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通过传统的旋压过程实现单、双通过的数值模拟
1摘要
由于金属旋压过程的复杂程序,最近在流程的分析上正朝着数字技术发展。
这些数值技术,例如有限元模拟,使研究的参数不能很容易地直接测量,如瞬态应变和应力。
另外,它允许一个预测的动态不稳定性可用于控制和实现更好的产品质量。
在这个调查中,动态显示有限元模型通常用来模拟通过传统旋压过程的单、双道,初始模型与已发表的实验数据进行验证,表现出良好的相关性。
各种各样的旋轮式送料率、旋轮传递和旋轮配置被模拟,旋轮式送料率对轴向力、径向力和厚度应变的影响就被建立起来,旋轮传递和旋轮配置对轴向力和厚度应变的限制也会被研究。
关键词传统旋压法有限元分析有限元分析/显示负载率比例双道旋轮配置
2引言
在传统的旋压中,一个圆形的薄板是由一个旋转心轴和尾顶夹紧,薄板通过这旋转心轴的旋转运动逐渐成形,这个旋转运动产生了一个局部的压力和在薄板外表面的轴向移动从而形成一个对称的产品。
金属旋压是其中一些柔性薄板的成形过程,即板料变形通过在变形薄板和成型工具的局部接触区的增量地传递。
近年来对薄板金属旋压的研究的注意力增加,主要是由于在交通工业中的部分需求的增加[1]。
在这些工业中的这种趋势旨在生产零件以制造具有很高的力量重量比率和低成本,对于轴对称组件的旋压过程在获得这些特性是很有效的。
这是一个相对成本较低的旋压工具和固有的灵活性,这个过程有助于快速改变以制造不同的几何图形的组件。
薄板金属旋压有各种各样的广泛应用,包括部分汽车和航空航天工业、音乐仪器、艺术品和厨具。
这些零件的一些典型示例是飞机引擎和涡轮机、雷达反射镜、卫星鼻锥和家用餐具的组件,通过旋压生产的产品的直径范围从0.003米到10米,厚度范围从0.4毫米到25毫米[2]。
尽管数值模拟技术在模拟金属成形过程的广泛使用,当与实验成果相比时它仍然很少用于薄板旋压,这主要是由于数值计算的复杂性与工具和工件局部的接触,这就需要一个完整的三维模型来模拟这个过程,然而这些问题不再存在的一个主要障碍是现代商业有限元软件和高功率的计算设施可以克服这些问题,它现在可以完成全三维仿真的过程,包括非线性几何 和材料的影响,比一个实验评估更快。
最重要的要求是任何数值模拟都要确保材料数据、刀具运动、表面相互作用和润滑条件准确地再现模型以提供实事求是的过程数据。
数值建模方法可以成为一个非常有效的工具,从实验观察来看,通过提供一个详细深入的薄板变形特性以减少工具设计的成本和制造的开发时间是不明显的或者可得到的,这个过程的计算机模型允许重要工艺参数如加料速度、润滑、工具设计和工件材料的系统研究的影响。
传统的旋转的造型使用多畴的有限元(FE)模型被奎格利和莫纳亨提出[3],这个调查的主要动机是通过共享的计算机需求的有限元模型,在计算机数量称为域之间解决整个模型以减少仿真时间,他们得出的结论是,使用多域有限元模型将鼓励增加渐进成形过程的模拟。
刘[4]通过应用LS-DYNA动力显示有限软件模拟多路和死少的传统旋压,如果薄板材料在此过程中有足够的刚度保留形成的形状,工具成本比一个特定旋转芯棒低,死少传统旋压和多路可以有效的应用。
刘应用不同的滚筒类型、元素数据和自适应网络控制组合,而元素大小主要是由网格厚度决定的,刘认为薄板的元素大小必须小于工具的元素大小以确保一个在他们之间有联系的合理模型。
龙和汉密尔顿[5]为使用有限元分析/显示式的圆柱形杯子开发了一种三维有限元模型,他们提出了应变分布在三个垂直的方向,即厚度、箍、径向方向。
对于传统的旋压过程,径向应力分量导致物质沿着芯棒流在轴向方向,引起过薄的板,然而,这个薄是厚度补偿所引起的箍压应力。
他们表明,径向应变的大小大于级箍应变才导致了结果的这种差异,即一个薄的旋转部分发生在芯棒的圆角附近。
汉密尔顿和龙[6]在显示有限元模型中应用不同的负荷率定标值和质量缩放因子以减少仿真时间。
他们得出的结论是,这两种技术演示了一个在可接受精度内显著减少仿真时间。
