内筋参数对薄壁复杂构件旋压材料流动的影响

孙凌燕

（江苏技术师范学院 材料工程学院，常州 213001）

0 引言

金属旋压是一种连续局部塑性成形技术，是先进制造技术的重要组成部分，主要用于空心回转体零件的成形[1]。节能减排的推进使得结构轻量化成为零件设计目标，拓宽了复杂薄壁构件在航空航天和工业领域内的应用。旋压技术具有变形条件好、制品性能高和材料利用率高等特点[2,3]，因此在制造复杂薄壁构件时优先考虑采用该技术。实践证明，旋压技术不仅能够完成构件的成形，而且能保证制件的成形质量和尺寸精度。文献[4]采用多道次复合旋压技术加工出了大型曲母线壁壳体；文献[5]运用反向滚珠旋压实现了带纵向内筋薄壁筒的成形；文献[6]采用旋压技术成形出了带横向内筋的锥形件；文献[7]运用单道次旋压实现了内啮合齿轮的无切削加工。文献[5～7]所成形的薄壁构件均具有类似的几何特点，那就是构件内壁带有环状或直线型的凸突起。这类结构在产品设计中称为加强筋，在产品的减重设计中被大量采用，主要用于增加构件刚度，提高产品质量[8]。

采用塑性成形工艺加工加强筋能保证筋部流线的完整性，既能保证构件的使用性能又能节约材料，但旋压成形过程中，材料的流动极为复杂，尤其是筋部的成形为工艺过程的控制带来了很大的困难。因此文献[4～8] 采用工艺试验与数值模拟相结合的方式对薄壁复杂构件的旋压成形工艺进行了探索，研究了带内筋类薄壁构件成形过程中的材料变形和流动的状况、应力应变分布规律、缺陷成形的机理、旋压力变化规律以及工艺参数的影响规律，为这一类构件的旋压生产奠定了良好基础。文献[8]指出金属充填筋腔时，筋腔口所受应力较大，此处模具也易受损坏，因此研究构件内筋（模具筋腔）参数对材料流动的影响规律有着切实的意义，但相关工作未见报道。

1 研究方法

论文采用数值模拟的方式分析了内筋的成形过程，在此基础上研究了内筋参数对材料流动的影响，以便为构件的设计和成形工模具的优化提供依据。

1.1 数值模拟模型

薄壁复杂构件的旋压成形是材料的三维弹塑性变形，且旋压属于连续局部成形，模拟整个构件的成形需要耗费大量的计算资源；考虑到构件具有回转对称的特性，建模型时仅对三条筋的成形。为兼顾分析精度和分析效率，模型采用辨识度和分析精度较好的八节点六面体等参单元来离散毛坯，并将旋轮与毛坯的相对运动简化成单独的旋轮螺旋式进给，二者的接触采用剪切摩擦模型，摩擦系数为0.1。同时，忽略材料各向异性影响、温度场变化、惯性力影响。所建模型如图1所示，实践证明该模型是合理的，可用于薄壁复杂构件成形的分析[7]。

图1 数值模拟模型

1.2 工艺参数

数值模拟所用材料为08AL，材料的弹性模量E 为221GPa，泊松比γ为0.3，真实应力应变曲线为σ=446（ε+0.01）0.22MPa。成形采用圆形旋轮进行，旋轮直径dr为200mm，圆角半径rρ为15mm；主轴转速n为200r/min，旋轮进给速度f为1mm/r。毛坯厚度为4.5mm，压下量为2.5mm；成形构件的内筋为梯形，为避免内筋强度的明显下降，梯形底角设为10°。其余的内筋参数为：筋高h为2mm，筋长l为25mm，筋底宽b为7.18mm，筋间距w为6.42mm。

2 内筋成形过程分析

如图2所示为薄壁复杂构件成形过程中变形区内的三向应力分布状况。由图2可知，材料的变形集中旋轮加载区（径向应力最大处），变形区材料在径向受压，沿轴向和切向伸长；材料在这两个方向的流动受到周围区域的约束，故变形区材料在切向和轴向也同样受压，变形区内材料处于三向压应力状态，这有利于提高材料的可成形性。同时，旋轮的局部加载，使得三向应力在坯料直径方向呈现出梯度分布；除加载区外，筋腔口是分布应力较大的区域，这与文献[8]的报道一致。

如图3所示为内筋在不同计算步的充填状况。由图3可知，过渡区材料的径向收缩、切向伸长以及筋部材料的径向伸长、切向收缩是内筋成形的主要原因。在类似“镦挤”的变形过程中，材料经历了三个变形阶段：初始阶段（如图3(b)所示），过渡区材料由两侧流入筋腔，初步成形出内筋；基本成形阶段（如图3(c)、图3(d)所示），内筋高度逐步增加，但材料的变形并不均匀；最后阶段（如图3(e)、图3(f)所示），主要完成筋腔角隅部分的填充。从网格的变形状况可以看出，流入筋腔的材料来自于毛坯的内侧，且材料的分流线偏向后成形一侧；由于承受较大的剪切力，接触旋轮的外侧材料在切向呈单向流动状态，且流动速度明显大于内侧材料。材料切向变形不均匀是由材料的应力梯度所致，这将大大增加内筋的充填难度。

