劉光祖，李俊峰，楊延濤,曹學(xué)文,孫于晴

(西安航天動(dòng)力機(jī)械有限公司，陜西 西安 710025)

旋壓是制造薄壁筒形件的有效工藝方法之一。旋壓所得的各類產(chǎn)品精度高，優(yōu)于沖壓加工精度；材料利用率高(最高可達(dá)80%)，損耗低，經(jīng)濟(jì)效益顯著；力學(xué)性能優(yōu)良，經(jīng)過旋壓，材料的強(qiáng)度可提高35%～45%。旋壓加工廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍工等領(lǐng)域[1-3]。

在旋壓加工中，通常將多個(gè)(兩個(gè)以上)旋輪沿工件環(huán)向均勻分布，相鄰旋輪之間沿軸向相互錯(cuò)開，在垂直工件方向上又有不同的壓下量進(jìn)行減薄，這種加工方式就是所謂的多旋輪錯(cuò)距旋壓法。錯(cuò)距旋壓生產(chǎn)效率高，加工過程中能有效避免工件震動(dòng)，產(chǎn)品精度更高[4-6]。

7055是目前7×××系鋁合金中強(qiáng)度最高的鋁合金，具有比強(qiáng)度高，熱加工性能好，耐腐蝕和抗疲勞等優(yōu)點(diǎn)。用7055鋁合金制備的薄壁筒體，滿足輕質(zhì)高強(qiáng)的需求，具有廣闊的應(yīng)用前景[7-8]。本研究利用有限元模擬軟件，構(gòu)建仿真模型，模擬7055鋁合金筒形件錯(cuò)距旋壓的加工方式，探究溫度、減薄率、進(jìn)給比等工藝參數(shù)對(duì)成形規(guī)律的影響。

1 薄壁筒體錯(cuò)距旋壓有限元仿真模型

采用三旋輪錯(cuò)距反旋壓模型，原理如圖1、圖2所示(圖中的t1、t2、t3為減薄量，C1、C2為錯(cuò)距量)。將旋輪和芯模約束視為剛體；運(yùn)動(dòng)方式采用相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即旋輪繞芯模旋轉(zhuǎn)并進(jìn)給，同時(shí)依照線速度匹配的原則旋輪進(jìn)行自轉(zhuǎn)；為簡化模型，不考慮工件與芯模和空氣之間的熱量流動(dòng)。在軟件中導(dǎo)入對(duì)應(yīng)溫度條件下的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)顯式模擬[9]。

圖1 反旋加工示意圖Fig.1 Schematic diagram of reverse spinning

圖2 三旋輪錯(cuò)距旋壓示意圖Fig.2 Schematic diagram of staggered spinning of three spinning wheel

模型中工件的尺寸：內(nèi)直徑200 mm，壁厚10 mm，長300 mm；旋輪直徑200 mm，成形角25°，圓角半徑10 mm；芯模外直徑200 mm，長400 mm。裝配后如圖3所示。

圖3 仿真模型裝配圖Fig.3 Assembly drawing of simulation model

1.1 材料參數(shù)

在仿真的準(zhǔn)備階段，選用鍛造退火態(tài)7055鋁合金進(jìn)行熱壓縮實(shí)驗(yàn)，獲得不同應(yīng)變速率和不同溫度條件下的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖4所示。

圖4 7055鋁合金不同應(yīng)變速率條件下真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.4 True stress-strain curve of 7055 aluminum alloy under different strain rate

7055鋁合金的密度為2 850 kg/m3,不同溫度下的楊氏模量和泊松比如表1所示。

表1 不同溫度條件下7055鋁合金楊氏模量和泊松比Table 1 Young′s modulus and Poisson′s ratio of 7055 aluminum alloy at different temperatures