这些有限元调查都与圆柱形杯子几何图形的旋转有关,其中组件几何图形也一直被认为是用来解决特定的问题,例如詹等[7]为锥旋转构造一个有限元模型以分析在形成力量上进给速率的影响。
他们得出的结论是,随着进给速率的增加所有的力组件都增加除了形状和尺寸精度减小。
钱等[8]人用薄壁壳内肋旋转的有限元模型使用ABAQUS有限元软件以分析回弹的旋转产品。
在删除工具但有均匀分布的残余应力回弹后,他们发现在产品几何上的一个明显变化,他们得出的结论是,有限元模型考虑弹性变形对研究变形机制是非常有用的,可以用来确定正确的工作参数和分析工件的回弹。
许多以前的有限元模型工作旨在研究在过程中压力和拉力的产生和调查减少仿真时间的方法,其他的调查集中在一个特定的旋压产品,目前在这里的调查,一个为单作用和双通传统旋压过程的通用动态显示有限元模型被开发,曾经常常用来研究旋轮式进给率在圆形柱杯旋转期间对轴向力、径向力和厚度的影响,另外,它表明了使用额外的通路和不同类型的旋轮的轴向力和以前并没有被认可的厚度应变。
3显式动力学有限元模型
在这个调查中,商业有限元分析/显示软件[10]是用来模拟传统旋压过程的,明确的代码是使用一个中央差分法整合运动方程显式通过时间,在每个增量中,初始运动条件是用来计算运动条件下的下一个增量,节点加速度(u)可以计算基于动态平衡开始的时间增量(t)见方程式1[10]。
其中(M)是节点质量矩阵,(P)是外部应力矢量,(I)是内部元素应力向量。
因此,不需要解联立方程,在任何节点的加速度只有通过它的质量和净作用力决定。
从理论的加速度上讲,速度(u)和位移(u)是通过每个时间增量(∆t)“显式”的,见方程式2和3[10]。
为了获得准确地结果,在加速过程中时间增量(∆t)必须非常小以使加速度近似于常数,随着时间增量减少,分析需要一个不可接受的增量数值和计算时间,为了减少计算时间,“负载率比例”或“质量缩放”可能被引入。
这两种技术显示在加工时间与接受能够计算精度显著减少[6,8,11],在传统旋压中,负载率比例通过增加旋轮线速度降低了仿真时间和为了维持指定的进给速率通过统一因素降低了芯棒转速,质量比例通过增加材料密度降低了仿真时间,无论是负载率比例或大规模扩展必须设置太大(这可能导致惯性力量主导)因此影响计算精度。
4数值模型的传统旋压过程
如前所述,传统旋压涉及到一个圆形薄板被一个旋转心轴和尾顶夹紧的成形,这个薄板是在旋转心轴上通过滚筒的运动在薄板的外表面产生一个局部压力和轴向移动而逐渐形成的。
这里有一个例子,芯棒的直径为118毫米,用200rpm恒转速旋转,把一个原始直径为192毫米,厚度为3毫米的铝薄板附加到心轴上,尾顶直径为112毫米。
在有限元模拟的开始,尾顶推动带有一个100KN的小恒定负载的单前锋芯棒以保证薄板在单芯棒和尾顶之间的安全,因此,薄板和尾顶将有相同的芯棒速度,这个薄板通过三种不同情况下(A,B,C)的传统旋压过程被旋压成一个内部公称直径为118毫米的圆柱杯。
如表3—1所示:
情况A调查了在单通路旋转下加料速度的影响,情况B是介绍了一个第二通路在此过程中的影响,情况C检查了在第二通路中改变辊几何的影响。
芯棒、薄板和1型旋轮的几何形状和尺寸取自夏等[12],这些条件也被刘[4]和龙、汉密尔顿[5]在另外两个调查中被提出了,2型旋轮的直径取自刘[4],支架直径取自龙和汉密尔顿[5],这些细节都显示在图4—1。
表3—1不同情况下模拟和相应的工艺条件
条件
A
B
C
旋轮型号
1
1
2
通路编号
1
2
2
进给率(mm/rev)
(0.5-1.0-2.0)
1.0
1.0
转速(r/min)
200
200
200
图4—1几何形状和尺寸的模型
卷筒、尾顶和旋轮式作为刚性材料被建模的,而薄板是模仿作为弹塑性变形使用的材料特性的纯铝(a-1100-o),这种铝的应力应变曲线被描述为σ=148ε0。
233,屈服应力为100MPa和厚度密度为2700kg/m3,各向同性弹性假定为杨氏模量70GPa和泊松比为0.3[5],材料数据来自龙和汉密尔顿[5],最初提出的是卡帕科健和施密德[13],热率效果不包括在本模型,库仑摩擦设置为摩擦系数为0.2,在薄板和芯棒之间,尾顶和旋轮之间分别假定为0.5和0.05[5],夏等[12]没有注明他们的实验研究中使用的润滑。
