毕业设计（论文）带纵向内筋的薄壁筒形件旋压成形过程的数值模拟.doc

带纵向内筋的薄壁筒形件旋压成形过程的数值模拟摘 要旋压工艺作为一种连续的局部逐点变形的塑性加工工艺，可生产出高强度、机械性能优良的精密复杂零件，广泛应用于航空、航天、军工等金属精密加工技术领域。滚珠反向旋压作为旋压技术的一个重要组成部分，它在制造带纵向内筋的薄壁筒形件中，显出了独特的优越性。在实际生产过程中，工艺参数通常按照经验设定，并且需要多次试件，调整参数，才能进行生产加工，很难保证加工质量和生产效率。本文根据有限元理论，在对带纵向内筋的筒形件滚珠旋压工艺特点进行深入分析的基础上，有效地处理了滚珠加载和边界约束等条件，并对坯料、芯模和滚珠进行了模型化处理。建立了符合实际的筒形件滚珠旋压反旋的三维有限元型。通过模拟，获得了滚珠旋压稳态下的金属的流动规律。并获得了稳态变形时的应力和应变各分量的分布图，利用这些分布图解释了滚珠旋压时的变形机理和隆起、扩径、缩径等缺陷产生的原因。在进行旋压模拟过程中，通过调整影响结果的工艺参数，分析各参数对成形旋压力、等效应力和内筋成形高度的影响。为旋压工艺参数的选择和优化提供了依据。关键词：滚珠旋压；纵向内筋；筒形件；有限元法；数值模拟；工艺参数The numerical simulation of spinning deformation of thin-walled tube part with longitudinal inner ribsAbstractSpinning process as a point by point for the local deformation of the plastic processing technology, can produce high strength, excellent mechanical properties of complex precision parts, which is widely used in aviation, aerospace, military and other metal-precision machining technology. Backward ball spinning technology as an important part of it in the manufacturing thin-walled tube part with longitudinal inner ribs showing the superiority of the unique. In the actual production process, the process parameters are set in accordance with the experience and the need to sample several times, adjusting the parameters, in order to carry out production and processing, it is difficult to guarantee the processing quality and production efficiency.In this paper, based on finite element theory,in the thin-walled tube part with longitudinal inner ribs with spinning ball-depth analysis of process characteristics on the basis of the ball to deal effectively with constraints