锥筒形件多道次拉深旋压工艺分析及参数选择

1、锥筒形件多道次拉深旋压工艺分析及参数选择族压工艺的合理选杵是保证族氐伐功的重要条件，工艺参数选取合理与否， 对族压件权型质量的影响是很大的。旅压工艺方案的选取包括族压方式的确定、 插压设备的选LL毛坯材料的选择.fl处理、毛坯U寸的计算以及影响们修成 量的铮参数的选收等。一:芝参数选择不能使瓶爪过程不稳定而M观甚至会造 成零件的直接报废。尽管,旋压技术起源较早,但其真正的发展不过最近儿I-年 时间。目前.工艺参数的选呕还没仃一套强仃力的科学理论做支撑.基本上 靠经验进行选收.这就大大的增加旋压工艺设计的周期.从而造成人力、物力 和时何I-.的浪虬 从根本上.制约着貌压技术的发展和应川。数值模拟

2、的H的就是 为合理选抨工芝参数提供仃效依据、衡小选杵的范闱-影响拉深微压的工艺参数 较多，本乾将着重分析其中主要的儿神.包括旋抡的进给率人 主轴转速漏、旋轮 垠状、族粒与芯模之间的间隙&及族轮道次规范等。32毛坯类型的选择和处理毛坯的原始状态对微压件的质量影响较大、毛坯姓理不J能导致制件所 量的下降、甚至报废、因此在选择工艺方案时，成充分考虑E坯的材料类型及处 理方式。共仃高延展率、高断而收孀率fl低加二硬化指数的毛坯材料、将具有更好的 伐型极限刑较宽泛的瓶压安形参数选垠范闱-因此、这类材料能过成形形状较为 复杂的插压制件，同时由于加I一硬化率低，|们修过程中变垠抗力小，对设备的要 求相对较低

3、。本文采K具仲好塑性特性Su 1070铝板材,该材料具有Q好的成形 极限，成形加工过程中变形抗打小，在常温下即可成形所需耍的零件-3.3旋压件毛坯的计算本文研窕的锥-筒形旅压件H寸如图3.1所示。该零件具仃典型的锥形件M筒形 件的特征，计算七坯时:丁将其分为锥形部分也筒垠部分分别计算口重庆大学硕士学位论文图3.1零件图Fig.3.1 Drawing of part根据拉深旋压壁厚减薄程度的大小，其毛坯的计算方式有两种：一是，对于 不发生壁厚减薄或壁厚减薄可以忽略不计的旋压件，可按照表而积相等的原则进 行毛坯的计算。另一种是，对于旋压过程中有明显的壁厚减薄的旋压件，其毛坯 尺寸可依照休积相等的原

4、则进行计算O由于本文研究的锥-简形零件所用材料为软 质材料1()70铝，在道次成形过程中极易出现局部金属的受迫流动，从而出现局部 的壁厚变化。因此，本文中将采用休积相等原则来进行坯料尺寸的计算。通过在 三维造型软件PRO/E中造型并计算出零件休积为：V=46()27.82 mm通过休积相等 原则可计算出，所需厚度为2 mm的平板毛坯直径约为Do=171.1814mm,考虑部分 预留的加工余量，初步取毛坯直径Do=180mm03.4锥-筒形零件旋压成形过程中应力应变状态锥-筒形件旋压成形过程中，毛坯所受应力、应变状态分布大致可分为5个部分: 锥顶平台区域凯旋轮进给后方已变形区域8、旋轮接触的变形

5、区域C、旋轮进给前 段区域D以及待变形区域矿图3.2显示了锥-筒形件在某道次旋压过程中的某一时刻 毛坯不同区域所承受的应力和应变状态。其中径向应力和应变用队和表示，切 向应力应变用？和上表示，轴向应力和应变分别用改和弓表示。A区：该区域通常被称为死区，在成形过程中厚度基本保持不变，径向材料流 动也较小。主要受到径向拉应力、切向拉应力受到芯模和尾顶的压力作用，受轴 向压应力a ,径向拉应力和切向应力a的作用。8区：该区域为已变形区，随着旋轮的进一步进给，该区域在轴向拉应力气的 作用，产生轴向的伸长和径向的厚度减薄。c区：该区为主要变形区，在旋轮的作用下发生弯曲变形，承受径向压应力、 轴向拉应力&