图2 变形区的三向应力分布

图3 内筋在不同阶段的充填状况

3 内筋参数对材料流动的影响

3.1 内筋形状的影响

如图4所示为矩形内筋和梯形内筋处的材料变形状况（除底角不同外，二者的内筋参数相同，矩形可视为底角为0）。筋腔充填的过程中，在材料与筋腔壁的接触面上存在着摩擦力，其作用方向与材料的流动方向相反，这是内筋侧壁处存在着较大应变梯度的主要原因（与内筋中部相比）。此外，由图中还可以看出，矩形内筋侧壁的应力梯度较之梯形的侧壁更为明显，且等效应力的最大值也更大。这是因为倾斜的筋腔壁有利于材料的流动，能降低材料的应变梯度。因此，选用梯形内筋可改善成形过程中材料不均匀流动，同时也能保证内筋角隅部位（等效应力最大处）的成形。

图4 不同形状内筋的等效应变分布

图4 内筋处的等效应变分布

3.2 内筋宽度的影响

如图5所示是将内筋宽度b增加一倍(b=14.36mm)，不改变内筋其它参数的模拟结果。与图3对比可以发现，当内筋宽度增加后，角隅处出现了充填不足的问题，但并不明显。充填缺陷是由两个原因导致的。其一，内筋宽度增加一倍，内筋成形所需金属的量也增加了一倍左右；其二，成形过程中，旋轮与坯料的接触面积非常小，当内筋宽度增加到一定程度时，材料的变形行为将发生变化，产生类似剪切的变形，使得充填筋腔的材料减少。但成形内筋在高度方面的变化并不明显，这是因为材料充填通道（筋腔口尺寸）同时也增大了，使得材料更容易流入筋腔，这在一定程度上缓解了材料充填量不足的矛盾，故在内筋成形的最后阶段出现材料不足。因此设计内筋时，要控2.519e-001-1.511e-003-2.549e-001-5.084e-001-7.618e-001-1.015e+000-1.269e+000-1.522e+000-1.775e+000-2.029e+000-2.282e+000制内筋宽度，以防止缺陷的产生。

3.3 筋间距的影响

内筋的成形有赖于过渡区域材料的径向受压和切向伸长，从这个层面是看，筋间距越大，对内筋的成形越有利。但旋压是一个连续局部加压使坯料产生整体变形的过程，材料的变形仅出现在加载区形及其周围很小的范围内，筋间距的增大不会对加载区产生更大的约束，继而影响材料在筋部的变形。相反，当内筋宽度超过某个临界值时，筋部的剪切变形还会导致过渡区域材料的失稳，进而影响构件的后续成形。因此，构件的筋间距不宜过大。

4 结论

本文采用数值模拟的方式就复杂薄壁构件内筋成形进行了研究，研究结果表明：

1）内筋成形过程中材料的流动及其复杂，旋轮的加载方向存在着应力、应变梯度，合理选择内筋几何参数，有助于改善材料流动的不均匀性；

2）不影响构件强度的情况下，宜选择梯形内筋、要控制制件的内筋的宽度和筋间距，以防止成形过程中在筋部出现材料的剪切变形，进而影响成形质量。

[1] 宋玉泉. 连续局部塑性成形的发展前景[J]. 机械工程学报, 2000, 11(Z1).

[2] C. C. Wong, T. A. Dean, J. Lin. A review of spinning, shear forming and flow forming processes [J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2003, 43(14):1419-1435.

[3] 王成和, 刘克璋. 旋压技术[M]. 北京: 机械工业出版社,1986.

[4] 吴统超, 詹梅, 蒋华兵, 等. 旋压间隙对大型复杂薄壁壳体多道次旋压中第二道次成形质量的影响[J]. 西北工业大学学报, 2011, 29(1): 74-81.

[5] 江树勇, 顾卫东, 李春峰, 等. 纵向内筋薄壁筒反向滚珠旋压成形机理研究[J]. 锻压技术, 2008,33(5): 88-91.

[6] 陈飞, 詹梅, 古创国, 等. 工艺参数对带横向内筋薄壁复杂构件旋压不均匀变形的影响[J]. 材料科学与工艺,2010, 18(12)z1: 29-33.

[7] 夏琴香, 杨明辉, 陈家华, 等. 工艺参数对杯形内齿啮合齿轮旋压成形影响的数值模拟研究[J]. 塑性工程学报,2006(4): 1-5.

[8] 武国剑, 薛克敏, 吴昊. 基于节能减耗的铝型材筋板类件精密挤压成形研究[A]; 安徽节能减排博士科技论坛论文集[C]. 2007.