such as load and boundary conditions, and billets, and the ball for core module treatment model. Established in line with the actual ball spinning tube anti-rotation of three-dimensional finite element model.Through the simulation, the ball was spinning under the steady-state flow of the metal. And when the steady-state deformation of the stress and strain distribution of the component, use the distribution of the ball spinning to explain the deformation mechanism and uplift, expanding, necking causes of such defects. During the spinning process simulation, the impact of the results by adjusting the process parameters, analysis parameters on the shape of the rotation pressure and internal stress, such as forming a high degree of impact bars. Spinning process parameters for the selection and provides the basis for optimization.Key words: ball spinning; longitudinal inner ribs; tube; finite element method; numerical simulation; process parameters目 录引 言1第一章 绪论21.1引言21.2旋压的定义及分类21.3旋压成形技术发展概况51.4本文的主要研究内容6第二章 弹塑性有限元基本原理72.1 引言72.2 大变形情况下的应力和应变度量72.2.1应变的度量72.2.2 应力的度量82.3 屈服准则和弹塑性本构关系92.4 有限元求解方程102.5本章小结13第三章 工艺计算与分析14第四章 筒形件滚珠旋压过程的数值模拟154.1 引言154.2多道次拉深旋压有限元模型的建立154.2.2 DEFORM-3D中模型的导入164.2.3 网格划分174.2.4 材料添加174.2.5 接触关系的处理174.2.6 模型定位及运动的加载184.3筒形件滚珠旋压模拟结果与分析184.4 模拟中出现的缺陷及其改进措施244.4.1 椭圆形端口244.4.2表面隆起24结论与展望26致 谢28参考文献29插图清单图1-1 旋压示意图2图l-2 普通旋压示意图3图1-3 流动旋压示意图3图2-1 管坯示意图8图4-1 模型11图4-2 模型的导入12图4-3 网格划分12图4-4 接触关系13图4-5 数据文件的生成14图4-1 成形过程中的等效应力分布15图4-2 成形过程中的等效应变分布16图4-3 成形20%时各方向的应力分布18图4-4 成形结束时各方向的应力分布18图4-9 成形20%时各方向的应变分布19图4-10 成形结束时各方向的应变分布19图4-7 内筋的形成20图4-11 椭圆形端口21图4-9 表面隆起21表格清单表2-1 滚珠旋压的工艺参数7引 言旋压是通过毛坯旋转与施加外力两者联合作用使金属毛坯产生塑性变形一种成形技术。