倾斜管件多道次缩径旋压成形数值模拟与试验研究的学习体会

文献概况与研究背景

夏琴香等作者来自华南理工大学机械工程学院，本文发表于《机械工程学报》2008年第44卷第8期。倾斜管件（如汽车排气歧管、进气歧管等）是典型的非轴对称旋转体零件，其成形工艺一直是机械制造领域的难点之一。传统成形方法如冲压、铸造、焊接等在成形精度、材料利用率、力学性能等方面存在局限。多道次缩径旋压成形作为一种先进的塑性成形技术，能够在保证零件几何精度的同时获得良好的材料流动和力学性能，特别适用于复杂形状管件的制造。

旋压成形工艺原理与多道次设计

旋压成形是利用旋轮对旋转的毛坯施加局部塑性变形，通过多次行程逐步获得目标形状的成形方法。对于倾斜管件，由于其轴线与旋转轴线不重合，旋压过程中的材料流动呈现明显的非对称性，这对工艺参数设计和成形质量控制提出了更高要求。

多道次旋压的必要性

单道次旋压对于复杂形状零件往往无法实现完全成形，或者会导致壁厚减薄过大、应力集中等问题。多道次旋压通过分步成形，逐步将毛坯加工为目标形状，每次行程的变形量控制在材料允许范围内，从而保证成形质量和零件性能。文献中采用的多道次方案是合理的工艺策略。

有限元数值模拟方法

文献采用MSC.MARC有限元软件对三维非轴对称倾斜管件多道次缩径旋压过程进行数值模拟。有限元方法在旋压成形分析中的优势在于：

数值模拟结果分析

应力应变分布规律

文献中揭示的应力应变分布规律具有重要的工程指导意义：

1. 等效应力沿轴向呈分层分布：在口部达到最大值，说明口部区域是成形过程中的高风险区域，需要重点关注材料流动和壁厚控制。
2. 等效应变沿周向0°至180°域逐渐减小：0°域存在最大值，180°域存在最小值。这一非对称分布特征源于倾斜管件的非轴对称几何形状，旋轮在0°侧的压缩变形量大于180°侧。
3. 沿轴向从起旋处到口部：0°域等效应变逐渐增大，180°域逐渐减小。这一规律反映了倾斜管件成形过程中材料流动的复杂性和非均匀性。

返程旋压的增厚效应

多道次旋压中返程旋压的增厚效应是一个重要发现。返程旋压时，旋轮从口部向起旋处移动，由于前一道次已经产生的变形，返程旋压会对已变形区域产生二次压缩，导致中间部位壁厚增加。这一效应在多道次旋压中尤为明显，需要在工艺设计中予以考虑。

试验验证与模型可靠性

文献通过网格圆试验和显微组织分析验证了数值模拟结果。网格圆试验是塑性成形分析中常用的实验方法，通过在毛坯表面刻划网格圆，成形后测量网格圆的变形情况，从而获得应变分布信息。文献中试验结果与模拟结果的相对误差不大于10%，说明所建立的有限元模型是合理可靠的，能够用于工艺参数优化和成形质量预测。

工艺参数优化与成形质量控制

旋轮参数设计

旋轮是旋压成形的核心工具，其参数直接影响成形质量和零件性能。旋轮直径、旋轮形状、旋轮角度等参数需要根据零件形状和材料特性进行优化设计。对于倾斜管件，由于非轴对称变形特征，旋轮形状可能需要采用非对称设计，以适应不同周向位置的变形需求。

成形速度控制

旋压速度是影响成形质量的重要因素。速度过快会导致材料流动不均匀、应力集中增大，甚至产生开裂；速度过慢则生产效率低，且可能导致材料回弹增大。文献中采用的多道次方案通过控制每道次的变形量，间接控制了成形速度对材料的影响。

壁厚均匀性控制

壁厚均匀性是倾斜管件成形质量的关键指标。由于非轴对称变形，壁厚分布必然存在不均匀性，但需要通过工艺优化将不均匀程度控制在允许范围内。文献中揭示的应力应变分布规律为壁厚均匀性控制提供了理论依据：通过在0°域增加旋压道次或减小旋压量，在180°域减少旋压道次或增大旋压量，可以调节壁厚分布，使其更加均匀。

工程应用案例与启示

文献中成功研制出倾斜类汽车排气歧管样件，证明了所建立模型和工艺方案的工程可行性。汽车排气歧管是典型的倾斜管件，其成形质量直接影响排气系统的性能和寿命。在实际应用中，倾斜管件的应用场景还包括：

• 液压系统中的倾斜接头
• 航空航天领域的倾斜管道
• 工程机械的倾斜管路
• 医疗器械中的倾斜导管

通过阅读本文，我深刻认识到数值模拟在复杂管件成形工艺开发中的重要作用。有限元分析不仅能够揭示成形过程中的物理规律，还能够为工艺参数优化提供理论指导，大幅缩短工艺开发周期，降低试错成本。在实际工程中，建议采用"数值模拟-试验验证-工艺优化"的迭代开发模式，逐步完善工艺方案，确保成形质量。

此外，文献中揭示的非轴对称变形规律对复杂管件成形工艺设计具有普遍指导意义。对于任何非轴对称旋转体零件，成形过程中的应力应变分布必然存在非均匀性，需要通过多道次成形、旋轮参数优化、成形速度控制等手段进行调节，以获得满意的成形质量。这一认识对于从事管件成形工艺的技术人员具有重要的参考价值。