铝合金轮毂拉深旋压成形模拟和试验.pdf

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第6 2 卷第2 期 2010 年5 月 有色金属 N o n f e r r o u M e t a l s V o L6 2 ,N o .2 M a y2010 铝合金轮毂拉深旋压成形模拟和试验 齐麦顺 燕山大学,河北秦皇岛0 6 6 0 0 4 摘要应用有限元模拟软件A N S Y S /L S D Y N A 对铝合金轮毂拉深旋压成形过程进行三维有限元数值模拟。通过对其成形 过程起关键作用的工艺参数 旋轮直径、主轴转速、旋轮进给率、旋轮运动轨迹 的改变,对比不同工艺参数下变形区应力、应变的 分布规律及对旋压力和壁厚的影响,揭示不同工艺参数对普通旋压成形影响的规律,优化工艺参数。最后根据模拟结果分析旋压 成形过程中出现的缺陷及原因,通过试验验证模拟的可行性。 关键词金属材料;铝合金轮毂;数值模拟;拉深旋压;A N S Y S /L S D Y N A 中图分类号T G 3 8 6 ;T G l 4 6 .2 1.文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 1 0 0 2 0 0 4 0 0 7 铝合金轮毂有质量轻、成本低、强度高的优点, 而且铝有较强的导热性能,可大大延长汽车、摩托车 轮胎的使用寿命,特别是高负载卡车轮胎的寿命。 在铝合金拉深旋压过程中,工件上的塑性区仅 存在于旋轮与毛坯接触区附近的局部区域,而周围 的金属仍然处于弹性变形状态,它只对塑性变形区 起到约束和限制作用。由于旋压过程本身的复杂 性,在实际生产中工艺参数的选择等主要依据经验 而定,同时这种复杂性加深了数值模拟的难度。 根据拉深旋压的变形特点,建立了符合拉深旋 压成形过程的三维有限元模型,对其成形过程进行 了数值模拟,并对数值模拟结果进行分析,进而得出 工艺参数对应力应变分布规律和旋压力的影响。 1铝合金拉深旋压有限元模型的建立 利用A N S Y S 软件平台良好的开放式可开发功 能,运用A P D L 语言建立参数化有限元模型。单元 类型和实常数设置的建立是影响成形模拟精度的主 要因素之一,坯料是变形体采用S O L I D l 6 4 实体单 元。芯模和旋轮在模拟成形过程中假设为刚体,均 采用S H E L L l 6 3B e l y t s c h k o .T s a y 结构薄壳单元。两 种单元都采用单点积分算法。毛坯的材料选用A N . S Y S /L S - D Y N A 中的B I S O 材料模型,即双线性等向 强化模型,材料性能参数见表l 。 收稿日期2 0 0 8 0 5 2 0 作者简介齐麦顺 1 9 6 3 一 ,男,河北武安市人,讲师,主要从事机 械工程方面的教学与研究。 表1 材料性能参数 T a b l elP a r a m e t e ro fm a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i c 铝合金拉深旋压成形模拟为弹塑性有限元三维 数值模拟2 | ,采用双线性等向强化材料模型,对坯 料、芯模以及旋轮采用不同单元进行不同密度的网 格划分。坯料、旋轮和芯模的单元网格划分如图1 所示。 a 一坯料; b 一旋轮; c 一芯模 图1 模型的网格划分 F i g .1 M e s ho fm o d e l s 模拟中将坯料和芯模进行约束,而旋轮作围绕 着它们的周向运动,同时进行轴向和径向进给,即旋 轮的运动轨迹为螺旋曲线。采用普通自动接触,模 型中涉及到两对接触,分别是坯料和芯模之间的接 触以及坯料和旋轮之间的接触。根据实际经验,动 摩擦因数取为0 .1 5 ,静摩擦因数取为0 .2 ,指数衰减 因数取为0 ,粘性摩擦因数取为0 。。为了避免在接 触中产生不必要的振荡,对于薄板成形模拟,可使用 垂直于接触表面的接触阻尼,粘性阻尼因数取2 0 。 万方数据 第2 期齐麦顺铝合金轮毂拉深旋压成形模拟和试验 4 1 在分析的过程中,所采用的主要旋压工艺参数 如表2 所示。在旋轮运动轨迹中,直线和渐开线的 实现是通过调整圆弧半径的大小进行逼近的,当圆 弧半径R 1 0 0 0 0 m m 和R 1 0 0 0 r a m 时形状近似直 线和渐开线,所以是近似直线和近似渐开线。 表2 铝合金拉深旋压数值模拟工艺参数 T a b l e2T e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e ro fd r a w - s p i n n i n g n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 2 模拟过程分析 图2 和图3 是变形初期、中期和末期的等效应 力云图和等效应变云图。 