1 引言

    中國的航空航天事業經過半個多世紀的發展，從無到有、從弱到強，不斷實現新的歷史性跨越。但隨著社會的進步以及科學技術的發展，傳統的導彈研制路線已經不能滿足國防工業的發展。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。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實技術，在高性能計算機和高速網絡的支持下的協同工作。虛擬制造的最終目標是反作用于實際制造過程，用來指導生產實踐。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被成功應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律以及優化成形工藝參數提供了高效和高精度的數值方法和手段。有限元模擬對減少試驗次數和模具費用，提高設計效率減少開發周期都發揮了重大的作用。有限元模擬已經成為現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域有著廣泛應用。

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，變形區集中在折彎圓角部分以及拉伸圓角部分，影響產品質量的因素較少，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入CAD軟件的數字模型。

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。仿真參數的選擇由粗到細，第一次仿真計算按相關資料選取范圍內的較大值，如轉速選取250r/min，摩擦因子選取0.7，進給速度為4mm/s。然后通過仿真結果，再適當的調整參數，進行下一步的仿真，直到得出較為合理的工藝參數為止。

3 仿真結果分析

    3.1 強力旋壓仿真

    通過對相關參數的設定，對管坯進行旋壓工藝有限元仿真，圖2(a)為旋壓一段后，坯料中等效塑性應變的分布云圖。從圖可以看出，坯料中的最大應變已達2.5，坯料中大多數部位應變在1.5左右，且分布均勻，這說明坯料各處的變形均勻：圖2(b)為坯料中等效應力分布云圖，從圖2(b)也可以看出，坯料中各處的應力分布均勻，這也從側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，沒有出現擴徑，表面毛刺、波浪等缺陷。說明此工藝參數（芯軸轉速約為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生的缺陷，它主要表現為金屬材料在旋輪前產生堆積現象。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。

    因此，實際的毛坯壁厚和減薄率會產生變化。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，會產生變形失穩，嚴重的隆起往往會造成旋壓件的撕裂等現象。圖3為模擬中進給速度設定為4mm/s時坯料表面隆起現象．通過模擬發現，減薄率太大容易引起表面隆起現象，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生。

    進給比和芯軸轉速是旋壓中比較重要的兩個工藝參數，這兩個參數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匹配不合理，歸結為進給比過大，在其后降低進給比后便得到了較好的仿真結果。圖4為旋壓中進給比和轉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。

進給比和轉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進行計算機仿真，在計算機上實現虛擬制造，并對計算結果進行分析，進行試驗驗證，最終得到了合理的工藝參數。由于在計算機上對生產過程進行再現，極大的減少了物理實驗次數，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測不同工況下坯料成形后是否出現缺陷，以及對模具及工藝參數作出優化。

    通過分析不同摩擦系數下的模擬結果，可以得到合理的摩擦系數，從而對實際生產中的潤滑劑選擇起到指導作用。

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的設置來模擬其它參數對拉伸的影響，如改變摩擦系數來確定實際生產中潤滑劑的選擇、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，得到材料的極限拉伸比，還可對模具進行相關優化。得到合理的模具結構尺寸。

 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急劇增大。這是因為折刀在下行過程中，已經運動到下死點，與材料及下模緊密的貼合在一起。如果彎折的角度設計不合理，很可能導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及模具結構尺寸。節省物理實驗的次數以及每次物理實驗中人力和物力投入。

4 結論

    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，較合理的工藝參數為：芯軸轉速約為130rmin，進給速度約為2.5mm/s。在此工藝參數下，旋壓仿真出的零件壁厚均勻，經測量，壁厚差在0.07mm左右，表面無明顯波紋。而當摩擦因子設定為0.7或其它較大值時，坯料出現擴徑或表面毛刺等缺陷。因而在實際生產中應該保證坯料內外表面的光潔及選用合適的潤滑劑。當芯軸轉速設定為250r/min或更大值時，坯料出現擴徑及橢圓形端口缺陷，當將進給速度設定為4mm/s時，坯料表面出現隆起，故實際生產中應盡量避免使用較高的進給速度且應使芯軸轉速和進給比在合理的范圍內并匹配合理。表1為本次仿真計算不同工藝參數下的結果對比分析。