6、和切向压应力u的作用。该区材料主要产生径向的拉伸和厚度的减 薄。图3.2拉深旋压过程中成力应变状态Fig.3.2 The stress and strain slate during spinning。区：该区主要受到径向压应力J、轴向拉应力改和切向压应力气的作用。 在旋轮进给过程中受到旋轮压迫，使坯料尽量被碾平。该区的材料与旋轮型而接 触，在旋轮进给作用下受压迫而出现被碾平趋势。区：该区为待变形区，此时无应力状态。3.5旋压工艺参数分析及选择3.5.1旋轮的形状旌轮在形状方而对旋压过程的形响主要体现在旌轮的直径、旌轮的厚度以及 旋轮的圆角半径方而。图3.3为LI前用于普通旋压比较常用的儿种旋

7、轮形状本 文模拟所选用的旋轮形状为图3.3 （c）所示。(a)(b)(c)(d)(e)(f)（a）标准旋轮（b、c）多道次拉深旋压用（d）旋压缩口用（e）精整用（f）卷边用图3.3普旋所用旋轮的形状Fig.3.3 Rollers figure of the conventional spinning据资料显示旋轮直径和厚度对旋压过程的形响不显著，但旋轮的圆角半径 对旋压过程的影响却非常明显，旋轮圆角半径，越大，毛坯与旋轮行进前方的接触 区域越平缓，有利于金属的流动，从而使工件不容易产生起皱、壁厚减薄过快、婶颈等现象、萩得的工件表liii光洁度较虹；但由于接触而积相对较大，跖E 也 增大。若过小

8、.虹族轮小坯料接触区域陡峭不利于金属流动.z现醛厚减薄过 大.材料在微抡行经前方容易堆积.严重时会I现坯料拉裂的现象。封简单拉深 微压而育、在能确保正常权型的情况I。族粒的园帝半径应尽量选杵大些、以求 萩得敖好的表liii质虽也光洁度。但在寥道次技深揪压中，为确保后续律道次问 坯料不出现起皱、失梅等缺陷、往往希望在哉心过程中H现环节、即在族轮牝进 的圆角半径前端H现轻微的坯料隆起。隆起的坯料会随着询轮的继续进靖、逐惭 消失。故名道次族压瓶抡的选择原照是在保证能门现环节的前提I、尽量选择圆角 半径偏大的族抡较好。表王1为铝、铜等材料在实际立产中族抡圆帝的选择参考。 本文分别选取圆帝半-为8皿、1

9、0 Eg IMinu的族轮来研窕族粒圆帝半径对锥- 筒.股件等道次拉深揪压的影响圳律。表3.1旋轮圆角半径选取实例匚件相料ntki.l Example IUi占口1丘代119 rulhrr* 情壮让代匚件相料300 心50黄铜板3.5.2旋轮进给率族抡的进靖量是指旌正过程中一芯慎旋转一圈.哉抡沿工件母线方向进绘的距 离.迎常用f iini/r ：i表示。它是技深族压过程中较为重要的因素，其数值的选职 与族压件的表而粗槌度、匚寸辩度、瑜压方的大小fl毛坯的减薄率都仃密切的美 系。进给量过大，仃利于插巾件贴膜、但工件容易起皱-进给量过小，虹在也形 终之前E坯与族粒的瓶转接触次数增笏，由于摩擦的存在

10、频繁的接触J能导致 壁部的破裂。对大寥数体心立方晶格的金属材料而言,其进给量订 对具有而心立方晶格的金属材料，进给量-411/0.3-3 tum/r.结合前人研究啊,寥道 次拉深微压的城轮进给率J收到5.0 mni/r，选以进给量分别为0.5 nim/r，I mni/r， l.5mni/r来进行模拟研无 并从成力、应变吊壁厚域薄等角度对其进行分析。333主轴转速主轴转速对旋压过程的影响并不是很显著，但是提高转速，可以改善旋压件 表而的光洁度刑提高、产效率。对于平板类毛坯、高的转速J以提高毛坯的检定 性，% 效的避免坯料讪绿起皱现象-II前对于铝、黄铜刑锌，最大转速何达1500 m/min:对铜

