一种多楔带轮旋压成形数值模拟的建模方法

摘要

本发明公开了一种多楔带轮旋压成形数值模拟的建模方法，包括确定旋轮、模具和坯料在空间上的几何位置关系，其中根据工艺模型建立旋轮的运动轨迹，并对坯料进行网格划分以及边界条件设定。完成多楔带轮旋压成形仿真前处理建模并进行数值模拟迭代求解。通过后处理观察粗齿和细齿旋压成形后齿形轮廓，并对比模拟结果与目标零件的齿形轮廓，从而衡量仿真模拟结果的精确性。本发明建立多楔带轮旋压成形数值仿真平台，其兼顾可算性与精确性，可用于指导多楔带轮零件的实际生产，可有效降低生产成本，提高生产效率，缩短研发周期。

说明书

技术领域

本发明属于塑性成形技术领域，涉及一种多楔带轮旋压成形数值模拟的建模方法。

背景技术

随着技术的进步和社会的发展，我国汽车市场急速扩大，百姓对汽车的需求也随着经济的繁荣发展而逐渐旺盛。到2015年，我国的汽车保有量已经达到了6800万量左右，汽车制造业成为我国制造业的重要支柱。同时，为了紧跟经济发展的步伐，我国对汽车制造业提出了更高的要求。要求不断提高汽车零部件的制造水平，提升国产汽车的质量。传统的汽车发动机用齿类零件通过铸造及车削加工成形，该成形方式零件会存在铸造及加工缺陷，且会产生大量切削废料，成品率和材料利用率都较低。除此之外，零件成形过程中未发生塑性变形加工硬化，强度同样是该成形工艺的短板。而旋压技术，这种无切削加工工艺，不仅能够保证汽车零部件在制造成形过程中有很高的强度，同时能保证壁厚均匀，零件符合标准化程度，特别适用于性能好，档次高的各种机动车辆的零部件加工生产。

随着旋压技术应用的日益广泛，旋压技术的发展不可避免的走向几何形体复杂化和加工质量的高精度化，数值模拟的地位越显重要。传统的通过工艺试验获得成形工艺参数的方法已经难以适应现代化生产的需要，数值模拟方法在旋压中的应用，给旋压技术的深入研究提供了有力的手段，同时构建起了理论指导实践的桥梁。但目前，国内外学者对于旋压零件成形工艺的模拟研究大都集中于管材、筒形件和杯形件等形状较为简单的零件。对多楔带轮零件的旋齿工艺数值模拟研究极少，源于其关键技术瓶颈。对于多楔带轮零件旋压成形的数值模拟其关键技术瓶颈主要在于以下两个方面：

(1)建模方法的可算性。多楔带轮零件旋压实际工艺中坯料处于被上、下模合模夹持并带动不断自转，自转过程中，由于坯料上每一网格每一步长都存在相对位置的改变，大大增加了运算量。若一味考虑可算性而通过增大坯料网格减小网格数来降低运算量，又会引起轮槽成形过程中因网格较大无法描述轮槽底部和轮槽顶部成形而产生畸变，导致局部发生破裂或运算停止，无法完成轮槽成形工艺模拟。因此，在保证成形结果一致性的前提下，进行适当的简化，选择合适的仿真平台，建立具有可算性的轮槽成形工艺模型是能否实现多楔带轮轮槽旋压成形的数值模拟的关键技术开发。

(2)运算周期与精度的平衡。鉴于旋压塑性成形是典型的逐点、逐线的极短增量成形过程，其模拟采用动力计算迭代求解。其中，齿形与整体尺寸比相差较大，复杂度却相对极高，因而为精确分析轮槽成形工艺过程中的材料流动需齿形计算模拟精度极高，划分极细网格才能将其得以实现，网格数的增加势必延长运算周期。因此，通过初始网格划分类型、细分方法和计算过程中的网格重划分条件等参数最优设置，平衡运算周期与模拟精度之间的矛盾，既满足精度要求的同时又控制运算周期为可接受范围，是多楔带轮轮槽旋压成形数值模拟的技术难点。

