1 引言

    中國的航空航天事業(yè)經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，從無到有、從弱到強，不斷實現(xiàn)新的歷史性跨越。但隨著社會的進步以及科學技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的導(dǎo)彈研制路線已經(jīng)不能滿足國防工業(yè)的發(fā)展。虛擬制造是率先由美國提出的一種全新概念，被認為是21世紀的全新制造技術(shù)。虛擬制造是實際制造過程在計算機上的模擬，是采用計算機仿真與虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在高性能計算機和高速網(wǎng)絡(luò)的支持下的協(xié)同工作。虛擬制造的最終目標是反作用于實際制造過程，用來指導(dǎo)生產(chǎn)實踐。因此，虛擬制造是實際制造的抽象，實際制造是虛擬制造的實例。

    隨著高精度有限元技術(shù)被成功應(yīng)用于材料加工工藝的研究中，為準確分析旋壓、鈑金沖壓及拉伸等工藝過程中材料的變形規(guī)律以及優(yōu)化成形工藝參數(shù)提供了高效和高精度的數(shù)值方法和手段。有限元模擬對減少試驗次數(shù)和模具費用，提高設(shè)計效率減少開發(fā)周期都發(fā)揮了重大的作用。有限元模擬已經(jīng)成為現(xiàn)代材料加工工藝分析的最重要手段。而Simufact軟件是一款集成眾多成熟非線性的彈塑性有限元軟件，在金屬材料的塑形加上領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。

2 有限元建模

    由于本次旋壓件為直筒形，一般在滿足計算要求的前提下，選取旋壓一小段來建立幾何模型，由局部觀整體。折彎和拉伸工藝相對簡單，變形區(qū)集中在折彎圓角部分以及拉伸圓角部分，影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素較少，鈑金拉伸和折彎完全按照實際建模。下圖1為在Simufact中建立的三維模型。幾何模型也可以直接導(dǎo)入CAD軟件的數(shù)字模型。

在simufact中建立的三維模型 放大圖片

    計算模型按照實際加工過程施加邊界條件。給旋輪施加徑向速度，選擇常剪切摩擦模型進行計算，旋輪圓角半徑R=5mm、旋輪直徑D=250mm。仿真參數(shù)的選擇由粗到細，第一次仿真計算按相關(guān)資料選取范圍內(nèi)的較大值，如轉(zhuǎn)速選取250r/min，摩擦因子選取0.7，進給速度為4mm/s。然后通過仿真結(jié)果，再適當?shù)恼{(diào)整參數(shù)，進行下一步的仿真，直到得出較為合理的工藝參數(shù)為止。

3 仿真結(jié)果分析

    3.1 強力旋壓仿真

    通過對相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，對管坯進行旋壓工藝有限元仿真，圖2(a)為旋壓一段后，坯料中等效塑性應(yīng)變的分布云圖。從圖可以看出，坯料中的最大應(yīng)變已達2.5，坯料中大多數(shù)部位應(yīng)變在1.5左右，且分布均勻，這說明坯料各處的變形均勻：圖2(b)為坯料中等效應(yīng)力分布云圖，從圖2(b)也可以看出，坯料中各處的應(yīng)力分布均勻，這也從側(cè)面反映了坯料各處變形均勻。從圖2(a)和圖2(b)也可看出，坯料旋壓后，沒有出現(xiàn)擴徑，表面毛刺、波浪等缺陷。說明此工藝參數(shù)（芯軸轉(zhuǎn)速約為130r/min，進給速度約為2.5mm/s。）較為合理。

 隆起缺陷是旋壓中最常發(fā)生的缺陷，它主要表現(xiàn)為金屬材料在旋輪前產(chǎn)生堆積現(xiàn)象。雖然旋壓變形時金屬基本上是沿著旋輪向后流動的，但仍然有少量金屬流向旋輪的前方，這與金屬流動時的阻力情況有關(guān)。

    因此，實際的毛坯壁厚和減薄率會產(chǎn)生變化。這種材料堆積缺陷在一定程度下是可以容許的，但是當情況較嚴重時，會產(chǎn)生變形失穩(wěn)，嚴重的隆起往往會造成旋壓件的撕裂等現(xiàn)象。圖3為模擬中進給速度設(shè)定為4mm/s時坯料表面隆起現(xiàn)象．通過模擬發(fā)現(xiàn)，減薄率太大容易引起表面隆起現(xiàn)象，進給比太大也對其有影響。我們可以通過降低減薄率和進給比來抑制它的發(fā)生。

