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1、西安航空職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文基于PAM-STAMP的導(dǎo)管擴(kuò)徑成形工藝分析姓 名： 專 業(yè)： 航空電子 班 級(jí)： 完成日期： 指導(dǎo)教師: 摘要：本文使用專業(yè)金屬板料成形的有限元模擬分析軟件PAM-STAMP對(duì)外圓直徑20的導(dǎo)管擴(kuò)徑至24的成形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過(guò)對(duì)管子成形時(shí)局部受力狀態(tài)以及壁厚減薄量的分析，確定了最佳的擴(kuò)徑方法。并根據(jù)前處理參數(shù)的設(shè)定原則，得出了該導(dǎo)管擴(kuò)徑工藝方案的制定方向。關(guān)鍵詞:PAM-STAMP，擴(kuò)徑，工藝分析引言擴(kuò)徑是使用機(jī)械擴(kuò)徑模具對(duì)管材加工的一種方法，在擴(kuò)徑時(shí)隨著模具的進(jìn)給，模具對(duì)管壁產(chǎn)生軸向作用力，推動(dòng)管壁變形，進(jìn)而管子外徑、壁厚、內(nèi)徑隨之變形。在成形過(guò)程中導(dǎo)管會(huì)

2、出現(xiàn)壁厚減薄超差、管端拉裂等缺陷，嚴(yán)重影響后續(xù)管路使用。本文以某型發(fā)動(dòng)機(jī)的某導(dǎo)管為例，利用金屬板料成形的有限元模擬分析軟件PAM-STAMP對(duì)其擴(kuò)徑成形過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析以得到工藝可行性、工裝可行性以及成形危險(xiǎn)區(qū)域等結(jié)果，為后續(xù)的工藝制定提供了重要的指導(dǎo)作用。1 擴(kuò)徑成形要求如圖1所示，導(dǎo)管在擴(kuò)徑成形時(shí)，一般要保證成形后外徑尺寸D2、成形后壁厚值以及過(guò)渡區(qū)域的軸向直線長(zhǎng)度L，并且要保證成形后內(nèi)外表面無(wú)機(jī)械損傷，且管端無(wú)成形時(shí)的拉傷。圖1某型發(fā)動(dòng)機(jī)的某導(dǎo)管在成形前外徑D1為20mm，壁厚為1mm，擴(kuò)徑后要求外徑D2達(dá)到24mm，壁厚不小于0.88mm，過(guò)渡區(qū)域直線段長(zhǎng)度L不大于8mm。2 擴(kuò)

3、徑成形過(guò)程的有限元法分析PAM-STAMP是由法國(guó)ESI公司推出的模擬仿真系統(tǒng)，能夠?yàn)榭蛻籼峁┰趯?shí)際復(fù)雜的工業(yè)條件下可視化的沖壓成形模擬。該軟件依托隱式求解器對(duì)成形過(guò)程進(jìn)行快速分析，能夠得出具有優(yōu)化精確度與高計(jì)算效率的模擬結(jié)果，并能對(duì)加工中產(chǎn)生的成形缺陷等問題進(jìn)行準(zhǔn)確度非常高的預(yù)測(cè)。2.1 模型的創(chuàng)建擴(kuò)徑的成形過(guò)程為首先使用V形夾緊塊夾緊導(dǎo)管，然后擴(kuò)徑椎體沿軸向進(jìn)行擴(kuò)徑。使用UG軟件對(duì)夾緊塊、導(dǎo)管以及擴(kuò)徑椎體進(jìn)行建模。為了分析不同錐角的椎體對(duì)成形結(jié)果的影響，分別創(chuàng)建錐角為5、7.5、10、12.5、15、17.5、20、22.5、25、27.5、30、32.5、35擴(kuò)徑椎體，如圖2所示。完成建

4、模后，按照實(shí)際工裝安放位置進(jìn)行裝配，如圖3所示。圖2圖32.2 仿真分析在完成了以上的工作之后，將夾緊塊、管胚以及擴(kuò)徑椎體導(dǎo)入到PAM-STAMP軟件中，分別對(duì)以上物體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，管胚采用自適應(yīng)網(wǎng)格優(yōu)化。通過(guò)前期的摩擦力實(shí)際測(cè)算，按照實(shí)際工況情況將V形夾塊與管胚間的摩擦系數(shù)設(shè)定為0.2。運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為上V形塊沿管子徑向朝管胚運(yùn)動(dòng)，接觸并夾緊，夾緊力設(shè)定為20kN。擴(kuò)徑椎體在實(shí)際擴(kuò)徑時(shí)使用蓖麻油或二硫化鉬進(jìn)行潤(rùn)滑，擴(kuò)徑椎體與管胚的摩擦系數(shù)設(shè)定為0.1，依據(jù)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，擴(kuò)徑椎體的進(jìn)給速度設(shè)定為3mm/s。在完成邊界條件及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)設(shè)定后，對(duì)13組不同錐角的成形過(guò)程分別進(jìn)行分析計(jì)算。通過(guò)對(duì)后處理結(jié)