对于旋压零件产品，一个新产品的研发要历经旋轮模具设计、旋压零件试模、检验成型质量、调整工艺参数等一系列繁杂的过程，不仅拖延了产品的开发周期，还增加了制造成本，而且缺乏较准确可靠的定量分析与计算，质量难以保证。因此基于有限元数值模拟软件，建立具有可算性的旋齿工艺模型，并通过初始网格划分类型、细分方法和计算过程中的网格重划分条件等参数最优设置，平衡模拟精度与运算周期是非常必要的。

发明内容

本发明提供了一种多楔带轮旋压成形数值模拟的建模方法，其目的在于，能够在当前的技术水平条件下实现对金属坯料的轮槽旋压成形，并为多楔带轮轮槽旋压成形的数值模拟提供了一种具有可算性且高精度工艺建模方法可用于指导多楔带轮零件的实际生产，可有效降低生产成本，提高生产效率，缩短研发周期。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种多楔带轮旋压成形数值模拟的建模方法，包括以下步骤：

a.确定旋轮、模具和坯料的工艺参数，包括坯料的材料属性，旋轮、模具及坯料的几何模型；

b.通过拉伸实验，获得坯料材料的工程应力—工程应变数据，将其转变为真应力—真应变数据，建立坯料材料的本构方程，并以该数据定义坯料的材料属性；

c.根据步骤a中获取的工艺参数，在三维制图软件中初步建立多楔带轮旋压成形工艺的几何模型并导入；该几何模型包括顶模、芯模、底模、坯料、第一道工序的预成形轮和第二道工序精整轮；其中顶模，芯模、底模及两道工序旋轮均设置为刚体；

d.边界条件设置，包括设置顶模和底模对坯料夹持的作用力和接触节点；旋压过程中接触设置，包括顶模—坯料、芯模—坯料、底模—坯料、预成形轮—坯料、精整轮—坯料；模具与坯料之间摩擦系数及旋轮与坯料之间摩擦系数按照实际生产情况来设置；

e.对坯料进行网格划分，采用四面体网格，并对旋齿区域进行局部网格细分；

f.加载运动轨迹，两道工序的旋轮轨迹曲线为螺旋线，将轨迹曲线微分为逐个微元坐标的连线，采用表格驱动中“时间—行程”的方式进行运动轨迹加载；在第一道工序结束之后，旋轮退回起始位置，以确保与第二道工序的旋轮之间没有任何干涉。

所述步骤f包括以下子步骤：

f1.两道工序旋轮和坯料都在Y/Z平面，根据螺旋线方程组确定旋轮的运动轨迹：

r＝(α+βθ) (1)

Y＝(α+βθ)cos θ (2)

Z＝(α+βθ)sin θ (3)

其中，(1)式中r代表旋轮中心到坯料中心的距离，(2)式和(3)式中的Y和Z分别表示旋轮中心在Y轴和Z轴的坐标。公式中的α表示旋轮中心点随着θ的变化到坐标原点的瞬时距离；β表示旋轮旋转的角速度；θ表示旋轮中心点与Y轴正方向之间的弧度。

f2.轮槽旋压成形数值模拟过程中，坯料与顶模、芯模及底模为固定不动状态，两道工序旋轮围绕着坯料作公转运动的同时，以自身为中心进行自转运动，对坯料进行旋压加工。

与现有技术相比，本发明所阐述的建模方法能够取得以下有益效果：

1)由于传统建模方案与实际旋压成形工艺完全一致，多楔带轮零件旋压实际工艺中坯料处于上模和下模之间，合模夹持并带动不断自转，自转过程中，由于坯料上每一网格每一步长都存在相对位置的改变，大大增加了运算量，这对于成形极细齿需划分极细网格的旋压模拟就无法保证其可算性。本发明所阐述的建模方案在保证成形结果一致性的前提下，进行适当的简化，有效减少运算量，以达到可算性的效果。

