超大口径药形罩强力旋压应力应变场有限元分析

曹振鹏，梁嵬，青格勒，孙国昌

（长春理工大学机电工程学院，长春 130022）

超大口径药形罩强力旋压应力应变场有限元分析

曹振鹏，梁嵬，青格勒，孙国昌

（长春理工大学机电工程学院，长春 130022）

药型罩应力应变场的分布规律分析是研究其成形机理的基础和前提。基于ABAQUA/Explicit平台建立超大口径药型罩强力旋压三维有限元模型，通过数值模拟对药型罩强力旋压成形过程应力应变场的分布规律进行了分析，研究表明，药型罩的圆角处和接触区应力值较大，在强力旋压过程中该区域容易破裂，实际生产中应予以关注。

药型罩；强力旋压；应力场；应变场

强力旋压成形过程是尾顶块将毛坯夹紧，芯模带动坯料旋转，旋轮碾压坯料作进给运动，使毛坯连续地逐点地变薄并贴靠芯模而成为所需要的工件，其原理如图1所示。强力旋压的应力状态中压应力起主要作用，在一次旋压中可以允许较大的变形量，生产效率高，产品性能好，材料利用率高、产品成本低等优点，使得其在兵器、航空、导弹和军械等塑性加工领域占有重要地位，且成为制造薄壁回转体工件的主要方法［1］。

药型罩是破甲战斗部中最关键的零件之一，是形成射流或弹丸的主要元件，它的质量对破甲效能有直接影响，目前为止，已发展了多种制造药型罩的技术，如车削、铸造、锻造、冲压等［2］。随着国防事业的不断发展，对药型罩的要求不仅仅限于达到药型罩的外在质量，而对药型罩产品的内在性能以及轻薄化、复杂化、大型整体化提出了更高的要求，车削、铸造和锻造等成形方法不能满足新的要求而被淘汰，由于旋压成形工艺的众多优点在药型罩生产中得到广泛应用，目前已经成为药型罩成形的唯一方法。

图1 强力旋压原理示意图

目前，针对普通大小、单纯的锥形件旋压国内外学者做了大量的研究［3-5］，取得了大量很有价值的研究成果。本文在分析旋压各影响因素的基础上，建立既符合实际生产条件又兼顾高效率、高精度的三维有限元模型，在ABAQUS/Explicit软件平台进行了模拟计算，基于模拟计算结果的分析，获得了超大口径药型罩旋压成形过程中应力应变的分布及变化规律，可为其实际生产工艺方案的制定提供参考［6-7］。

1 有限元模型的建立

本文建立的超大口径药型罩三维有限元模型如图2所示，基于应用价值和计算效率两方面做了假设和简化处理，假设材料为各向同性且不可压缩，即变形前后材料体积不发生变化，旋轮与毛坯摩擦统一由库伦摩擦表示，忽略温度与旋轮自转；省去尾顶的建模，在约束定义时，将毛坯和尾顶接触的部分用tie连接方式与芯摸绑定，使坯料和芯模以同一转速旋转。建模时，芯模和旋轮采用解析刚体，毛坯为可变形，板料采用六面体8节点一次减缩积分实体单元（C3D8R）进行网格划分。为了方便应力应变场各个方向的输出，定义了材料局部方向，其中X为母线方向，Y为径向，Z为周向。

图2 药型罩强力旋压有限元模型

2 模拟结果分析

采用本文建立的超大口径药型罩强力旋压三维有限元模型，研究获得超大口径药型罩旋压过程中旋压件的应力应变的分布与规律。主要计算条件如下：

毛坯如图3所示，直径Φ450㎜，厚度H15㎜，材料为T2紫铜，杨氏模量E为1080MPa，泊松比μ为0.3，密度ρ为8900kg/m3，屈服强度350MPa，模拟仿真模型建立时在保证计算结果精度要求和符合实际工艺的基础上对模型进行了简化，仿真模型的尺寸按比例缩小为实际尺寸的三分之一进行了有限元仿真。

图3 毛坯

超大口径药型罩仿真工艺参数如表1所示。

表1 仿真模型各部件基本参数

2.1 强力旋压过程的应力分布与变化

图4所示为药型罩在成形的25%、50%、75%、100%四个阶段等效应力分布与变化云图。从图中可以看出，旋轮与坯料的接触区始终为等效应力极大值σmax分布区，随着旋轮的进给等效应力极大值区域也随着变动，但是始终为旋轮与坯料接触区，旋轮的前方（已成形区）也有等效应力较大的区域，这是因为旋轮对前方金属具有拉弯作用，拉应力传递到旋轮后方已成形区所呈现的现象。纵观（a）、（b）、（c）、（d）四幅图，等效应力的分布是以两个旋轮的对称面为对称面对称分布的。

图4 等效应力分布

图5所示为取点位置（如图4d）内外侧单元在成形过程三个方向的应力变化曲线图，从图中可以看出，母线方向应力和周向内外侧应力在旋压的开始阶段增长缓慢，始终处于拉应变状态，在成形40%时，应变值出现较大波动，拉压应力一次交替，径向内外侧应力在旋压开始阶段增长迅速，在成形40%时出现较大波动，但始终处于拉应力状态。纵观（a）、（b）、（c）三幅图，在同一时间外侧的应力值是大于内侧的应力值，这是因为应力由外侧向内侧传递的原因。