作为一种特殊的塑性加工工艺，旋压加工属于无切屑连续局部回转成形范畴。该工艺具有加工变形抗力小、节约材料、产品质量好等优点，被广泛用于工程机械、航空航天、武器装备制造等领域。筒形件强力旋压是一个复杂的塑性成形过程，加工精度受多种因素的影响，目前国内外还没有形成完整的理论体系，工艺的制定在该领域仍然是一大难题。在实际生产过程中，工艺人员主要通过一些简单的计算公式并结合个人的实际经验，然后进行大量试旋的方法来确定最终的工艺参数。这往往带有很强的主观性和不确定性，不仅提高了对工艺人员经验素质的要求；而且容易导致人力、物力和时间的浪费。进入20世纪90年代以后，随着计算机技术的飞速发展，CAD/CAE已在各类工程问题中发挥着越来越重要的作用和显示出了良好的前景。将CAE用于金属塑性成形问题，可以对金属加工过程的金属流动过程进行分析，从而得出金属的流动规律、应力应变分布、预测金属成形过程中可能出现的折叠、裂纹等缺陷，并通过改变工艺方案和模具结构参数，使工艺设计得到优化。本论文将着重研究将CAD和有限元模拟相结合，基于UG平台，开发强力旋压工艺计算机辅助设计系统，应用DEFORM-3D软件实现带纵向内筋的薄壁筒形件旋压成型过程的数值模拟；从而达到加快旋压工艺制定过程，降低了出现缺陷的机率和提高效率的目的。第一章 绪论1.1引言 塑性加工是利用材料的可塑性完成以成形为主要目的一种制造方法，具有悠久的历史，是制造业的一个重要分支。其具有高产、优质、低耗等显著特点，已成为当今先进制造技术的重要发展方向。工业部门的广泛需求为塑性加工新工艺和新设备的发展提供了强大的原动力和空前的机遇。通过与计算机的紧密结合，数控加工、激光成型、人工智能、材料科学和集成制造等一系列与塑性加工相关联的技术发展【1】，使得塑性加工新工艺和新设备如雨后春笋般地涌现。但是，随着国际市场竞争、知识经济和绿色制造的兴起，作为传统制造业的塑性加工将面临新的挑战，发展先进塑性加工技术已成为时代的需要。现代旋压技术是广泛应用于航空、航天、军工等金属精密加工技术领域的一种先进塑性成形工艺，由于其具有容易实现产品轻量化、柔性化、高效、精密成形制造等特点，已成为小批量、多品种回转型薄壁壳体零件的重要加工方法。目前，国外特别是美国、日本、德国等许多发达国家的旋压技术已日臻完善，不论在设备设计与制造、理论与工艺研究、旋压技术的应用等方面都有很大的发展【2】。我国的旋压技术研究开始于六十年代初期，经过几十年的努力，我国在旋压技术设备研制和旋压工艺理论基础研究方面取得了很多的进展，使得旋压技术应用日益广泛，但仍不能适应我国国民经济发展的需要，特别是在理论研究方面至今仍然是一个薄弱环节，这已成为影响我国高档设备使用效率和旋压工艺进一步推广应用的瓶颈。因此，加强旋压成形技术的理论研究，建立系统的基础性资料，是旋压技术发展中的一项重要课题。1.2旋压的定义及分类旋压是利用旋压工具对旋转坯料施加压力，使之产生连续的局部塑性变形而成形为所需空心回转零件的塑性加工方法。通常是先将金属平板毛坯或预制毛坯卡紧在旋压机的芯棒上，由主轴带动芯棒和坯料旋转，产生连续、逐点的塑性变形，从而获得各种母线形状的空心旋转体零件9。旋压工艺的加工原理如图1-1。图1-1 旋压示意图1 芯模 2工件 3毛坯 4旋轮 5尾顶根据加工过程中毛坯厚度的变化情况，一般将旋压工艺分为普通旋压和强力旋压两大类，详细分类见表1-110-11。表1-1 旋压工艺的分类类 别简 图普通旋压拉深旋压缩口旋压扩口旋压强力旋压剪切旋压筒形件变薄旋压正 旋反旋传统观点认为，旋压过程中毛坯的厚度基本保持不变，成形主要依靠坯料沿圆周方向的收缩及沿半径方向上的伸长变形来实现，其重要特征是在成形过程中可以明显看到坯料外径的变化。