2)本发明所阐述的建模方法在可算性前提下，通过初始网格划分类型、细分方法和计算过程中的网格重划分条件等参数最优设置，有效平衡运算周期与模拟精度之间的矛盾，既满足精度要求的同时又控制运算周期为可接受范围。

3)本发明所建立得多楔带轮旋压成形数值仿真平台可通过后处理分析坯料在旋压成形过程中是否发生破裂、叠料及局部失稳等缺陷，以及衡量成形件的成形精度。可用于指导多楔带轮零件的实际生产，有效降低生产成本，提高生产效率，缩短研发周期。

附图说明

图1为本发明几何建模时顶模、芯模、底模及坯料之间的三维模型位置关系；

图2为本发明在有限元数值模拟软件中建模模型示意俯视图；

图3为本发明在有限元数值模拟软件中建模模型示意侧视图；

图4为本发明坯料网格化后的模型图；

图5为本发明坯料所用材料的应力-应变曲线；

图6为本发明第一道次旋轮轨迹示意图；

图7为本发明第二道次旋轮轨迹示意图；

图8为本发明粗齿成形模拟结果；

图9为本发明细齿成形模拟结果；

图10为本发明最终模拟结果与最终要求成形零件轮廓线对比图；

具体实施方式

以下结合附图和模拟过程中的实施案列对本发明作进一步的详细说明。

目前模型的设计都是坯料随着芯模转动，旋轮不动。在本发明中，创新了模拟方法，改为坯料与芯模等固定不动，旋轮自转加绕坯料公转或旋轮绕坯料公转。在本实施例中，将坯料的被动自转转化为每一道次旋轮主动围绕坯料的公转和同步自转。描述如下：

(1)坯料处于被上模、芯模和下模三者合模夹持静止状态。

(2)两道工序旋轮分别根据道次顺序先后进行旋压，每一道次旋轮先从径向匀速靠近坯料，靠近至即将接触坯料位置处开始既围绕坯料公转螺旋式进给又以350RPM进行自转，进给到所需深度后以恒定半径绕坯料公转，然后退出。每一道次旋轮本身全程350RPM自转。

本实施例提供的一种多楔带轮旋压成形数值模拟的建模方法，包括以下步骤：

a.确定旋轮、模具和坯料的工艺参数，包括坯料的材料属性，旋轮、模具及坯料的几何模型；

b.通过拉伸实验，获得坯料材料的工程应力—工程应变数据，将其转变为真应力—真应变数据，建立坯料材料的本构方程，并以该数据定义坯料的材料属性；泊松比为0.3，密度为7.82Kg/m³，该材料在常温下的应力—应变曲线如图5所示。

c.根据步骤a中获取的工艺参数，在三维制图软件中初步建立多楔带轮旋压成形工艺的几何模型并导入；该几何模型包括顶模、芯模、底模、坯料、第一道工序的预成形轮和第二道工序精整轮；其中顶模，芯模、底模及两道工序旋轮均设置为刚体。模型之间的位置关系如图1所示，仿真模拟模型如图2、图3所示，包括顶模、芯模、底模、坯料以及两道工序旋轮，两道工序旋轮与坯料处于同一平面。

d.边界条件设置，包括设置顶模和底模对坯料夹持的作用力和接触节点；旋压过程中接触设置，包括顶模—坯料、芯模—坯料、底模—坯料、预成形轮—坯料、精整轮—坯料；模具与坯料之间摩擦系数及旋轮与坯料之间摩擦系数按照实际生产情况来设置；

e.对坯料进行网格划分，如图4所示，采用四面体网格，并对旋齿区域进行局部网格细分，网格个数约为28万。

f.加载运动轨迹，两道工序的旋轮轨迹曲线为螺旋线，将轨迹曲线微分为逐个微元坐标的连线，采用表格驱动中“时间—行程”的方式进行运动轨迹加载；在第一道工序结束之后，旋轮退回起始位置，以确保与第二道工序的旋轮之间没有任何干涉。旋轮轨迹如图6，图7所示，第一道工序和第二道工序的旋轮进给速度都为1.5mm/圈，每道次给进2圈，给进到位(即旋到齿底深度)后保持改深度完善一圈使齿形均匀。每一道次的轮旋运动轨迹根据螺旋线方程带特殊点求得，特殊点即为旋轮径向靠近坯料开始螺旋进给的初始点及和根据不同进给量运动一圈后的位置点，并将其编辑为表格形式然后保存。每一道次旋轮在进给完成后退回起始位置，以保证与下一道次旋轮之间不存在任何形式的干扰。在加载旋轮轨迹时将编辑好的表格导入即可。