11、利银/最大转速.约为1200 m/rnin:对于钦、最大转速约为900 tn/m in:对钢，最大转速约为450-750 m/min：对不锈钢薄板其转速常取120-300 m/min|I3,o 由此可见硬度低、塑性好的材料，其允许的最大转速越高。这是由于材料塑性越 好，变形越容易，能够在较快的速度下变形。然而，在平板类毛坯旋压成形过程 中，低转速会导致软材料边缘出现严重的起皱现象。对于铝107()这类塑性较好的 材料，在旋压成型时转速的选取不能过低。表3.2给出了常用铝板拉深旋压的转速。 本文结合所选材料和工件形状尺寸，选取转速为600 r/min, 800 r/min, 1000r/min

12、来进行数值模拟以求获得主轴转速对推筒形件多道次旋压成型性能的影响规律。表3.2铝板拉深旋压转速选取参考嘲Fig3.2 The reference of rotating s,)eed for aluminum blank drawing-spinning参数取值范围坯料宜径/(nun)100100-300300-600600-900坯料厚度/(mm)0.51.30.5-1.01.0-2.01.0-2.02.0-4.51.0-2.02.04.5转速/(r/min)1100-1800850-1200600-900550-750300-450450-650250-5503.5.4旋轮与芯模的间隙$芯

13、模和旋轮之间的间隙s rtiiE弦定律或旋压道次决定，它直接影响工艺过程 的质量和零件是精度。锥-简形零件旋压成形过程中，6值选取过大，则毛坯在变形过程中，内表而 受拉严重：6值选取过小，则会导致旋轮进给方向上的金属堆积，使变形抗力增 大，工件变薄严重，甚至被拉裂。因此，在旋压成形锥-筒形件时，须合理的选择 6值。一般情况下，按正弦规律旋压时，6应取工件的壁厚f，但是，在实际生产 中，由于旋压机的弹性变形、仿真系统的液压退让以及旋轮圆角半径的大小和进 给的快慢等会导致工件产生不同程度的弹性回跳，故在实际生产中应取6凹曲线形的运动轨迹旋压效果要优于其他两种类型。目前，在拉深旋压多 道次成形中运用

14、比较普遍的旋轮轨迹线就是凹曲线中的渐升线和圆弧形lili线|如o旋压道次的确定本文研究对象为具有锥形件和筒形件特征的零件，其旋压道次的确定可分别 按照锥形件剪切旋压和筒形件拉深旋压来确定。根据剪切旋压工艺可知半锥 角15。的锥形件能在一个道次中成形。故本文研究中，锥形部分选择一道次成 形。筒形件部分选择等间距渐开线型单向进给的多道次拉深成形，道次间距”8 mm,道次数为5道次。其示意图如3.4所示。图3.4多道次旋压示意图Fig. 3.4 Sketch of multi-pass conventional spinning旋压道次轨迹线的计算本文笫一道次选择成形锥行部分，其轨迹为沿着半锥角为3

15、0和半锥角为 76直线轨迹。运动轨迹较为简单，此处不再赘述。下面着重讲解简形部分渐开 线轨迹的计算方法。图3.5为锥-筒形件筒形部分多道次剪开钱曲线计算关系图：图3.5图3.5渐开线曲线计算关系图Fig.3.5 Sketch of involute curve在gv坐标系下，渐开线方程可表示为：(3.1 )u= R(cos。+0sin) u = R(sinQ-0cos。)(3.1 )式中&为渐开线的基圆半径。由式(3.1)可知，不同的渐开线形状由仰角和 基圆半径R决定。首道次中，仰角和基圆半径R的选取将直接影响到整个旋压成 形质量好坏。据研究表明I：对于铝材这类软质材料，初期道次仰角。的取值范 用介于5()” -80之间，选取过小，将导致工件起皱严重：选取过大，则在后续道 次加工中就容易导致壁部开裂的现象。本文初步选取久=/3。有文献指出网，在 初期道次时可取芯模直径的3.3倍作为渐开线基