一种简易模拟旋压的数值仿真方法

    旋压加工技术是一种节能优质的先进加工工艺，具有节能、环保等优点，但是由于加工工艺复杂，目前在工业制造中还没有普遍运用。特别是GF6输出支架壳体这类具有复杂的几何结构的旋压工艺技术，目前没有详细的资料，被欧美等一些企业所垄断，这对于我国自行研发该产品的系列具有一定的困难。因此有必要提出一种关于旋压加工虚拟仿真方法以减少该产品研发周期和成本。尽管有限元模拟仿真技术已经在冷加工成型方面得到了广泛的应用，但是与旋压有关的有限元模拟仿真报道很少，特别是本文所讨论的具有内花键的复杂几何结构的模拟仿真还未见报道。本文在旋压加工技术三维模拟仿真的基础上，提出一种简易的数值仿真方法。

1 旋压加工的有限元模型

    旋压加工过程是一个强非线性、大变形的金属塑性加工过程。笔者曾运用Mar。软件进行该产品三维模型的强力旋压加工模拟，但是对于一个运用三维实体单元模拟旋压过程中的强非线性接触问题，划分单元数达到数万个以上，计算时间很长，每次计算要持续几十天时间。而且对计算机的配置要求非常高，可知数值模拟耗费的代价很高，因此有必要寻找一种较为简便的模拟方法。根据文献，采用平面应变的方法近似模拟旋压加工过程。再根据实际观察旋压加工过程和三维有限元模拟计算结果可知，旋转加工的过程，如果忽略加工毛坯旋转加工产生的偏斜率，那么观察毛坯件在沿纵向变形的情况，将是由旋轮对毛坯件产生的向下压力和沿纵向的推力。当用平面应变问题来近似模拟时，滚轮单纯对毛坯件沿纵向截面所产生的作用一面向下压，一面沿纵向推进的加工过程。具体建立有限元模型方法如下。

    采用 ABAQUS软件Expcilit模块，由于只关心毛坯件旋压加工中变形情况，将下模和旋压的滚轮设定为刚体，毛坯为变形体，按照实际加工进给路线设计出刚体滚轮的前进路线。由于旋压零件关于上下对称，因此只考虑其上半部分具体模型，见图1所示。其中，节点总数1039，刚性线性单元280个，可变形平面单元918个。滚轮与毛坯、下模与毛坯的接触面根据实际情况进行定义。

    加工的毛坯材料分别考虑两种材料，即所提供的冷轧钢材和经过热处理后的材料。由于模拟仿真需要用到材料的应力-应变曲线，因此首先将不同的材料在上海材料研究所做实验，得到相应的曲线[8]。然后对两种不同材料状态以及不同形状的加工毛坯进行旋压加工模拟，每次计算时间需要5239min。表1给出的是上海材料研究所所做的材料试验结果。