1、 西安航空职业学院 毕业论文 基于 PAM-STAMP 的导管扩径成形工艺分析 姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师 : 摘要：本文使用专业金属板料成形的有限元模拟分析软件 PAM-STAMP 对外圆直径 20 的导管扩径至 24 的成形过程进行数值模拟分析， 通过对管子成形时局部受力状态以及壁厚减薄量的分析，确定了最佳的扩径方法。并根据前处理参数的设定原则，得出了该导管扩径工艺方案的制定方向。 关键词 :PAM-STAMP，扩径，工艺分析 引言 扩径是使用机械扩径模具对管材加工的一种方法，在扩径时随着模具的进给，模具对管壁产生轴向作用力，推动管壁变形，进而管子外径、壁
2、厚、内径随之变形。在成形过程中导管会出现壁厚减薄超差、管端拉裂等缺陷，严重影响后续管路使用。本文以某型发动机的某导管为例，利用金属板料成形的有限元模拟分析软件 PAM-STAMP 对其扩径成形过程进行了数值模拟分析以得到工艺可行性、工装可行性以及成形危险区域等结果，为后续的工艺制定提供了重要的指导作用。 1 扩径成形要求 如图 1 所示，导管在扩径成形时，一般要保证成形后外径尺寸 D2、成形后壁厚值 以及过渡区域的轴向直线长度 L，并且要保证成形后内外表面无机械损伤，且管端无成形时的拉伤。 图 1 某型发动机的某导管在成形前外径 D1 为 20mm，壁厚为 1mm，扩径后要求外径 D2 达到2
3、4mm，壁厚 不小于 0.88mm，过渡区域直线段长度 L 不大于 8mm。 2 扩径成形过程的有限元法分析 PAM-STAMP 是由法国 ESI 公司推出的模拟仿真系统，能够为客户提供在实际复杂的工业条件下可视化的冲压成形模拟。该软件依托隐式求解器对成形过程进行快速分析，能够得出具有优化精确度与高计算效率的模拟结果，并能对加工中产生的成形缺陷等问题进行准确度非常高的预测。 2.1 模型的创建 扩径的成形过程为首先使用 V 形夹紧块夹紧导管，然后扩径椎体沿轴向进行扩径。使用UG 软件对夹紧块、导管以及扩径椎体进行建模。 为了分析不同锥角的椎体对成形结果的影响，分别创建锥角为 5、 7.5、 1
4、0 、 12.5、15、 17.5、 20、 22.5、 25、 27.5、 30、 32.5、 35扩径椎体，如图 2 所示。 完成建模后，按照实际工装安放位置进行装配，如图 3 所示。 图 2 图 3 2.2 仿真分析 在完成了以上的工作之后，将夹紧块、管胚以及扩径椎体导入到 PAM-STAMP 软件中，分别对以上物体进行网格划分，管胚采用自适应网格优化。 通过前期的摩擦力实际测算，按照实际工况情况将 V 形夹块与管胚间的摩擦系数设定为0.2。运动状态为上 V 形 块沿管子径向朝管胚运动，接触并夹紧，夹紧力设定为 20kN。扩径椎体在实际扩径时使用蓖麻油或二硫化钼进行润滑，扩径椎体与管胚的
5、摩擦系数设定为 0.1，依据设备实际运行状态，扩径椎体的进给速度设定为 3mm/s。 在完成边界条件及运动状态设定后，对 13 组不同锥角的成形过程分别进行分析计算。通过对后处理结果中的壁厚减薄情况分析可得，随着扩径椎体的锥角的增加，导管变形区的壁厚减薄值在逐渐升高。最大减薄处主要集中在初始变形区。如图 4 所示。 图 4 在对成形区域的应力状态进行分析，可知随着扩径椎体的锥角的增大，应力值逐步上升，为了将锥角、最大壁厚减薄值以及最大应力值进行关联比较，将上述仿真模拟的 13 种锥角最大壁厚减薄以及最大应力关系绘制在同一图内，如图 5 所示。图 5 从图 5 中可知，在锥角为 17.5至 27
6、.5的范围区间内，导管所受的最大应力升高较为稳定，锥角为 20至 27.5范围区间内，导管的壁厚减薄维持在 0.8mm 左右，壁厚未出现突变的迹象。 导管以上的成形质量变化与成形时的受力状态有着直接关系，对于塑性成形加工，主应力法是求解变形力的一种近似 解法，通过对导管变形区的应力状态进行理论解析以掌握导管的变形规律。文献 4提出了扩径力公式，扩径力 F: (2.2.1) 当 l=0 时，并令 ， (2.2.2) (2.2.3) (2.2.4) (2.2.5) (2.2.1)-(2.2.5)中屈服应力为 ，导管壁厚为 t，锥角角度为，摩擦系数为，定径带长度为 l，圆管中心曲面直径为 ，扩径后
7、，轴向应力为 ，径向应力为 ，环向应力为 。 由公式（ 2.2.1） -（ 2.2.5）可知轴向、径向、环向应力以及扩径力与模具锥角、摩擦系数、定径带长度、初始及扩径后直径有着密切联系。 值得注意的是，随着扩径椎体的锥角的增大，在成形初始阶段，导管与 V 形夹块间的末期滑移现象明显下降，原因为当锥角越小时，椎体的侧面积越大，与管胚产生的接触 摩擦力越大，根据作用力与反作用力关系，椎体施加给管胚的反作用力就越大，导致管胚与夹块发生滑移，进而影响成形质量，因此应在保证满足最大应力不超差时尽量选择较大锥角的椎体。 3 工艺性分析与总结 在完成了以上多组的成形模拟分析后，通过与检验要求对比，可以初步得
8、出当扩径椎体锥角为 20至 27.5范围内时，导管成形后壁厚能够较好地控制在 0.88mm 以下。结合前处理过程中的参数设定，当使用润滑油或润滑脂时能够较好地保证成形质量，因此在工艺制定时要特殊注意工装与管子间摩擦力的控制。由于过渡区域直线段长度要求不大于 8mm，故扩径椎体锥角控制在 14以上，因此该形扩径导管的扩径锥角应控制在 20至 27.5范围内，在后续的工装设计中应考虑加入进给限位装置，以保证过度区域的长度尺寸要求。 参考文献 专著： 1李泷杲 .金属板料成形有限元模拟基础 -PAMSTAMP2G(Autostamp)M。北京：北京航空航天大学出版社， 2008 期刊： 2董克媛，邓小民。芯棒角度对扩径后管壁变化影响的计算机模拟 J。中国高新技术企业，2009.129:189-190 论文集： 3柴彩娟。圆壁扩径加工过程仿真与裂纹产生机 理研究 D。西安电子科技大学 2010 论文集： 4刘俊杰。圆壁管扩径加工的塑性成形机理及断裂分析 D。西安电子科技大学 2008 致 谢 感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多素材，还在论文的撰写和排版过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正 !