旋压的基本加工方式有三种:拉深旋压(拉旋)、缩径旋压(缩旋)和扩径旋压(扩旋)。拉深旋压类似于冲压加工中的拉深变形，将毛坯由板料旋压加工成回转壳体。拉深旋压又可分为简单拉深旋压和多道次拉深旋压，如图1-2所示。扩径旋压是利用旋压工具使空心回转体容器或管状毛坯进行局部(中部或端部)直径增大的旋压成形方法。缩径旋压与扩径旋压相反，是利用旋轮(或摩擦块)将回转体空心件或管状毛坯进行径向局部旋转压缩以减小其直径成形方法。旋压工艺属于板料成形范畴。由于利用局部塑性变形代替了零件的整体变形，它不但可以大幅度降低加工时的变形抗力，降低设备功率，从而降低设备成本，而且可以充分利用毛坯每一部分的变形能力，达到节省原料的目的。旋压工艺在中小批量生产和母线较复杂的回转体零件的生产中较一般冲压加工手段具有更明显的优势。强力旋压简称强旋，又称变薄旋压。该工艺主要依靠坯料厚度的减薄来实现成形，坯料外径基本保持不变。根据变形规律的不同和成形零件形状的不同，强旋又可分为两类:剪切旋压和筒形件变薄旋压，剪切旋压主要用于成形锥形件，筒形件变薄旋压主要用于成形深锥形零件和高精度的长筒类零件【12-14】。变薄旋压工艺利用旋轮对连同芯模一起转动的管状或平板毛坯施加压力，并沿毛坯径向方向进给，使得金属沿径向方向流动，相当于金属在旋压过程中得到了轧制，使制件性能提高，因此该工艺在某些生产领域比切削加工更有应用前途【15】。除了按变形特点进行分类外，旋压还可根据制品形状、材料种类、加工条件、旋轮形状等进行不同的分类。(a) 简单拉深旋压 (b) 多道次拉深旋压图1-2 旋压的分类1.3旋压成形技术发展概况旋压工艺最早起源于我国，具有悠久的发展历史【10-11】。根据文献记载，我国在10世纪初发明了金属普通旋压工艺，开始将金属薄板制成空心回转体零件。直到13世纪，这种技术才传到英国。1840年前后，旋压技术由约旦传到美国。在18世纪60年代末期，德国才出现了第一个金属旋压技术的专利。但是历史上该工艺发展很缓慢，直到20世纪中叶以后，随着工业的发展和宇航事业的开拓，旋压工艺才开始大规模应用于金属板料成形领域，从而促进了该工艺的科学研究与探讨。50年代出现了模拟手工旋压的设备，即出现了液压助力器等减轻手工劳动的装置，60年代又出现了能单向多道次进给的、用电气液压程序控制的半自动高效旋压机以及数控旋压机。这些成就使普通旋压冲破了小批量生产的限制，开始在大、中批量生产中得到应用【16-20】。强力旋压是在普通旋压基础土发展起来的成形技术。第二次世界大战以后，国外强力旋压技术的发展大致分为3个阶段：50年代为强力旋压技术开始应用阶段；60年代为强力旋压技术大发展阶段;70年代强力旋压设备基本完善和定型。随着科学技术的发展，特别是火箭、导弹和宇航技术的迅速发展，旋压技术已在许多国家取得惊人的发展和广泛的应用。近20年来，旋压成形技术发展迅速，主要是高精度现代数控困（NC）旋压机床的不断出现与迅速推广应用，并逐渐向系列化和标准化方向发展。在许多国家，如美国、俄罗斯、德国、日本和加拿大等国已生产出先进的旋压设备，这些旋压设备已基本定型，工艺流程稳定，产品多种多样，应用日益广泛。旋压工艺方法研究方面也取得了一些进展，并且许多国家已将旋压成形工艺应用于工业生产中。但相对于设备研制水平和发展速度而言，旋压的工艺理论研究明显不足，导致实践中缺乏理论的指导【21】。我国旋压技术的发展状况与国外先进水平相比，无论是在产品种类、尺寸精度、设备能力和自动化程度等方面，还是在工艺理论研究方面还都有较大差距。但近20年来取得了较大发展【22-25】，许多产品精度和性能都达到了国外先进水平。一些科研院所研制出了不同型号数控旋压机的控制系统【26-29】。国内许多单位(如北航现代技术研究所、黑龙江省旋压技术研究所)已经研制出数控旋压机，但部分机种仍依赖于进口。