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

本次模擬只進(jìn)行一個(gè)道次，針對(duì)錯(cuò)距旋壓的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算分析，其中關(guān)鍵參數(shù)如表2所示。不同減薄率條件下各旋輪壓下量安排：減薄率20%(t1=1.0 mm,t2=0.5 mm,t3=0.5 mm)；減薄率30%(t1=1.0 mm,t2=1.0 mm,t3=1.0 mm)；減薄率40%(t1=2.0 mm,t2=1.0 mm,t3=1.0 mm)。其他參數(shù)固定不變，芯模轉(zhuǎn)速為6.283 r/s，旋輪間錯(cuò)距量為C1=C2=4 mm，旋輪成形角為25°，旋輪和工件之間的摩擦因數(shù)為0.08，工件和芯模之間的摩擦因數(shù)為0.12。

表2 參數(shù)模擬方案Table 2 Parameter simulation scheme

鑒于鋁合金旋壓容易產(chǎn)生材料堆積、不貼膜等缺陷，將材料的堆積情況及貼模狀況作為評(píng)價(jià)旋壓效果的標(biāo)準(zhǔn)，溫度、減薄率和進(jìn)給比等都是控制材料堆積的關(guān)鍵參數(shù)。常見的材料堆積及不貼膜缺陷原因及預(yù)防措施如表3所示[3]。

表3 旋壓缺陷分析Table 3 Spinning defect analysis

1.3 網(wǎng)格劃分

工件和旋輪以及工件和芯模均設(shè)置為罰函數(shù)運(yùn)動(dòng)接觸，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用C3D8R六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格類型，使用中性軸算法進(jìn)行掃掠網(wǎng)格劃分，得到的網(wǎng)格更加規(guī)整，便于應(yīng)用ALE(任意拉格朗日-歐拉分析)網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)，在變形過程中網(wǎng)格自動(dòng)調(diào)整形狀和尺寸，避免過度變形使模擬計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生偏差[1,4]。工件的網(wǎng)格尺寸為3 mm，單元數(shù)量為87 600；芯模的網(wǎng)格尺寸為10 mm，單元數(shù)目為4 480；旋輪的網(wǎng)格尺寸為8 mm，單元數(shù)目為3 410。模型的網(wǎng)格劃分如圖5所示。由于使用了減縮積分的單元類型，為避免沙漏現(xiàn)象的產(chǎn)生，對(duì)工件網(wǎng)格進(jìn)行沙漏控制[10-11]。

圖5 模型網(wǎng)格劃分Fig.5 Model mesh generation

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 模型可靠性分析

本文對(duì)錯(cuò)距反旋壓過程采用動(dòng)態(tài)顯式算法模擬，模型網(wǎng)格數(shù)量較多，仿真過程引入質(zhì)量縮放因子為100 000，為了保證模型的可靠性，從能量角度進(jìn)行驗(yàn)證。常用的方法是構(gòu)建工件的動(dòng)能/內(nèi)能(Kinetic energy/Internal energy，即ALLKE/ALLIE)比值變化曲線，比值低于5%時(shí)，模擬過程符合準(zhǔn)靜態(tài)條件，模型有效[6]。

如圖6所示，在模擬的開始階段，旋輪剛接觸工件，動(dòng)能/內(nèi)能比值波動(dòng)較大；隨著模擬的進(jìn)行，動(dòng)能/內(nèi)能比值逐漸穩(wěn)定在遠(yuǎn)低于5%的水平，符合準(zhǔn)靜態(tài)模擬，模型是有效的。

圖6 工件的動(dòng)能/內(nèi)能比值隨時(shí)間變化曲線Fig.6 Curve of kinetic energy/internal energy ratio of workpiece with time

鑒于模型的網(wǎng)格采用的是三維八節(jié)點(diǎn)減縮積分單元(C3D8R)，模擬過程中可能出現(xiàn)沙漏現(xiàn)象，沙漏現(xiàn)象是指線性單元本身的積分點(diǎn)數(shù)比單元的節(jié)點(diǎn)數(shù)少，減縮積分單元在單元每個(gè)方向上的積分點(diǎn)數(shù)又會(huì)減少一個(gè)，所以極有可能出現(xiàn)沒有剛度的零能模式，也就是所謂的沙漏現(xiàn)象。評(píng)價(jià)沙漏現(xiàn)象對(duì)模擬準(zhǔn)確性的影響程度，采用的是偽應(yīng)變能/內(nèi)能(Artificial strain energy/Internal energy，即ALLAE/ALLIE)比值變化曲線，比值低于1%時(shí)，說明沙漏現(xiàn)象對(duì)模擬計(jì)算的影響可以忽略，計(jì)算結(jié)果沒有問題；比值在1%～5%之間，證明沙漏現(xiàn)象對(duì)模擬計(jì)算有影響，但計(jì)算結(jié)果仍可以接受；比值在5%～10%之間，說明沙漏現(xiàn)象對(duì)模擬計(jì)算影響較大，需要對(duì)模型做出調(diào)整，比如網(wǎng)格細(xì)化、沙漏控制等；比值大于10%時(shí)，說明模擬過程是不合理的，需要重新設(shè)置參數(shù)[12-14]。