旋轮的惯性被定义为当旋轮与薄板接触时绕其轴线旋转,三维8节点线性六面体元素用于网格的薄板,元素的数量在一个薄板将与芯棒圆角接触的环形区域如图4—2,为了在芯棒和薄板之间提供光滑的接触和提高在这一领域的塑料弯曲变形,在厚度方向的元素数量是2,这是最低限度数量的元素必须正确地再现弯曲变形在芯棒角落没有过度元素失真,总元素的数量是5968,9102个节点。
图4—3显示了有限元模型和组件排列的单次的传统旋压过程,所有的模型进行了Intel®双台核心TM3GHz中央处理器,负载率的几个值被应用于减少仿真时间,最大比例因子21被用来提供一个显著减少模拟时间以维护一个相似的精度的数值结果。
图4—2有限元网格来代表薄板
图4—3有限元模型的单次传统旋压过程
5单和双通过的传统旋压的数值模拟
在不同处理条件扩展数值模拟中有限元和实验结果提供了足够的可信度是可以信任的。
案例(A)扩展了在轴向力作用下对进给率、径向力和包括0.5mm/rev和2.0mm/rev的厚度应变的效果对评估的影响,除了最初的案例1.0mm/rev,情况(B)和(C)分别是两个旋轮通过和两个不同类型的辊的模型,在1.0mm/rev的进给率来评价在轴向力和厚度应变下旋轮通路和旋轮配置的影响。
5.1进给率对轴向力和厚度应变的影响
图5—1—1和图5—1—2显示了进给率对在单通路的传统旋压过程的轴向力和径向力的影响,三种情况显示由于旋轮旋转和薄板变形在组件中会产生相似的变形,在每种情况下,最大轴向力几乎出现在旋轮位移的中间,而最大径向力则出现在程序最后阶段的开口端附近。
总的趋势是,随着旋轮进给率的增加轴向力和径向力也增加。
大部分变形过程中,对于力组件来说,力也会相应增加,当把进给率从0.5mm/rev变到1.0mm/rev远远大于从1.0mm/rev变到2.0mm/rev,这反映在轴向力和径向力的最大值如图5—1—3。
由于进给率的增加,旋轮的单位时间增加从而引起材料体积的变形,这就导致变形所需的能耗增加,因此,旋压的力也会增加。
图5—1—1情况A进给率对轴向力的影响(单通路1型旋轮)
图5—1—2情况A进给率对径向力的影响(单通路1型旋轮)
图5—1—3情况A进给率对最大轴向力和最大径向力的影响(单通路1型旋轮)
图5—1—4所示,由于进给率增加厚度应变一般也会增加,随着旋轮移向开口端,材料将受到径向拉应力和圆周压应力,另外,正如前面所讨论的,提高进给率将导致轴向力和径向力的增加,因此,由于轴向力和径向力的增加,切向压应力将会相应增加,压缩变形和厚度应变将会增加。
在大部分的变形中,在0.5mm/rev和1.0mm/rev之间的厚度变化与在1.0mm/rwv和2.0mm/rev之间的厚度变化相似。
三个曲线都显示厚度应变的下降,0.5mm/rev和1.0mm/rev的情况中是在心轴角落附近的局部,与局部变薄一致。
对于更高的进给速率为2.0mm/rev“薄”区域更加局部化,被分布在距离心轴角10mm的区域。
这是在旋轮前面建立的材料的的结果,但相反,在这个更高的进给速率,旋轮倾向于表面打滑允许材料沿着旋轮滑下,这表明,低进给率的杯形零件可能更容易产生局部的几何缺陷。
图5—1—4情况(A)进给率对厚度应变的影响(1型旋轮单道)
5.2在轴向力和应变分布上旋轮传递的效果
为了提高壁厚的均匀性,推荐采用多通路旋压。
在多通路旋压过程中,在组成部分将被引入许多压应力以获得更均匀的厚度分布,这里以两个双通路旋压为例,情况(B)和情况(C),在第一次通过期间旋轮的轴线与心轴的水平轴线和薄板成45度角,第二次通过期间平行于水平轴(如图5—2—1)。
图5—2—1情况B用相同的旋轮在双通过的传统旋压期间的变形状态(1型旋轮)
图5—2—1显示了在第一次和第二次通过的传统旋压期间的变形状态,第二次通过后,由于单通过旋压冯.米塞斯应力的分布沿着杯子的深度更均匀当与冯。
米塞斯应力分布相比时,如图5—2—2(a)。
图5—2—3所示为轴向力分布的情况(A)和情况(B)。
由于较大的塑性变形和应变硬化效应,第二次通过的最大轴向力比第一次大。
