筒形件旋压成形有限元模拟及工艺分析

论文摘要

旋压成形可旋制无缝空心回转体零件,具有变形条件好、产品性能优、尺寸公差小、材料利用率高、产品类别广泛等优点,广泛应用于兵器、航空、航天、民用等金属精密加工技术领域。实际生产过程中影响产品质量的因素很多,各参数之间的合理搭配需要工艺人员在试生产中反复摸索调试。采用有限元数值模拟技术可以降低成本,提高生产效率,为工艺设计和实验研究提供指导。本文以筒形件外旋压和带内筋筒形件内旋压过程为研究对象,基于MSC.Marc元平台,建立了旋压成形过程的三维有限元模型,并分析了其成形机理及工艺参数对成形过程的影响规律。首先,根据有限元理论,毛坯采用六面体单元划分网格,对尾顶、芯模和旋轮进行了模型的离散化,并有效地解决了摩擦接触、边界约束与旋轮轨迹等关键问题。从而建立了合理的筒形件旋压成形有限元模型。基于上述模型,得到筒形件外旋压变形过程中应力场、应变场分布规律。探讨了旋压方式和工艺参数对旋压力及工件质量的影响。针对TC4钛合金的正旋压工艺,研究结果显示：随着减薄率、进给比和圆角半径增加,各方向旋压力均呈增大趋势,径向旋压力增加速率较大；增大成形角,总旋压力和径向旋压力显著减小,而轴向旋压力呈增大趋势。通过模拟,研究带内筋筒形件内旋压成形的基本规律及旋压力的变化趋势。分析了不同减薄率和进给比对金属流动、工件尺寸精度和内筋高度的影响。研究认为：随着减薄率增大,工件尺寸精度降低,内筋高度略有增大；当进给比在较小的范围(小于1.5mm/r)时,增大进给比,外径尺寸精度显著改善,而内筋高度明显减小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 旋压工艺的分类及特点
• 1.3 旋压技术的研究现状及发展趋势
• 1.3.1 旋压技术的发展
• 1.3.2 带内筋工件旋压的研究现状
• 1.4 课题的背景和意义
• 1.5 课题主要研究内容
• 2 有限元数值模拟方法基础
• 2.1 材料非线性本构关系
• 2.1.1 材料弹塑性行为的描述
• 2.1.2 塑性力学的基本法则
• 2.1.3 应力应变增量关系
• 2.2 弹塑性有限元求解列式
• 2.2.1 虚功原理
• 2.2.2 增量方程
• 2.2.3 弹塑性本构方程
• 2.2.4 有限元方程求解
• 2.3 有限元数值模拟技术的研究发展
• 2.4 MSC.Marc有限元软件简介
• 3 筒形件外旋压有限元模拟
• 3.1 筒形件外旋压有限元模型的建立
• 3.2 筒形件外旋压模拟关键技术
• 3.2.1 接触处理
• 3.2.2 摩擦问题处理
• 3.2.3 工艺参数选择
• 3.3 应力应变分布
• 3.4 旋压方式对旋压成形的影响
• 3.4.1 冷旋与热旋
• 3.4.2 正旋与反旋
• 3.5 工艺参数对旋压成形质量的影响
• 3.5.1 减薄率的影响
• 3.5.2 进给比的影响
• 3.5.3 旋轮圆角半径的影响
• 3.5.4 成形角的影响
• 3.6 本章小结
• 4 带内筋筒形件内旋压成形有限元模拟
• 4.1 带内筋筒形件内旋压有限元模型的建立
• 4.1.1 第一道次内旋压模型的建立
• 4.1.2 后续道次内旋压模型的建立
• 4.2 单旋轮内旋压应力应变分布
• 4.2.1 加强筋成形前应力应变分布
• 4.2.2 加强筋成形后应力应变分布
• 4.2.3 旋压力分布规律
• 4.3 双旋轮内旋压应力应变分布
• 4.3.1 第二道次应力应变分布规律
• 4.3.2 应力应变沿不同方向分布规律
• 4.4 工艺参数对带内筋筒形件旋压的影响
• 4.4.1 减薄率对金属流动的影响
• 4.4.2 减薄率对工件尺寸精度的影响
• 4.4.3 进给比对金属流动的影响
• 4.4.4 进给比对工件尺寸精度的影响
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