为了适应我国工业生产发展的需要，今后应在提高旋压设备的稳定性、先进性(朝着大型化、系列化、高精度、多用途和自动化方向发展)和提高旋压件的成形质量(尺寸精度、形状精度及性能等)以及变形机理研究方面予以充分注意和加强，以便发挥其更大的作用【31】。1.4本文的主要研究内容本文的主要研究内容包括:1. 建立多道次拉深旋压的三维有限元模型，利用DEFORM-3D软件进行旋压过程的有限元模拟。2. 在进行旋压模拟过程中，分析变形过程中应力分布规律。第二章 弹塑性有限元基本原理2.1 引言金属塑性成形是一种非常复杂的三维弹塑性变形过程，既包括物理非线性，又包括几何非线性，而且它的边界条件往往也很复杂。虽然有限变形的弹塑性有限元法求解金属塑性成形问题比较复杂，但是由于能够比较正确地反映客观实际，模拟出包括卸载过程的金属塑性成形全过程，计算变形过程中质点的流动规律、应力应变分布、卸载后残余应力和残余应变的分布，所以近年来弹塑性有限元法在塑性加工领域受到了越来越多的重视，并得到日益广泛的应用。随着塑性力学和有限元技术的发展以及计算机的广泛使用，弹塑性有限元法将拥有更加广阔的发展空间和应用前景。板料的塑性成形过程，实质上是一种大位移有限应变的弹塑性问题。采用小变形理论分析这类问题，计算效率和计算精度都比较差，所以从七十年代开始采用大变形弹塑性有限元法。大变形弹塑性有限元法是基于有限变形理论的弹塑性有限元法，考虑了成形过程中坯料构形的变化，要求在每个时间步中都必须同时考虑单元形状的变化等因素，所以应力应变需要重新定义，本构方程、平衡方程或虚功方程需要按照重新定义的应力和应变表示。正确理解大变形有限元方法原理，有助于建立合理的有限元模型，提高模拟分析的效率和精度。2.2 大变形情况下的应力和应变度量2.2.1应变的度量考虑一个在固定的笛卡儿坐标系内的物体，在某种外力的作用下连续变形，如图2-1所示，用0xi表示物体处于0时刻位形内任一点P的坐标，用0xi+d0xi表示和P点相邻的Q点在0时位形内的坐标，其中左上标表示参考位形所处时刻。在外力作用下物体的位形不断变化。点P和Q在t时刻的位形内的坐标可分别表示为txi，和txt + dtxi 。根据连续介质力学理论，物体位形的变化可看作是从旧空间到新空间的数学变换，新旧坐标可以通过系数矩阵进行转换: ，系数矩阵和由下式求得： ， 若P，Q两点在t时刻位形中的距离用t ds表示，则t ds随时间的变化就是对变形的度量。t时刻相对于0时刻的变形既可以采用物质描述，又可以采用空间描述，于是有两种表示方法:这样就定义了两种应变: 和。前者是Lagrange坐标的函数，称为Green-Lagrange应变张量，后者是Euler坐标的函数，称为 Almansi 应变张量。通常采用前者比较方便。引入位移场，则Green-Lagrange应变张量可表示为:由上式可见，Green-Lagrange应变张量为对称张量。2.2.2 应力的度量 真实应力状态只能在变形后的位形中定义，称为Cauchy应力张量，用表示。由于Green-Lagrange应变张量是在初始位形中表示的，所以要联系应力、应变就需要在变形前的位形中定义当前的应力张量(它是真实应力在初始位形中的映射，因此是虚拟的应力张量)。如图2-2所示，假设t时刻的位形中有一个微元体，tptQtRts为它的一个表面，该表面上的应力为dtT/dtS，假设在0时刻位形的虚拟应力为d0T/d0S，其中0dS和tdS分别是变形前后的微元。0dT和tdT之间的相应关系可以任意规定，在必须保持数学上一致的前提下，通常采用以下两种规定:1)Lagrange规定既规定在初始位形中的虚拟面力的分量和t时刻位形中面积微元上的面积分量分别相等。图2-2 应力的度量2）Kirchhoff规定即假设面力和位形产生同样的变化，因此采用同样的转换系数矩阵。