铝合金轮毂拉深旋压成形模拟和试验.pdf

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 - 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