5、果中的壁厚減薄情況分析可得，隨著擴(kuò)徑椎體的錐角的增加，導(dǎo)管變形區(qū)的壁厚減薄值在逐漸升高。最大減薄處主要集中在初始變形區(qū)。如圖4所示。圖4在對(duì)成形區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，可知隨著擴(kuò)徑椎體的錐角的增大，應(yīng)力值逐步上升，為了將錐角、最大壁厚減薄值以及最大應(yīng)力值進(jìn)行關(guān)聯(lián)比較，將上述仿真模擬的13種錐角最大壁厚減薄以及最大應(yīng)力關(guān)系繪制在同一圖內(nèi)，如圖5所示。圖5從圖5中可知，在錐角為17.5至27.5的范圍區(qū)間內(nèi)，導(dǎo)管所受的最大應(yīng)力升高較為穩(wěn)定，錐角為20至27.5范圍區(qū)間內(nèi)，導(dǎo)管的壁厚減薄維持在0.8mm左右，壁厚未出現(xiàn)突變的跡象。導(dǎo)管以上的成形質(zhì)量變化與成形時(shí)的受力狀態(tài)有著直接關(guān)系，對(duì)于塑性成形加工

6、，主應(yīng)力法是求解變形力的一種近似解法，通過(guò)對(duì)導(dǎo)管變形區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行理論解析以掌握導(dǎo)管的變形規(guī)律。文獻(xiàn)4提出了擴(kuò)徑力公式，擴(kuò)徑力F: F=L|r=R12R1t =1.15sctg-R2ctgR2+lctg+1R1R2ctg+1+ctg2R1t (2.2.1)當(dāng)l=0時(shí)，并令A(yù)=ctg，B=1+AA L=1.15B1-rR2As (2.2.2) =1.15B1-rR2A+1s (2.2.3) r=1.15B1-rR2A+1stcosr (2.2.4) F=2.3R1tB1-R1R2As (2.2.5)(2.2.1)-(2.2.5)中屈服應(yīng)力為s，導(dǎo)管壁厚為t，錐角角度為，摩擦系數(shù)為，定徑帶長(zhǎng)度為

7、l，圓管中心曲面直徑為D1=2R1，擴(kuò)徑后D2=2R2，軸向應(yīng)力為L(zhǎng)，徑向應(yīng)力為r，環(huán)向應(yīng)力為。由公式（2.2.1）-（2.2.5）可知軸向、徑向、環(huán)向應(yīng)力以及擴(kuò)徑力與模具錐角、摩擦系數(shù)、定徑帶長(zhǎng)度、初始及擴(kuò)徑后直徑有著密切聯(lián)系。值得注意的是，隨著擴(kuò)徑椎體的錐角的增大，在成形初始階段，導(dǎo)管與V形夾塊間的末期滑移現(xiàn)象明顯下降，原因?yàn)楫?dāng)錐角越小時(shí)，椎體的側(cè)面積越大，與管胚產(chǎn)生的接觸摩擦力越大，根據(jù)作用力與反作用力關(guān)系，椎體施加給管胚的反作用力就越大，導(dǎo)致管胚與夾塊發(fā)生滑移，進(jìn)而影響成形質(zhì)量，因此應(yīng)在保證滿足最大應(yīng)力不超差時(shí)盡量選擇較大錐角的椎體。3 工藝性分析與總結(jié)在完成了以上多組的成形模擬分析后

8、，通過(guò)與檢驗(yàn)要求對(duì)比，可以初步得出當(dāng)擴(kuò)徑椎體錐角為20至27.5范圍內(nèi)時(shí)，導(dǎo)管成形后壁厚能夠較好地控制在0.88mm以下。結(jié)合前處理過(guò)程中的參數(shù)設(shè)定，當(dāng)使用潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂時(shí)能夠較好地保證成形質(zhì)量，因此在工藝制定時(shí)要特殊注意工裝與管子間摩擦力的控制。由于過(guò)渡區(qū)域直線段長(zhǎng)度要求不大于8mm，故擴(kuò)徑椎體錐角控制在14以上，因此該形擴(kuò)徑導(dǎo)管的擴(kuò)徑錐角應(yīng)控制在20至27.5范圍內(nèi)，在后續(xù)的工裝設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮加入進(jìn)給限位裝置，以保證過(guò)度區(qū)域的長(zhǎng)度尺寸要求。參考文獻(xiàn)專著：1李瀧杲.金屬板料成形有限元模擬基礎(chǔ)-PAMSTAMP2G(Autostamp)M。北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008期刊：2董克媛，鄧小民。芯棒角度對(duì)擴(kuò)徑后管壁變化影響的計(jì)算機(jī)模擬J。中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2009.129:189-190論文集：3柴彩娟。圓壁擴(kuò)徑加工過(guò)程仿真與裂紋產(chǎn)生機(jī)理研究D。西安電子科技大學(xué)2010論文集：4劉俊杰。圓壁管擴(kuò)徑加工的塑性成形機(jī)理及斷裂分析D。西安電子科技大學(xué)2008致 謝 感謝我的同學(xué)和朋友，在我寫論文的過(guò)程中給予我了很多素材，還在論文的撰寫和排版過(guò)程中提供熱情的幫助。由于我的學(xué)術(shù)水平有限，所寫論文難免有不足之處，懇請(qǐng)各位老師和學(xué)友批評(píng)和指正!