在筒形件拉深旋压初期及中前期时,坯料外表 面旋轮接触区及靠近旋轮接触区稍后方 与旋轮前 进方向相反的方向 和坯料内表面靠近旋轮接触区 稍前方 与旋轮前进方向相同的方向 部位应力最 大,这种受力情况,容易在拉深旋压过程中造成接触 区坯料被拉裂。随着坯料与旋轮接触区距离的增 大,所受应力逐渐减小。然而,在拉深旋压末期,即 旋轮到达坯料口部时,旋轮接触区及后方应力均较 高,所以在拉深旋压末期收缩外径时,较容易造成口 部开裂,须在试验时多加注意,避免旋轮运动轨迹末 端仰角过小,尽量使收缩平缓进行。 整个未靠模拉深旋压过程中,应变主要发生在 旋轮接触区及后方,尤其在离芯模较近的部位应变 始终较大,即坯料主要在此部位减薄。所以拉深旋 压时在这个部位注意降低旋轮进给量,避免坯料断 裂。从末期等效应变云图来看,应变的整个趋势是 变小的,所以壁厚的相对减薄量逐渐变小,在口部坯 料末端减薄量最大。 a 一初期; b 一中期一; c 一中期二; d 一末期 图2 等效应力云图 F i g .2N e p h o g r a mo fe f f e c t i v es t r e s s a 一初期; b 一中期一; C 一中期二; d 一末期 图3 等效应变云图 F i g .3N e p h o g r a mo fe f f e c t i v es t r a i n 万方数据 4 2有色金属第6 2 卷 3模拟影响因素分析M 。5 J 3 .1 旋轮运动轨迹的影响 旋轮轨迹设计是否合理,将直接影响到零件能 否成形和成形精度的高低。模拟选用的轨迹曲线为 直线、圆弧和渐开线,其他工艺参数相同,分别为旋 轮直径D 1 6 0 m m ,主轴转速n 2 0 0 0 r /m i n ,进给率 f 2 m m /r 。 1 旋轮轨迹对应力、应变的影响。拉深旋压 其中一道次终了等效应力和等效应变随旋轮轨迹不 同的变化云图如图4 和图5 所示。从图中可以看 出,渐开线轨迹的成形效果是最好的,等效应力和等 效应变的数值也是最小的,而对于圆弧轨迹无论半 径大小,工件边缘都出现了小波浪,且等效应力和等 效应变数值最大,波动也最大。 a 一圆弧R 1 5 0 m m ; b 一圆弧R 2 0 0 m m ; c 一渐开线; d 一直线 图4等效应力随旋轮轨迹的变化 F i g .4 V a r i a t i o no fe f f e c t i v es t r e s sw i t hr o l l e rl o c u s a 一圆弧R 1 5 0 m m ; b 一圆弧R 2 0 0 r a m ; c 一渐开线; d 一直线 图5 等效应变随旋轮轨迹的变化 F i g .5 V a r i a t i o no fe f f e c t i v es t r a i nw i t hr o l l e rl o c u s 2 旋轮轨迹对旋压力的影响。拉深旋压一道 次终了旋压力随旋轮轨迹的不同,渐开线轨迹所需 旋压力最小,圆弧轨迹所需旋压力最大,直线轨迹居 中。经过分析并且结合成形效果来看,初步可以得 出,在直线、圆弧、渐开线三种轨迹中,渐开线优于其 他两种,最适合旋压使用。 3 旋轮轨迹对壁厚减薄率的影响。旋轮运动 轨迹对壁厚减薄率影响很大,渐开线轨迹的减薄率 最小,圆弧R 2 0 0 m m 的减薄率最大。 3 .2 旋轮直径的影响 选取旋轮直径d 1 4 0 m m ,1 6 0 m m ,1 8 0 r a m 进行 模拟,其他工艺参数相同,主轴转速n 2 0 0 0 r /m i n , 进给率, 2 m m /r ,渐开线轨迹。 a 一直径D 1 4 0 m m ; b 一直径D 1 6 0 r a m ; c 一直径D 1 8 0 r a m ; d 一截面图 图6 等效应力随旋轮直径的变化 F i g .6 V a r i a t i o no fe f f e c t i v es t r e s sw i t hr o l l e rd i a m e t e r 万方数据 第2 期齐麦顺铝合金轮毂拉深旋压成形模拟和试验 4 3 1 旋轮直径对应力、应变的影响。图6 和图7 是拉深旋压其中一道次终了等效应力和等效应变随 旋轮直径不同的变化云图。从图中可以看出,直径 越小等效应力和等效应变的分布越均匀。图7 d 是旋压过程末期旋轮对坯料作用的截图,可以明显 看出,在旋轮接触区及附近等效应力最大,坯料在此 处发生局部塑性变形。, 图8 给出了等效应力和等效应变与旋轮直径的 关系。