按照上述两种规定和初始位形中微元体的平衡条件，可以分别建立起真实应力在初始位形中的映射应力:其中 0p，tp变形前、后位形的材料密度，其关系如下:2.3 屈服准则和弹塑性本构关系物体内一点由弹性状态进入塑性状态所需要满足的条件称为屈服条件，或塑性条件，在金属体积成形的分析中经常采用Tresca屈服准则和Von-Mises屈服准则。一般认为，后者比前者更接近真实情况。Von-Mises屈服准则可表示为:式中 在本文中，针对板料成形的分析，采用了等向强化模型。在复杂应力状态下，等向强化模型假定加载面就是屈服面作相似扩大，则加载面表示为:式中K表示应变历史即强化程度的参数。对于Mises屈服条件，则K可取由加载面成为有限元分析中一般采用真实应力真实应变曲线来反应材料的硬化特性，常用的应力-应变曲线模型主要包括指数曲线、双线性曲线和多线形曲线。弹塑性材料的本构关系依赖于变形历史，所以其本构张量用于联系应力率(增量)和应变率(增量)。针对小变形问题，弹塑性本构关系比较简单。但是在大变形分析中，由于物体的刚性自转分量不可忽略，采用了物理意义相对不太明确的应力应变表示方法，本构关系就复杂的多。刚性自转不应该对应力和应变增量产生影响，所以本构关系描述中采用独立于刚性自转速率的应力和应变的度量:Jaumann应力增量和变形张量的增量。其中Jaumann应力增量由下式确定:变形张量的增量由下式确定：于是，本构方程可表示为：式中，三维弹塑性本构张量针对大位移、大应变问题，还需将上式转换到描述力平衡方程的参考坐标系中，得到参考t时刻位形的本构张量和。针对T.L.格式有:对于U.L.格式有：式中 ，T.L格式和U.L格式的应变增量； ，T.L格式和U.L格式的应力增量。2.4 有限元求解方程在本文的计算中，考虑到旋压时金属变形过程中的物理和几何非线性，由虚位移原理建立增量形式的有限元求解方程为:其中 系统的整体刚度矩阵； 增量位移向量； 不平衡力向量。在变形过程中，对弹塑性材料来说，物体内按其变形的性质可分为四类区域:弹性区、塑性区(弹塑性区)、由弹性状态到塑性状态的过渡区和由塑性状态到弹性状态的卸载区。对弹塑性变形过程，其总刚度矩阵可表示为:其中 弹性区的单元刚度； 塑性区的单元刚度； 过渡区的单元刚度； 卸载区的单元刚度。若以,，分别表示弹性区、塑性区、过渡区、卸载区的单元体积，则各类区域的单元刚度按下列关系式计算。弹性区：式中，弹性本构矩阵。塑性区：式中：弹塑性区的本构矩阵。其中，过渡区：在计算由弹性状态到塑性状态的过渡区单元刚度时，引入比例因子，如图2-3所示。式中，本次加载的总等效应变增量； 材料屈服时的等效应变； 材料在未加上本次增量载荷仍处于弹性状态时的等效应变。于是，卸载区：不平衡力向量为:其中，式中，和分别代表外载荷向量和内力向量，为体积力向量，为边界载荷向量， 为形状函数矩阵，为应变矩阵。图2-3 过渡区比例因子2.5本章小结本章介绍了弹塑性有限元法计算中物体的构形及变形的描述，大变形情况下的应力和应变的度量、屈服准则、弹塑性本构关系和计算公式，并给出了弹塑性有限元求解方程。第三章 工艺计算与分析图3-1 管坯示意图第四章 筒形件滚珠旋压过程的数值模拟4.1 引言为了对筒形件强旋过程正确地进行计算和模拟，首先应建立一个尽可能符合实际的力学模型，但是力学模型过于复杂会给计算带来极大的不变，甚至无法进行模拟计算。在筒形件旋压时，毛坯随芯模一起做旋转运动，旋轮做纵向进给运动，从而迫使金属通过旋轮与芯模之间的间隙产生径向、轴向和切向的弹塑性变形流动。旋压后的形成轨迹是一个空间螺旋面，旋轮与毛坯间的接触区域是一个旋轮锥面与毛坯螺旋面和圆柱面相惯的空间曲面28，图4-1为正旋筒形变薄旋压加工模型。