造船、汽車等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。旋壓作為金屬塑性加工的一個重要分支，具有柔性好，成本低廉的優(yōu)點，且能制造出形狀多樣、尺寸各異的產(chǎn)品，適用于多種金屬材料的加工。

 

有限元軟件 ABAQUS 提供了一個模擬旋壓的平臺，為實際生產(chǎn)帶來了很大的方便，對提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)周期而言具有重要意義。本文通過 ABAQUS 模擬鋁合金管的旋轉(zhuǎn)成型，為薄壁件旋壓提供參考。

 

鋁合金管旋壓有限元模型

網(wǎng)格劃分

芯模和旋輪為解析剛體，單元類型采用剛體單元 R3D4，毛坯為鋁合金，單元類型采用減縮積分單元 C3D8R，如圖 1 所示，一共劃分了 6000 個結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。

 

 

圖 1 毛坯的有限元模型

 

邊界條件

芯模完全固定 6 個自由度，采用反旋工藝，故毛坯的上表面完全固定，兩個旋輪的參考點通過連接器工具與主軸線上的參考點耦合，旋輪的進給參數(shù)通過主軸線的參考點給出，如圖 2所示。

 

 

圖 2 邊界條件加載效果圖

 

材料參數(shù)

芯模和旋輪均為解析剛體不需要賦予材料屬性，毛坯材料參數(shù)見表 1，塑形參數(shù)通過應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)給出，見表 2。

 

表 1 毛坯材料參數(shù)

 

 

結(jié)果分析

應(yīng)力應(yīng)變分析

分別有三條路徑，分別輸出每條路徑下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖 3。由圖可知，三條路徑下，

S11、S22 和 S33 呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，在旋輪與毛坯接觸區(qū)域，三相應(yīng)力均急劇增大，且應(yīng)力存在極大值點，這與實際情況相符合，即旋輪與毛坯接觸的狹小區(qū)域，毛坯受到旋輪的擠壓，應(yīng)力急劇增大，而在接觸區(qū)外，毛坯的可以產(chǎn)生一定程度的回彈，從而將應(yīng)力釋放一部分，即表現(xiàn)為非接觸區(qū)域的應(yīng)力較小的特點；同時可以看到不同路徑下，應(yīng)力曲線重合程度很高，只有稍微的相差滯后，這是由于旋輪是沿螺旋線進行旋壓，周向總會存在差別，也與實際情況相符合。

 

 

 

（c）環(huán)向應(yīng)力 S33

圖 3 軸向三條路徑下的應(yīng)力分布曲線

 

圖 4 為三條路徑下的應(yīng)變曲線，由圖可知，三條路徑下，真應(yīng)變曲線重合程度很好，說明

應(yīng)變沿著周向近似成均勻分布，與實際情況相符合；同時可以看到三相應(yīng)變均存在峰值，并且此時對應(yīng)的應(yīng)力也為最大，即此位置為旋輪與毛坯相接觸的位置，在接觸區(qū)之前，真應(yīng)變值逐漸減小，在旋輪開始旋壓的起始位置，真應(yīng)變甚至為零，這是由于毛坯在旋壓過后，材料發(fā)生了回彈，且越遠(yuǎn)離旋輪的位置，回彈程度越大，在真應(yīng)變峰值之后的小范圍區(qū)域內(nèi)，也存在真應(yīng)變值，這是屬于旋輪與毛坯接觸區(qū)域的正常影響范圍，在未旋壓的區(qū)域內(nèi)，真應(yīng)變值為零，與實際材料未受旋壓的情況相符合。

 

 

（a）徑向應(yīng)變 LE11

 

（b）軸向應(yīng)變 LE22

 

 

（c）環(huán)向應(yīng)變 LE33

圖 4 軸向三條路徑下的應(yīng)變分布曲線

 

進給比分析

本文設(shè)定的進給速度分別為 2mm/s、4mm/s、6mm/s，而芯軸轉(zhuǎn)速分別為 4mm/r、6mm/r、8mm/r，采用控制變量法進行分析，分別以（2mm/s，4mm/r）、（2mm/s，6mm/r）、（2mm/s，8mm/r）、（4mm/s，4mm/r）、（6mm/s，4mm/r）組合，建立 5 個模型進行研究分析，即進給比分別為 0.5、0.3、0.25、1、1.5 進行分析。

 

當(dāng)進給比分別為為 0.5、0.3、0.25、1、1.5 時，它的接觸面積如下圖 5 所示。由圖可知，曲線均呈現(xiàn)初始階段為近似直線后面逐漸趨于平緩，這說明，剛開始旋輪與毛坯的接觸面積是逐漸增加的狀態(tài)，并隨著時間的推移，接觸面積逐漸趨于穩(wěn)定，但存在微笑的波動，這是不可避免的；同時看到，進給比為 1 時，接觸面積開始時增加的速度較小，且最終穩(wěn)定時的接觸面積也是最小的，當(dāng)進給比為 0.25 時，接觸面積開始增加時的增加速率最快，當(dāng)進給比為 1.5 的時候，最終穩(wěn)定時的接觸面積最大，但是波動幅度較大。綜合以上分析，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)進給比為 0.25 時，旋輪達到穩(wěn)定接觸面積時所用的時間最少，且后面接觸面積波動程度最輕，說明接觸平穩(wěn)定也相應(yīng)較好。

 

 

圖 5 不同進給比下的接觸面積

 

當(dāng)進給比分別為為 0.5、0.3、0.25、1、1.5 時，它的旋輪總力如圖 6?？梢钥吹?，進給比為0.25 和 1 時的旋輪總力變化幅度幾乎相同，且旋輪總力波動程度一直都較大；當(dāng)進給比為 1.5 和0.5 時，其旋輪總力變化幅度幾乎同步，但是進給比為 1.5 時的旋輪總力在達到最大總力后一直存在較大幅度的震蕩；當(dāng)進給比為 0.3 時，旋輪總力達到最大總力所需的時間最短，且達到最大旋輪總力后的平穩(wěn)定最好。

 

 

圖 6 旋輪接觸總力與進給比的關(guān)系圖

 

當(dāng)進給比分別為為 0.5、0.3、0.25、1、1.5 時，它的隆起高度如圖 7。由圖可知，毛坯隆起高度在不同進給比情況下，均呈現(xiàn)沿著軸向逐漸增加的趨勢，且當(dāng)進給比為 0.3 時，毛坯整體隆起高度最低；當(dāng)進給比為 0.5、1.5 和 0.25 的時候，隆起高度的變化曲線重合程度較高。

 

資料來源：達索官方