所述步骤f包括以下子步骤：

f1.两道工序旋轮和坯料都在Y/Z平面，根据螺旋线方程组确定旋轮的运动轨迹：

r＝(α+βθ) (1)

Y＝(α+βθ)cos θ (2)

Z＝(α+βθ)sin θ (3)

其中，(1)式中r为旋轮中心到坯料中心的距离,(2)式和(3)式中的Y和Z分别为旋轮中心在Y轴和Z轴的坐标。公式中的α为旋轮中心点随着θ的变化到坐标原点的瞬时距离；β为旋轮旋转的角速度；θ为旋轮中心点与Y轴正方向之间的弧度。

f2.轮槽旋压成形数值模拟过程中，坯料与顶模、芯模及底模为固定不动状态，两道工序旋轮围绕着坯料作公转运动的同时，以自身为中心进行自转运动，对坯料进行旋压加工。

本实施例中，旋轮旋转轨迹为每道次旋轮分两圈螺旋进给，一圈完善；如图6，图7所示，每道次旋轮结束后退出，轨迹在Y-Z平面，轨迹如下：

第一道次第一圈螺旋进给轨迹：

第一道次第二圈螺旋进给轨迹：

第一道次完善轨迹：

第二道次第一圈螺旋进给轨迹：

第二道次第二圈螺旋进给轨迹：

第二道次完善轨迹：

上述公式中，将弧度制转化为角度制，也即将旋轮中心点与Y轴正方向之间的弧度θ通过公式转化为角度，其中n表示旋轮中心点与Y轴正方向之间的角度。在第一道旋轮第一圈螺旋进给时，也即第一道次第一圈螺旋进给工序中，表示当旋轮中心点与Y轴正方向之间的弧度时，旋轮中心到坯料中心的距离r＝141mm；当旋轮中心点与Y轴正方向之间的弧度时，旋轮中心到坯料中心的距离r＝140.25mm。在第一道次第二圈螺旋进给时r的值分别变成了139.5mm和138.75mm，这是因为第一圈螺旋进给时旋轮压进了1.5mm。在完善圈时，经过前两圈的螺旋进给，旋轮共压进了3mm。又因为完善圈轨迹不再是螺旋轨迹，而是圆形轨迹，所以r的值不在变化而是一个固定的数值，为最初的旋轮中心到坯料中心的距离141mm减去两次螺旋压进的3mm，也即138mm。第二道旋轮也即第二道次工序中，除由于旋轮起始位置不同导致θ的值不同外，其余与第一道旋轮也即第一道次工序同理。

利用有限元数值模拟软件的后处理模块对多楔带轮在整个成形过程中进行的塑性应变云图进行分析，如图8，图9所示，模型在整个成形过程中未发生起皱、破裂和局部失稳等缺陷。随着成形的进行，在两道工序旋轮的旋压作用下，与旋轮接触处坯料壁厚出现减薄，沿周向厚度相同，沿径向厚度发生变化，这与实际生产过程中的情况相符合。

通过对成形后的结果和最终成形零件的轮廓线进行对比分析，模拟结果如图10所示，上为标准零件齿形尺寸，下为模拟成形件齿形尺寸。坯料旋齿部位齿形清晰，且与旋轮高度啮合。测得模拟成形件三处齿高均值与标准值3.45mm误差仅为0.08mm，误差小于2.3％，模拟成形件三处齿间距均值与标准值3.56mm误差仅为0.04mm，误差小于1.2％。多楔带轮的轮廓线与实际生产情况相符合，证明了所建立模型的可算性和精确性。