在这一旋压加工模拟课题中，在建模之前根据实际生产情况，为了获得对生产过程具有真正价值的指导数据，我们按照以下假设进行：（1）定义毛坯材料为弹塑性，芯模与旋轮定义为刚体；（2）忽略因摩擦引起的温度的影响；（3）模拟计算时忽略惯性力的影响；（4）考虑旋轮圆角半径对旋压成形效果的影响；（5）采用单滚珠进行加工模拟。根据以上假设在UG中建立毛坯、芯模和滚珠模型。建模以后以STL文件格式输出。 a) 毛坯 b) 芯模 c) 滚珠图4-1 模型4.2多道次拉深旋压有限元模型的建立4.2.1工艺参数的确定筒形件强力旋压是旋轮不断改变局部加载位置而使毛坯获得塑性变形的成形过程，影响因素很多，这里仅对影响旋压件质量的主要因素进行了分析。模拟中所选用的工艺参数见表2-1。表2-1 滚珠旋压的工艺参数毛坯内径毛坯厚度滚珠直径压下量进给比转 速芯模直径筋 宽筋 深30mm2.8mm19.9mm0.4mm0.6mm/r420r/min30mm2.5mm2.5mm4.2.2 DEFORM-3D中模型的导入打开DEFORM 软件，在新建问题时选择已经建立好的文件夹，进入前处理界面。依次导入毛坯，芯模，滚珠。所导入模型如图4-2。图4-2 模型的导入 4.2.3 网格划分当所需要的模型全部导入后，单击模型列表中的工件，然后点击Mesh 按钮对工件进行网格划分（如图4-3），并预览网格生成情况，如有缺陷重新划分或修补。当材料变形时，网格随着毛坯变形，会在仿真过程中随着材料严重变形单元发生扭曲，为此应进行了网格自适应的设置。从而使网格中的节点能够有序地任意运动，边界上的节点保持在边界上运动，而内部的节点运动使网格扭曲最小化。图4-3 网格划分4.2.4 材料添加只有在完成网格划分之后工件才能添加材料。筒形件材料为LF2，对应材料库的美国标准（AISI）为Al5052。4.2.5 接触关系的处理对毛坯与芯模间的接触问题，将芯模表面节点作为固定点，并将该接触表面定义为被动接触表面，而毛坯内节点为主动接触表面。对于滚珠与毛坯间的接触问题，将毛坯表面视为主动接触表面，滚珠表面定义为被动接触表面。如图4-4所示。图4-4 接触关系4.2.6 模型定位及运动的加载本模拟在建模时模型的相对位置已经建立。在运动过程中，为便于模拟计算，采用芯模和毛坯固定不动，旋轮沿毛坯表面以一定轨迹运动的变形模式。由于不计旋压成形中芯模和毛坯的转动惯量，与实际旋压成形过程是完全等价的。反旋时，旋轮朝毛坯未成形端方向进给，受约束的一端是未成形端，故将未成形端面节点视为固定点。定义滚珠转速为420 r/min，进给比0.6 mm/r。4.3筒形件滚珠旋压模拟结果与分析由成形过程中等效应力应变的分布图（图4-5和图4-6）可以看出，在整个成形过程中，最大等效应力始终出现在滚珠与坯料接触处;在成形初期，等效塑性应变的最大值出现在滚珠与坯料接触处，即成形区。随着成形的进行，向滚珠的后方转移，随着旋压过程的进行，等效应力应变的极值逐渐增大。这主要是因为随着旋压过程的进行，坯料的变形量越来越大，应力应变的极值也不断增大。 a ) 成形20% b ) 成形50% c ) 成形80% d ) 成形结束图4-5 成形过程中的等效应力分布 a ) 成形20% b ) 成形50% c ) 成形80% d ) 成形结束图4-6 成形过程中的等效应变分布从旋压过程中的应力应变分量图可知，与滚珠接触的瞬时变形区的坯料的变形状态为一向受拉，两向受压。整个工件上的材料在各个方向上的详细的变形行为如下: 由相关工艺参数对旋压力的影响规律可知，无论是怎样的工艺参数，筒形件滚珠强力旋压过程中，三向应力分量皆有如下关系径向力>轴向力>切向力。沿切线方向(如图4-7和图4-8)，在整个工件上，已成形区的材料受切向拉应力作用伸长，在滚珠周围的局部区域内，滚珠正下方瞬时变形区的坯料在伸长的同时，拉滚珠后方已成形区域的材料，使这部分材料受拉应力作用，同时压滚珠前方的材料，使其受压应力作用。