輸出工件的偽應(yīng)變能/內(nèi)能比值如圖7所示。可以看出，模擬過程中，偽應(yīng)變能/內(nèi)能比值迅速降低至5%以下，并處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明本文計(jì)算模型是可靠的。

圖7 工件的偽應(yīng)變能/內(nèi)能比值隨時(shí)間變化曲線Fig.7 Curve of artificial strain energy/internal energy ratio of workpiece with time

考慮進(jìn)一步的網(wǎng)格細(xì)化和沙漏控制，比值還能降到更低水平，但是細(xì)化網(wǎng)格使網(wǎng)格數(shù)量成倍增加，穩(wěn)定時(shí)間增量急劇減小，計(jì)算效率會(huì)有所下降。不同尺寸網(wǎng)格的劃分效果如圖8所示。不同尺寸網(wǎng)格的穩(wěn)定時(shí)間增量如表4所示。

圖8 不同尺寸網(wǎng)格劃分效果Fig.8 Mesh division effect of different sizes

表4 不同尺寸網(wǎng)格的時(shí)間增量Table 4 Time increment of meshes with different sizes

2.2 溫度對(duì)旋壓缺陷的影響

模擬溫度對(duì)隆起缺陷的影響時(shí)，固定減薄率為30%，進(jìn)給比為1 mm/r,模擬結(jié)果如圖9所示。由圖9可以看出，溫度越高，工件材料堆積的現(xiàn)象越明顯。分析其原因,可能是溫度對(duì)材料的軟化作用,材料流動(dòng)性提升,位于旋輪前端的材料容易堆積而產(chǎn)生隆起；結(jié)合工件隆起高度變化曲線，實(shí)際旋壓時(shí)對(duì)該型鋁合金進(jìn)行200 ℃左右的加熱,能有效降低旋壓時(shí)材料過度堆積而產(chǎn)生破壞的可能性。

圖9 工件隆起高度隨溫度變化曲線Fig.9 Variation curve of workpiece bulging height with temperature

2.3 減薄率對(duì)旋壓缺陷的影響

模擬減薄率對(duì)旋壓加工的影響時(shí)，固定溫度為300 ℃，進(jìn)給比為1 mm/r。工件隆起高度隨減薄率變化曲線如圖10所示?？梢钥闯?，隨著減薄率增加，工件材料的堆積隆起現(xiàn)象逐漸明顯。原因是,較大的減薄率意味著較大的變形量,材料的加工硬化導(dǎo)致反旋時(shí)材料向旋輪運(yùn)動(dòng)相反方向流動(dòng)的阻力變大,材料大量堆積而產(chǎn)生隆起。鋁合金的極限減薄率能達(dá)到70%左右[1]，但為了保證工件的尺寸精度和加工效率，實(shí)際生產(chǎn)中單道次旋壓的減薄率控制在30%～40%。

圖10 工件隆起高度隨減薄率變化曲線Fig.10 Variation curve of workpiece bulging height with thinning rate

2.4 進(jìn)給比對(duì)旋壓缺陷的影響

研究進(jìn)給比對(duì)旋壓的影響時(shí)，固定溫度條件為300 ℃，減薄率為30%。由隆起高度隨進(jìn)給比變化曲線(圖11)可以發(fā)現(xiàn)，大進(jìn)給比導(dǎo)致材料隆起高度變大。其原因是大的進(jìn)給比會(huì)使材料的環(huán)向流動(dòng)分量減小，材料更多地沿軸向流動(dòng)，工件易于堆積產(chǎn)生隆起。實(shí)際加工過程中，選擇合適的進(jìn)給比，既能保證工件的加工精度，又能保證生產(chǎn)效率。

