0 前言

摆动辗压是一种连续局部加载回转成形塑性加工工艺。摆动辗压不仅省力、模具结构简单，而且低噪声无震动，表面质量良好，便于实现机械化和自动化，是优质、低耗的压力加工新技术，在世界范围的金属塑性加工领域得到普遍重视和推广。但是，因为摆动辗压是局部加载，非对称连续、不均匀变形的一种加工工艺，工件和模具受力情况都很复杂，工艺参数难以确定，所以在生产过程中常常产生各种工艺缺陷，比如薄件中心拉薄，厚件上蘑菇形、下蘑菇形、滑轮形。采用实验的方法进行研究，难度大、成本高、耗时长，且获得的结果往往是针对个别具体问题，具有很大的局限性，限制了摆动辗压工艺的发展^[1]。因此，对摆动辗压成形过程进行数值模拟，加强对摆动辗压变形机理与成形规律的研究，对发展摆动辗压技术具有十分重要的意义。

现在世界上有许多有限元软件都可以对金属塑性成形过程进行数值模拟，例如：DEFORM3D，ANSYS，FORGING，MARC等。笔者采用MARC有限元软件对摆动辗压成形过程进行数值模拟，从而获得摆辗件变形过程中内部的速度场、应力应变场以及接触表面区域的压力分布等重要数据，对摆动辗压成形机理的研究具有重要的意义。

1 摆动辗压的工作原理

摆动辗压是利用一个圆锥形的上模(摆头)对毛坯局部加压，并绕中心连续滚动的加工方法。如图 1所示，摆头中心线00′与机器主轴中心线oz相交成γ角，此角称为摆角，当主轴旋转时，00′绕oz旋转，于是摆头便产生摆动。同时，下模向上运动，并对毛坯施压，其速度称为进给速度(s)。所以摆头与工件的接触区是工件端面一部分，并且是随时间发生变化的，如图 2所示。

接触面积率是摆动辗压工艺中一个极其重要的工艺参数，摆辗过程中许多问题都与它有着密切的关系，例如变形均匀性、摆辗力的大小等^[2]。

波兰的马尔辛尼克教授给出接触面积率的简化公式为：

式中：S—每转进给量，mm;

      R—工件变形半径，mm;

      γ—摆角，deg。

从上式可知，进给量、摆角、接触面积率等工艺参数对成形过程都有影响，为了分析它们的影响，利用Marc有限元软件对摆动辗压成形过程进行模拟。

2 圆盘件摆动辗压有限元模型的建立

本文模拟的是把坯料直径45mm、高35mm摆辗成直径为50mm、高为28.35mm的圆柱。

2.1 几何模型建立

MARC中几何模型的建立有两种方法：①可以直接在MARC软件中建立几何模型。②通过MARC软件与CAD和CAE软件交换几何造型和有限元模型的数据文件接口功能，从CAD和CAE软件中读入几何模型。本文坯料直接在MARC软件中建立几何模型，如图 3所示，并采用4节点的四面体单元(MARC中134号单元)对圆柱形的坯料进行网格划。共有2315单元，有527节点。并且因为摆辗件是连续局部受到摆辗力的作用，在接触区域变形比较大。为提高计算结果的精度，采用网格自适应技术，在计算过程中对网格局部进行加密^[3]，这样即节省了计算时间又保证了计算精度。上模和下模的几何模型的建立，一般上模和下模形状比较复杂，在MARC中直接建立几何模型比较困难。笔者在Solidworks中设计上模和下模，再导入MARC中。

2.2 边界条件

为了保证变形体不会产生刚体运动，变形体(坯料)底面中心节点在水平方向和纵向方向固定。这与实际情况中的为了坯料在回转方向加工均匀，使坯料中心与机床中心重合，在坯料底部加设定位销是一致的。

2.3 材料特性

摆动辗压塑性成形过程中，金属塑性变形远远比弹性变形大，因而可以忽略变形中的弹性变形，所以采用刚塑性有限元法对摆动辗压成形过程进行数值模拟^[4~5]。本文坯料的材料采用Q235，坯料在成形过程中材料会发生加工硬化^[6]，如图 4所示。

2.4 接触定义

定义坯料为变形体，上模和下模定义为刚性体，如图 5所示，不同的颜色代表不同的接触体。定义接触体的速度：接触体2(摆动)绕Y轴(上模绕机器主轴中心线)转速298r/min，接触体3(下模)沿Y轴(下模沿机器主轴中心线)方向向上运动速度是180mm/ min。模具与坯料存在相对运动，因此他们之间有摩擦力，笔者采用库仑摩擦模型来模拟他们之间的摩擦，摩擦系数为0.3。

2.5 工况及作业

本课题只有一个工况，选择Mechanical，设定总加载时间为2.217s，分1000个增量步完成。选择修正的Newton-Raphson方法迭代求解非线性有限元方程组，收敛判据选择检查位移判据，相对位移误差容量为0.1。

将作业类型设定为Mechanical，然后激活工况，设定分析类型为大位移非线性类型，选定输出结果，并将几何模型设置为三维的。

3 后处理结果与结论

计算结果可以在reults菜单中显示，用open default选项打开相应的结果文件。单击next-inc至计算的最后一个增量步，或单击montior显示整个过程。图 6是等效应力图，图 7为等效应变图。

从图 7可以看出，当工件的高径比(H / D)很大，相对进给量Q小，则锥体模的接触面积小，总压力小。

工件下表面几乎接近于平面，下模接触面积较上模的接触面积大得多，以致于工件下端的单位面积压力小于屈服强度而不产生塑性变形。同时，主动变形区相当于一个楔劈，其形状是上宽下窄，所以楔劈对工件上部的影响大于下部；又由于辗压过程中锥体模在工件上做滚动或滚动+滑动，其对工件的摩擦作用较一般的锻造方法小得多，这使得工件表面的金属更易于流动；而靠近摆头的工件表面易屈服，变形能沿工件从上至下衰减比较快，造成上部变形大，下部变形小，形成上蘑茹形。所以上面所选的工艺参数不合理，可以改变工艺参数再进行模拟，一直到形成合格产品为止，由于篇幅所限就不一一例举。