随着旋轮直径的增大,等效应力和等效应变 的数值呈现减小趋势,但等效应力的数值相差不大, 虽然在直径D 1 4 0 r a m 旋压终了的边缘出现了轻 微的起皱,但因为是中间道次,完全可以在下一道次 中消除,所以从节省生产的经济成本来看,选用小的 旋轮直径比较有利。 2 旋轮直径对旋压力的影响。随着旋轮直径 的增大,轴向旋压力呈现递减的趋势,说明直径小与 坯料的接触面积就小,若要使坯料变形就需要更大 的载荷。 a 一直径D 1 4 0 m m ; b 一直径D 1 6 0 r a m ; c 一直径D 1 8 0 m m ; d 一截面图 图7 等效应变随旋轮直径的变化 F i g .7 V a r i a t i o no fe f f e c t i v es t r a i nw i t hr o l l e rd i a m e t e r 3 旋轮直径对壁厚减薄率的影响。随着旋轮 直径的增大,减薄率大大降低。直径D 1 4 0 r a m 时 减薄率最大,对于壁厚有严格要求的零件来说,选用 小直径旋轮不合适。综合旋压力、应力应变受旋轮 直径的影响和经济的角度来看,选取直径D 1 6 0 m m 的旋轮最为合适。 母 ~ 斟 捌 鬏 舯 图8 等效应力和等效应变与旋轮直径的关系 F i g .8 V a r i a t i o no fe f f e c t i v es t r e s sa n ds t r a i n w i t ht h ed i a m e t e ro ft h er o l l e r 3 .3 主轴转速的影响 对主轴转速n 5 0 0 ,1 0 0 0 ,2 0 0 0 ,3 0 0 0 r /r a i n 进 行模拟,其他工艺参数相同,毛坯直径D 。3 1 3 r a m , 厚度t 。 4 m m ,旋轮圆角半径r 1 5 t u r n ,旋轮直径d 1 6 0 m m ,进给率f 2 m m /r ,渐开线轨迹。图9 给 出了等效应力和等效应变与主轴转速的关系。主轴 转速对旋压过程的影响确实不显著,等效应力和等 效应变基本不随主轴转速的变化而改变。此外,经 分析主轴转速对旋压力和壁厚减薄率的影响都也不 显著。 图9等效应力和等效应变与主轴转速的关系 F i g .9 V a r i a t i o no fe f f e c t i v es t r e s sa n ds t r a i nw i t h s p i n d l er o t a t es p e e d 3 .4 进给率的影响 进给率是影响旋压成形的非常重要的一个工艺 参数,对进给率为0 .5 m m //r ,1 m m /r ,1 .5 m m /r ,2 r a m / r 进行数值模拟,其他工艺参数相同,分别为旋轮直 径D 1 6 0 m m ,主轴转速n 2 0 0 0 r /m i n ,轨迹为渐开 线轨迹。 图1 0 和图1 1 是拉深旋压其中一道次终了等效 应力和等效应变随进给率不同的变化云图。可以看 出,进给率0 .5 m m //r 的成形效果最差,划分的网格 线出现锯齿现象,进给率1 r a m /1 “ ,1 .m m //r 的等效 万方数据 有色金属第6 2 卷 应力和等效应变较2 m m /r 的更加均匀,但从生产效 率的角度看,进给率取1 .5 m m /r 更加合适。此外经 分析,旋压力数值随进给率的增大而增大,壁厚减薄 率随进给率的增大而减小,采用大的进给率有利于 控制壁厚,这样一来同时也能保证较高的生产效率。 3 .5 缺陷产生及分析 在实际生产中,对于铝合金材料的旋压,由于其 旋压拉伸成形极限较一般的钢材差,在旋压过程中 经常容易出现起皱、硬化、减薄等产品质量问题,而 起皱是最普遍的问题,导致缺陷产生的原因主要有 于材料本身的塑性、模具及其道次、旋压工艺参数、 热处理工序等相互之间的匹配性不好等因素∞1 。 a 一进给率f O .5 m m /r ; b 一进给率, 1 m m /r ; c 一进给率, 1 .5 m m /r ; d 一进给率, 2 m m /r 图l O 等效应力随进给率的变化 F i g .1 0 V a r i a t i o no fe f f e c t i v es t r e s sw i t hf e e dr a t i o a 一进给率f - - O .5 m m /r ; b 一进给率, 1 m m /r ; c 一进给率, 1 .5 m m /r ; d 一进给率f _ - 2 m m /r 图1 1等效应变随进给率的变化 F i g .11 V a r i a t i o no fe f f e c t i v es t r a i nw i t hf e e dr a t i o 从数值模拟结果来看还有两种情况容易造成起 皱。