圖11 工件隆起高度隨進(jìn)給比變化曲線Fig.11 Variation curve of workpiece bulging height with feed ratio

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)有限元模擬所得結(jié)論，選用江蘇豪然生產(chǎn)的噴射成形7055鋁合金筒形毛坯進(jìn)行旋壓工藝實(shí)驗(yàn)。旋壓采用三旋輪錯(cuò)距熱反旋，加熱方式采用乙炔-氧火焰槍局部烘烤，全程使用激光測溫儀進(jìn)行溫度監(jiān)測，減薄流程為10 mm→6 mm→4 mm→2 mm，預(yù)期壁厚2 mm。質(zhì)量指標(biāo)：壁厚差為±0.20 mm，直線度為1.5 mm，圓度為2 mm。具體旋壓所用工藝參數(shù)如表5所示。各道次三個(gè)旋輪的壓下量如表6所示。

表5 旋壓工藝參數(shù)Table 5 Spinning process parameters

表6 各道次三個(gè)旋輪的壓下量Table 6 Reduction of three spinning wheels for each pass

3.2 實(shí)驗(yàn)過程

首先對(duì)筒形毛坯進(jìn)行精車，確保內(nèi)外表面光滑，起旋端加工出5 mm×30°倒角，方便旋壓加工時(shí)旋輪咬入，最終得到內(nèi)徑200 mm，長度300 mm，厚10 mm的旋壓毛坯。接下來安裝模具，模具外徑199 mm，并對(duì)模具進(jìn)行80 ℃左右預(yù)熱；套裝毛坯并進(jìn)行60 ℃左右預(yù)熱，達(dá)到溫度后開始旋壓；旋壓過程中對(duì)旋壓前區(qū)進(jìn)行補(bǔ)熱，控制溫度在60 ℃～70 ℃，對(duì)成形區(qū)進(jìn)行溫度測量，溫度為150 ℃左右。工藝流程如圖12所示。旋壓加工過程分三個(gè)道次進(jìn)行，下一道次開始旋壓前都進(jìn)行補(bǔ)充加熱，消除部分應(yīng)力，弱化加工硬化效應(yīng)，最終得到旋壓成品如圖13所示。

圖12 加工工藝流程Fig.12 Processing flow

圖13 成品件Fig.13 Finished products

3.3 精度檢測

對(duì)所的成品件的加工精度進(jìn)行檢測，外徑平均值為203.69 mm，壁厚平均值為1.94 mm，直線度為0.54 mm，圓度為0.36 mm。對(duì)比預(yù)期目標(biāo)，壁厚差均為負(fù)值且低于0.20 mm的目標(biāo)值，平均壁厚差0.06 mm，直線度和圓度遠(yuǎn)優(yōu)于指標(biāo)要求，整體成形精度較好。

4 結(jié) 論

針對(duì)7055鋁合金的多旋輪錯(cuò)距旋壓進(jìn)行有限元模擬，著重研究溫度、減薄率和進(jìn)給比對(duì)材料堆積隆起的影響。熱反旋加工實(shí)驗(yàn)所得成品件精度整體較好，研究結(jié)果對(duì)7055鋁合金的強(qiáng)力旋壓工藝有重要指導(dǎo)意義。

1)模型構(gòu)建思路能夠保證仿真計(jì)算的可靠性。動(dòng)能/內(nèi)能比值處在極低的水平，偽應(yīng)變能/內(nèi)能比值能夠穩(wěn)定控制在5%以下，模型有效。

2)溫度、減薄率和進(jìn)給比對(duì)旋壓加工質(zhì)量有重要影響。溫度升高，材料流動(dòng)性好，容易出現(xiàn)堆積；隨著減薄率和進(jìn)給比的增加，材料的隆起高度也增加。

3)7055鋁合金的熱反旋加工精度較好。有限元仿真及旋壓加工實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)今后的工藝探索有重要參考意義。