图5 取点位置三个方向应力变化

2.2 强力旋压过程的应变分布与变化

图6所示为药型罩在成形的25%、50%、75%、100%四个阶段等效塑性应变分布与变化云图。从图中可以看出，等效塑性应变呈环状带分布，在旋压开始阶段，旋轮附近板坯为大变形区，随着旋压的深入大变形区环状带向旋轮后方（已成形区）移动，且大变形区环状带宽度随着成形的继续逐渐增大。在成形的整个过程中等效塑性应变的极大值εmax在逐渐的增大，这主要是因为板料的变形量越来越大，等效应变极值也越来越大。

图7所示为所取路径（如图6d所示）内外侧沿路径真实距离三个方向应变变化曲线图。从图中可以看出，在所选的路径上母线方向和径向内外侧单元都处于压应变状态，而周向塑性应变始终处于拉应变状态。应变值在成形过程中三个方向某一位置波动较大，这是因为坯料在变形中的金属堆积所致。纵观（a）、（b）、（c）三幅图，药型罩成形过程中，内外层单元等效塑性应变在三个方向的分布与趋势几乎一致。

图6 等效塑性应变分布

图7 所选路径三个方向应变变化

3 试验验证

试验完成后得到如图8所示的试验样件，取下试验样件观察没有宏观缺陷、表面完整，有明显的旋压纹路。旋压后进行尺寸的测量，壁厚选取等分的垂直圆周方向的四条母线，如图8的A、B、C、D所示，将四条测量线进行等分并用超声波测厚仪测量壁厚，数据见表2。

考虑到金属材料塑性成形过程中材料具有一定的回弹量，所以在工艺试验中旋轮与芯模的间隙并不等于工件的壁厚，T2紫铜的回弹量较大，理论减薄率较小时，材料变形没有完全达到屈服极限，有部分材料仍然处于弹性变形阶段。因此，旋轮与芯模的间隙设置必须充分考虑材料的回弹量。本试验中旋轮与芯模的间隙设置小于工件理论壁厚（2.5㎜），实际预留间隙为2.45㎜。

图8 质量合格的试验样件

表2 合格工件尺寸测量结果

实验结果：

（1）经旋压后，壁厚由5㎜减薄到2.5㎜，总减薄率50%。

（2）壁厚精度要求2.5±0.05㎜，旋压后，所有测量点的壁厚值都达到精度要求，尺寸精度符合要求。

4 结论

采用ABAQUS/Explicit软件平台建立了超大口径药型罩强力旋压有限元模型，通过模拟结果分析了应力场应变场的分布规律，对相似工件实际生产具有一定的参考意义。

（1）在药型罩的成形过程中，等效塑性应力的极大值始终位于旋轮与坯料的接触区，在旋压的终了阶段工件的圆角附近也达到极大值，说明圆角处在加工过程中容易裂开。

（2）在药型罩的强力旋压成形过程中，外侧三个方向处于拉应力状态，内侧径向处于拉应力状态，母线方向和周向应力状态不明显。

（3）药型罩成形过程中，等效塑性应变一直呈环状分布，在开始阶段应变极大值在旋轮与坯料接触区，随着成形的深入，应变极大值移向已成形区。成形终了阶段应变的极大值环状带分布在工件两端，一条靠近小端，一条靠近旋轮。

（4）药型罩强力旋压成形过程中，母线方向、径向内外侧都处于压应变状态，周向内外侧处于拉应变状态且变化规律与趋势基本一致。

［1］周强，詹梅，杨合.带横向内筋锥形件旋压应力应变场的有限元分析［J］.塑性工程学报，2007，14（3）：49-53.

［2］路平，张云开，陈波.汽车轮辐错距强力旋压成形的有限元仿真［J］.上海交通大学学报，2015，49（1）：56-61.

［3］吴统超，詹梅，古创国，等.大型复杂薄壁壳体第一道次旋压成形质量分析［J］.材料科学与工艺，2011，19（1）：121-126.

［4］陈建华，邓强，马飞，等.大直径薄壁铝合金封头剪切旋压成形研究［J］.锻压技术，2016，41（6）：38-43.

［5］郝继东，刑照斌，秦升学，等.锥形件三维变薄旋压数值模拟［J］.锻压技术，2010，35（3）：80-83.

［6］詹梅，马上官.筒形件旋压有限元分析中芯模和旋轮相对运动的处理方法［J］.精密成形工程，2011，3（6）：107-111.

［7］夏琴香，张帅斌，吴小瑜，等.锥形件单道次拉深旋压成形的数值模拟及试验研究［J］.锻压技术，2010，35（1）：44-48.

Large Diameter Liner Power Spinning
Finite Element Analysis of Stress and Strain Fields

CAO Zhenpeng，LIANG Wei，QING Gele，SUN Guochang
（School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

Distribution of Liner stress and strain field analysis is to study the forming mechanism of the basis and premise.Based ABAQUA/Explicit platform to build large diameter Liner Power Spinning dimensional finite element model，the process of distribution of stress and strain fields through numerical simulation Liner power spinning analyzes，studies show Liner round corner and the contact stress area is large，in the process of power spinning the region prone to rupture，the actual production should be concerned.

liner；power spinning；strain field；stress field

TG306

A

1672-9870（2017）01-0098-04

2016-09-19

曹振鹏（1989-），男，硕士研究生，E-mail：cao_zhp3315@sina.com

梁嵬（1979-），男，博士研究生，工程师，E-mail：Liang811@sina.com