随着成形的进行，切向压应力和拉应力不断增大，与滚珠接触处始终保持最大压应力值;拉应力区域随滚珠的移动不断前移扩大，最大切向拉应力始终出现在该区域中。由图4-7和图4-8可以看出，在圆周方向上与滚珠接触的坯料受径向压应力作用沿切向和轴向伸长，压滚珠左右两侧的金属，使其受压应力作用，随着旋压进程的增加，这一区域中的压应力值不断增大:在远离滚珠的己加工区域里，工件轴向受拉应力，此应力区域随着滚珠的前移不断正旋扩展。 a）轴向 b）径向 c）切向图4-7 成形20%时各方向的应力分布 a）轴向 b）径向 c）切向图4-8 成形结束时各方向的应力分布由图4-9可以看出，成形前期，滚珠与工件接触处出现了最大切向正应变，滚珠前方出现了最大切向负应变，如图4-9所示;随着成进行，最大切向正应变出现在滚珠的后方已成形区域(图4-10)，随着滚珠的运动不断前移扩大。这是因为随着成形的进行，坯料的壁厚越大，成形区坯料的切向变形更加困难，这使得滚珠后方已成形区域的材料不断的拉应力作用，产生较大的切向正应变。由周向应变图(图4-9和4-10)可以看出，成形前期，工件与滚珠接触的圆周区域在周向产生压应变，己成形区及未成形区的坯料沿周向产生拉应变，随着成形的进行，周向压应变区域向滚珠的后方转移。这是因为滚珠下方的坯料在厚向压应力作用下沿切向伸长，滚珠两边的金属受周向压应力作用由图4-9和图4-10可知，成形前期，滚珠与工件接触处出现了最大径向压应变，而滚珠前方出现了最大径向拉应变，如图4-9所示。随着成形的进行，最大径向压应变转移到了滚珠的后方已成形区域，并随着滚珠的运动前移扩大，滚珠前方拉应变区域及大小都不断减小，如图4-10所示。最大压应变反旋转移是因为随着成形的进行，未成形区的坯料壁厚增大，变形更加困难，滚珠后方己成形区材料受拉减薄，因此该位置处的材料的径向应变增大。滚珠前方拉应变区域的减小是由于凸缘的作用。成形前期凸缘较大，凸缘对应变的影响较大，随着成形的进行，凸缘慢慢减小，凸缘对径向应变的影响也减小。己成形区坯料在整个径向上基本上产生压缩变形，而且随着坯料壁厚的增加，变形量逐渐增大。 a）轴向 b）径向c）切向图4-9 成形20%时各方向的应变分布a)轴向b)径向c)切向图4-10 成形结束时各方向的应变分布4.4 模拟中出现的缺陷及其改进措施4.4.1 椭圆形端口在模拟中发现，旋压件的端口会呈椭圆形。图4-11为模拟时出现的椭圆端口。当模拟刚开始进行时，椭圆形端口并不明显，但随着模拟的进行，端口的椭圆形状进一步加深。主要原因是金属沿轴向流动不均匀造成的。由于带纵向内筋的薄壁筒形件强旋成形时，变形区的金属同时沿径向、切向和轴向流动，因而在旋压过程中，芯模沟槽处的金属一方面向沟槽内填充形成内筋，一方面沿轴向和切向流动。而非沟槽处的金属只沿轴向和切向流动，且摩擦阻力小于内筋处的摩擦阻力。因而沿轴向的变形速度(应变速率)大于内筋处的变形速度(应变速率)，从而形成附加应力，造成端口发生椭圆形畸变。椭圆形端口这一缺陷是变形的客观规律所造成的，因而是无法克服的，在实际生产中，所能采取的措施就是对预制坯给出一定的余量，旋压成形后将端口进行切除。图4-11 椭圆形端口4.4.2表面隆起隆起缺陷是强力旋压中最常发生的缺陷29，它主要表现为金属材料在滚珠前产生堆积现象，如图4-12所示。这种现象说明，虽然旋压变形时金属基本上是沿着滚珠反旋流动的，但仍然有少量金属流向滚珠的前方，这与金属流动时的阻力情况有关。因此，实际的毛坯壁厚和减薄率会产生变化。这种材料堆积缺陷在一定程度下是可以容许的，但是当情况较严重时，会产生变形失稳，严重的隆起往往会造成旋压件的撕裂等现象。道次的减薄率太大，进给比太大等因素都导致隆起缺陷的产生。另外成形角越大，隆起就越高易造成金属的非稳定流动，所以成形角有个上限。铝及其合金属于较软的金属，因此