在第一次通过期间,塑性变形发生在围绕心轴圆形角落处,而第二次通过本身的压缩和弯曲变形发生在开口端,如图5—2—4。
对于双通过传统旋压的例子在第一次通过期间有一些塑性变形发生,因此,第二次通过的塑性变形数量并没有在传统旋压单通过所需要的大,故从情况(A)和情况(B)来看,传统旋压双通过的最大轴向力比传统旋压单通过略小。
图5—2—2(a)完全变形杯子的冯米塞斯应力;(b)部分通过杯子与有限元叠加揭示了局部变薄
图5—2—3采用相同的旋轮双通过传统旋压在轴向力下旋轮的传递效果(1型旋轮)
图5—2—4第一次和第二次通过的最大塑性应变分布
情况(C)用2型旋轮的传统旋压双通过过程。
图5—2—5所示为在第一和第二次通过期间的变形区域和冯米塞斯应力分布,几何形状和尺寸来自刘。
图5—2—6所示为情况(A)和情况(C)之间的轴向力比,(C)中的最大轴向力大约为4.6KN,比(A)大,最大轴向力是使用在接触表面有较小曲率的旋轮的结果(2型旋轮),由于使用了2型旋轮,与薄板有更多的接触,这种现象在第二次通过时变得更加明显,如图5—2—5所示这种变形形成于高温。
因此,在第一次和第二次通过时使用2型旋轮的最大轴向力比使用1型小。
2型旋轮的宽度小于1型,故在(C)中旋轮的突出半径药比(B)先与薄板接触,因此,在情况(C)中第一次和第二次通过的最大轴向力要比(B)早。
随着旋轮尺寸的减小,工具的成本降低,但是就需要更强大的旋压机,因此,在选择最佳旋轮几何形状和尺寸时必须仔细考虑。
图5—2—5情况(C)在传统旋压双通过期间使用相同的旋轮的变形状态(2型旋轮)
图5—2—6情况(C)使用相同旋轮的传统旋压双通过在轴向力下旋轮通过的效果(2型旋轮)
这三个过程的比较如图5—2—7,这表明了在厚度应变下旋轮配置和传递的效果,随着通过次数的增加,就会获得更加均匀的厚度,在情况(B)中在心轴角落附近区域的厚度减少比单通过要少,虽然厚度减少要比(C)少,但是由于(B)中旋轮直径小,(C)要比(B)薄。
因此,双通过案例的开口端的厚度要比单通过情况厚,故建议使用合适的旋轮直径的多道旋压过程以获得更为均匀的厚度分布。
图5—2—7厚度应变对旋压传递的影响
1型旋轮的配置被分为两个部分,有半径为45mm的和10mm的,如图4—1所示。
最先与薄板接触的较大半径会分别产生弯曲和拉伸变形当与薄板接触时,较小半径的会产生压缩弯曲当与薄板接触时,这是由夏等发现的,因此,可以认识到在情况(A)中和(B)中的应变分布应该显示类似的趋势,采用相同的旋轮类型两种情况都是一样(1型旋轮)。
2型旋轮的剖面有一个半径为20mm的曲率,如图4—1,在第一次通过与薄板接触时剖面产生弯曲,高温只是产生在当第二次通过与薄板接触时,如图5—2—3的变形区域,因此,如图5—2—7(b),薄板变得更薄且发生在心轴圆角的部分,但是,这里的薄比1型旋轮更加局部,由于薄板随着开口端增厚,厚度会逐渐减少。
6结论
有限元模型对单、双通过的传统旋压过程已经被用来模拟使用ABAQUS/显示的传统旋压,负载率比例被用来减少仿真时间,初始的模型结果通过发布的实验数据显示来比较和验证好的轴向力、径向力和厚度应变,模拟模型表明模拟传统旋压过程的动态显示有限元代码的能力是完全成功的。
该研究结果如下:
·旋轮进给率对轴向力和径向力有明显的影响;
·使用负载率比例因子显著降低了仿真时间,但是,要获得可接受的结果,就要选择这些因素的合理值;
·对于第一个20mm的旋轮位移,这个变形类似于自由弯曲,对于第二个20mm,这个变形类似于拉深,在这之后,变形状态显示为压缩弯曲的特点;
·颈缩发生在心轴的圆角处,结果就是在开口端发生厚度增加;
·随着进给率的增加,轴向力增加到最大塑性变形后开始减小;
·最大塑性变形后,由于接近开口端的厚度增厚径向力进一步增加;
·由于材料加强第二次的轴向力要比第一次大;
·正如发生在传统旋压的第一次通过时的一些塑性变形一样,双道旋压的第二次通过的最大轴向力要比使用单道时小;
·工具的几何尺寸对轴向力和厚度应变有重要的影响,故旋轮直径应该仔细选择。
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