一是进给率太大造成的,如图1 2 a 和图1 2 b 所示是进给率为3 m m //r 和4 m m /r 时成形情况, 起皱明显,并且进给率越大起皱越严重。二是旋轮 轨迹不合理造成的,如图1 2 c 所示是圆弧半径R 1 0 0 m m 时的成形情况,坯料收口部分起皱严重。 a - f 3 r a m /r ; b - f 4 m m /r ; C 一圆弧R l O O m m 图1 2 ’起皱的情况‘ F i g .1 2 S t a t u sf o rc r i n k l i n g 4试验验证 基于模拟结果的分析,选取一组理想的工艺参 数,旋轮直径D 1 6 0 m m ,圆角半径r 1 5 m m ,主轴 转速忍 2 0 0 0 f /r a i n ,进给率/ 1 .5 m m /r ,渐开线轨 迹进行试验验证⋯。 试验选用强力旋压机如图1 3 所示,主要技术参 数见表3 。 表3P N C l 0 8 旋压机的主要技术参数 T a b l e3T e c h n o l o g yp a r a m e t e r so fP N C l 0 8p o w e rs p i n n i n gl a t h e 参数数值参数数值 中心距/r a m 1 2 0 0 尾顶行程/r a m4 5 0 顶尖距/m m 4 5 0 0 退料力/k N2 3 纵向旋压力/k N 3 0 退料行程/m m 3 0 0 纵向行程/m m5 0 0 主轴转影 r r e i n “ 3 0 0 3 8 0 0 横向旋压力/k N 3 0 主电机/k w2 0 横向行程/m m 3 0 0 液压站电机/k W l l 尾顶力/k N1 5控制方式P N C /C N C 万方数据 第2 期齐麦顺铝合金轮毂拉深旋压成形模拟和试验 4 5 图1 3P N C l 0 8 强力旋压机 F i g .1 3P N C l0 8p o w e rs p i n n i n gl a t h e 图1 4 是试验的模具图。整套模具由旋压机连 接部分、芯模连接板、旋压芯模、卸料装置和尾顶装 置共五部分组成。对于旋压芯模3 ,其形状决定于 车轮轮辋的形状,试验借用其筒形部分。 图1 4 试验模具 F i g .1 4E x p e r i m e n t a ld i e 图1 5 ’是试验所得的工件图,一共旋压了七道 次,每道次都选用根据模拟结果得到的那组工艺参 数,即旋轮直径D 1 6 0 m m ,圆角半径r 1 5 r a m ,主 轴转速n 2 0 0 0 r /m i n ,进给率f 1 .5 m m /r ,渐开线 轨迹。所得工件成形效果和表面质量都比较好,证 明模拟结果可行。 图1 5工件 F i g .1 5W o r k p i e e e 5结论 1 在拉深旋压初期及中前期时,坯料的旋轮 接触区及附近部位是应力集中区域,随着坯料与旋 轮接触区距离的增大,所受应力逐渐减小,但在拉深 旋压末期,旋轮接触区及后方应力均较高。整个过 程的应变主要发生在旋轮接触区及后方,尤其在离 芯模较近的部位应变始终较大。 2 旋轮直径增大,等效应力、等效应变、旋压 力和壁厚减薄率均有减小趋势。主轴转速对四者的 影响不显著。进给率在0 .5 ~1 m m /r 之间时,等效 应力和等效应变呈递增趋势,大于l m m /r 时呈递减 趋势,旋压力随进给率增大而增大,减薄率随进给率 增大而减小。旋轮轨迹中相对直线和单圆弧轨迹, 采用渐开线最好。 参考文献 [ 1 ] 张涛,林 刚.旋压缩口过程的三维有限元数值模拟[ J ] .锻压技术,2 0 0 1 , 5 2 6 2 8 . [ 2 ] 何艳斌,程秀全.旋压件的成形质量及其控制参数[ J ] .机电工程技术,2 0 0 5 ,3 4 9 3 7 3 9 . [ 3 ] 蔡中义,李明哲,陈庆敏.大变形中摩擦接触问题的数值模拟及应用[ J ] .应用力学学报,2 0 0 2 , 6 1 4 . [ 4 ] K i mSY ,I mYT .T h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t ed e m e n ta n a l y s i so fn o n i s o t h e r m a ls h a p er o l l i n g [ J ] .J o u r n a lo fM a t e r i a l sP r o c e s s i n g T e c h n o l o g y ,2 0 0 2 ,1 2 7 1 5 7 6 3 . [ 5 ] 李玉强,杨合,崔振山,等.工艺参数对多道次拉旋应力应变分布的影响规律[ J ] .塑性工程学报,2 0 0 4 ,1 1 5 1 7 2 0 . [ 6 ] 孙丽丽,聂爱琴,胡小建,等.