    進給比和芯軸轉(zhuǎn)速是旋壓中比較重要的兩個工藝參數(shù)，這兩個參數(shù)的合理匹配在旋壓工藝的選取中極為重要，在本次仿真分析中，由于在第一次計算中兩個工藝參數(shù)匹配不合理，歸結(jié)為進給比過大，在其后降低進給比后便得到了較好的仿真結(jié)果。圖4為旋壓中進給比和轉(zhuǎn)速匹配不合理所造成的缺陷。當進給速度降低為2.5mm/s時，旋壓出的管材質(zhì)量較4mm/s時有較大改善，因而在后期的方仿真分析中，進一步降低了進給速度，得到了比較合理的工藝參數(shù)。

進給比和轉(zhuǎn)速匹配不合理所造成的缺陷 放大圖片

    通過對不同工藝參數(shù)進行計算機仿真，在計算機上實現(xiàn)虛擬制造，并對計算結(jié)果進行分析，進行試驗驗證，最終得到了合理的工藝參數(shù)。由于在計算機上對生產(chǎn)過程進行再現(xiàn)，極大的減少了物理實驗次數(shù)，減少了樣機試驗階段巨大的人力物力投入，縮短了研制進程。

    3.2 鈑金拉伸仿真

    通過模擬不同壓邊力對拉伸工藝的影響，可以得到合理的壓邊力，從而人量減少工程師進行試驗的時間。而且通過仿真可以預(yù)測不同工況下坯料成形后是否出現(xiàn)缺陷，以及對模具及工藝參數(shù)作出優(yōu)化。

    通過分析不同摩擦系數(shù)下的模擬結(jié)果，可以得到合理的摩擦系數(shù)，從而對實際生產(chǎn)中的潤滑劑選擇起到指導(dǎo)作用。

不同壓邊力相同拉伸深度時坯料X方向位移云圖 放大圖片

    我們可以通過改變工藝參數(shù)的設(shè)置來模擬其它參數(shù)對拉伸的影響，如改變摩擦系數(shù)來確定實際生產(chǎn)中潤滑劑的選擇、改變沖頭速度、坯料加熱溫度、坯料尺寸等，最終得到合理的工藝參數(shù)，得到材料的極限拉伸比，還可對模具進行相關(guān)優(yōu)化。得到合理的模具結(jié)構(gòu)尺寸。

 3.3 折彎仿真

    折彎力在未接觸坯料時為0，接觸坯料后相當長的一段時間穩(wěn)定在一固定值，在變形后期，隨著坯料與凹模的接觸面積增大，折彎力也在短時間內(nèi)急劇增大。這是因為折刀在下行過程中，已經(jīng)運動到下死點，與材料及下模緊密的貼合在一起。如果彎折的角度設(shè)計不合理，很可能導(dǎo)致坯料的回彈量過大而達不到使用要求，我們通過彈塑性有限元仿真可以很好的預(yù)測坯料成形后的回彈量。

    折彎工藝相對前兩個工藝較為簡單，有限元模擬工作量較少。還可以通過調(diào)整彎曲半徑、沖頭下壓速度、彎曲毛坯尺寸及回彈分析來做研究，從而得劍更加合理的工藝參數(shù)及模具結(jié)構(gòu)尺寸。節(jié)省物理實驗的次數(shù)以及每次物理實驗中人力和物力投入。

4 結(jié)論

    通過本次模擬，得出對于厚度為6.5mm的管坯，道次減薄率約為46.2%，厚度減薄到3.5mm，較合理的工藝參數(shù)為：芯軸轉(zhuǎn)速約為130rmin，進給速度約為2.5mm/s。在此工藝參數(shù)下，旋壓仿真出的零件壁厚均勻，經(jīng)測量，壁厚差在0.07mm左右，表面無明顯波紋。而當摩擦因子設(shè)定為0.7或其它較大值時，坯料出現(xiàn)擴徑或表面毛刺等缺陷。因而在實際生產(chǎn)中應(yīng)該保證坯料內(nèi)外表面的光潔及選用合適的潤滑劑。當芯軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為250r/min或更大值時，坯料出現(xiàn)擴徑及橢圓形端口缺陷，當將進給速度設(shè)定為4mm/s時，坯料表面出現(xiàn)隆起，故實際生產(chǎn)中應(yīng)盡量避免使用較高的進給速度且應(yīng)使芯軸轉(zhuǎn)速和進給比在合理的范圍內(nèi)并匹配合理。表1為本次仿真計算不同工藝參數(shù)下的結(jié)果對比分析。