汽车轮毂旋压成形过程的有限元数值模拟[ J ] .合肥工业大学学报自然科学版,2 0 0 8 ,3 1 4 5 5 2 5 5 5 . [ 7 ] A k k u sN ,K a w a h a r aM .A ne x p e r i m e n t a la n da n a l y t i c a ls t u d yo nd o m ef o r m i n go fs e a m l e s sA I t u b eb ys p i n n i n gp r o c e s s [ J ] . J o u r n a lo fM a t e r i a l sP r o c e s s i n gT e c h n o l o g y ,2 0 0 6 ,1 7 3 2 1 4 5 1 5 0 . 万方数据 有色金属第6 2 卷 S i m u l a t i o na n dE x p e r i m e n to nA l u m i n u mA l l o yH u bD r a w s p i n n i n g Q IM a i s h u n Y a n s h a nU n i v e r s i t y ,Q i n h u a n g d a o0 6 6 0 0 4 ,H e b e i ,C h i n a A b s t r a c t T h ed r a w s p r i n n i n gf o r m i n gp r o c e s so fa l u m i n u ma l l o yh u bi ss i m u l a t e db yt h eF E Ms o f t w a r eA N S Y S /L S D Y N A .B a s e do nt h ea n a l y s i st h er u l eo fs t r e s sa n ds t r a i n ,a n dc o m p a r i s o nt h ei n f l u e n c eo ns p i n n i n gf o r c ea n dw a l l t h i c k n e s su n d e rd i f f e r e n tt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r r o l l e rd i a m e t e r ,m a i ns p i n d l er o t a t es p e e d ,r o l l e rf e e da n d m o t i o nt r a c e t h e nt h ei n f l u e n c el a w so ff o r m i n gp r o c e s si se x p l a i n e d ,a n dt h et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e rcanb e o p t i m i z e d a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t .F i n a l l y ,t h er e a s o no fa l lk i n d so fd e f e c t si sa n a l y z e di nt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o n .T h ef e a s i b i l i t yo ft h es i m u l a t i o ni sp r o v e dt h r o u g he x p e r i m e n t . K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ;a l u m i n u ma l l o yh u b ;n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ;d r a w s p i n n i n g ;A N S Y S /L S D Y N A 有色金属人编中国学术期刊. 光盘版 和“数字化期刊群”的声明 有色金属已入编中国学术期刊 光盘版 ,并加入“中国期刊网”和“万方数据数字化期刊群”, 作者著作权使用费和稿酬包括在印刷版稿酬中,作者若不愿意论文编入中国学术期刊 光盘版 和“万方 数据数字化期刊群”请事先声明。 万方数据
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