环状零件滚压加工成形仿真技术探究

唐卫平

摘 要： 对航天阀门环形零件的加工过程中涉及到转动、位移等多个过程，呈现出非线性的复杂特征。为了研究环状零件的滚压加工，使用有限元法进行滚压加工的仿真分析，以保障滚压加工达到最佳效果。基于此，本文首先阐述了仿真技术对于滚压加工的重要性，然后进行了仿真实验和结果的分析。

关键词： 环状零件；滚压加工；仿真技术

引言：在传统的环形零件加工中，需要依靠技术人员的专业技能和手感经验，还要经过复杂的试验筛选，才能保证滚压加工的质量。因此，还需要加强对滚压加工仿真技术的研究，将仿真技术应用在环形零件的加工中，提高零件的质量。

一、仿真技术对滚压加工的重要性

航天阀门是火箭运载中压力传输系统十分重要的构件，航天阀门是一种密封件环状结构，零件的加工稳定性是保障阀门可靠性的基础，更是影响火箭发射的主要因素。密封件环状结构是利用普通车床的刀具进行滚压加工制作的，对操作人员的技能和手感有着很高的要求，加工之后经过产品的试验筛选得出性能可靠的产品。由此可见，研究环状零件仿真技术，可以将零件的加工过程数字化处理，从根本上保证零件加工质量以及可靠性。环状零件的滚压过程是一种大位移基础上的有限应变过程，具有一定的非线性特征，使用简单的解析法对三维变形问题进行求解。随着计算机的仿真技术快速发展，仿真技术已经具备了强大的数据分析能力，使用有限元的方法能够对环状零件进行滚压加工研究[1]。仿真技术在滚压加工中的应用，有利于加工成本的控制，也能够缩短加工的周期。在仿真过程中使用动力显示算法，能够缩短计算时间，控制储存空间，减少很多操作困难。

二、动力学显示算法

本文使用动力学显示算法进行仿真研究，得到滚压过程中产生的应力和应变等。动力学显示算法方程为：Mü+Cù+P=F。其中M是质量矩阵，C是阻尼矩阵，P是内力矩阵，F是外载荷矢量，u是位移。一般情况下，使用中心拆分法求解，离散速度中心差分公式为： ，加速度中心差分公式为： 。将这两个公式带入到动力学显示算法公式中，对离散点位移的公式进行求解。显示算法方程并不是耦合，而是要直接求解，显示方程存在稳定的条件，需要时间步长小于临界值，这样这个算法才是稳定的。

三、仿真过程以及结果

（一）仿真试验前处理

环状零件滚压加工方面，很多学者的研究使用了不同的仿真软件。本文以ABAQUS仿真软件为例，进行仿真研究[2]。在进行仿真研究的时候，使用SU304不锈钢作为航天阀门的密封件元件，在进行滚压的过程中发生的变形比较大，需要使用胡克定律以及应变模型来对材料弹性和塑性进行描述。在仿真過程中，密封件环状构件和滚刀接触并不是线性的简单问题，要想更加准确的模拟密封件环状结构，必须要设置无穿透条件在互相接触的两者间。

（二）刀具角度的影响

在刀具轴线和工件轴线两者间在进给过程中形成的角度就是刀具角度。在进行仿真的过程中，刀具角度要控制在0。～6.79。之内。让刀具角度发生改变来验证滚压加工质量受到的影响，最终可以得到结论：刀具角度的改变没有起到明显提高滚压质量的作用。在滚压加工过程中，选择合理角度保证刀具和机床之间不会互相干涉即可。通过对刀具角度的研究分析，刀具角度选择为6.79。和0.1。的时候进行实验，根据实验结果可以了解到在刀具角度为6.79。的时候，工件被加工之后表面相对平整，在刀具角度为6.79。的时候，所得到工件表面同样比较平整，这两者之间的差距不大，也验证了仿真结论的准确性。

（三）进给速度的影响

在同样刀具角度条件下，通过调整不同的进给速度，进行滚压加工的仿真，从而得到在不同的进给速度情况下，分析滚压的加工质量。当进给速度处于较低水平的时候，加工零件的边缘会产生上翘的情况。当进给速度处于比较高的水平的时候，加工零件的质量比前一种情况要好很多。将进给速度从每秒0.2毫米提升到0.4毫米的时候，对加工质量的影响并不明显。

（四）主轴转速的影响

在真实加工的过程中，可以发现滚压加工质量受到主轴转速比较明显的影响，对主轴转速进行仿真分析。通过对比分析可以明显了解到主轴转速的增大，会在滚压加工零件边缘产生明显的褶皱，其中的应力变化也十分明显，对于滚压加工质量把控有不利的影响。因此，将主轴转速设定为每分钟260转比较合理。对仿真结论展开试验验证，当主轴转速达到每分钟260转的时候，加工工件表面也一直处于平滑状态，并没有出现表面褶皱的情况，只存在轻微的表面上翘。这是由于实验时有塑料环对工件起到了约束作用，滚压部分值产生了轻微的上翘问题。当主轴转速达到每分钟340转的时候，加工工件产生小台阶，加工的表面也存在粗糙的问题，因此将主轴转速设定为每分钟260转比较恰当。

（五）进给方式的影响

在滚压加工的过程中，滚刀进给有两种方式，分别是恒速进给以及平滑进给。对于两种滚刀进给方式展开仿真，对加工质量进行对比。首先使用平滑进给的方式进行零件加工，所得到的零件边缘比较平整，并没有产生表面褶皱。再使用恒速进给的方式进行零件加工，可以发现零件表面出现了明显的边缘上翘，表面也出现了明显的褶皱。因此，在滚压加工的过程中，需要尽量保证滚压速度平滑的变化，这样更有助于保障零件的加工质量。对此结论展开试验分析，使用平滑进给方式加工，加工的部位相对平整，恒速给进方式加工造成了工件边缘上翘。根据实验结果可以确定平滑进给方式比恒速给进方式更具有优势，可以验证仿真结论的准确。

（六）滚压工艺参数的优化

根据航天阀门密封件滚压过程的仿真过程，对滚压工艺优化，从而得到滚压工艺的最佳参数。利用优化之后的滚压参数展开仿真试验，分析仿真结果可以了解到滚压部位的边缘并没有出现明显的上翘，也没有出现褶皱问题。内边缘也呈现出平整的效果，更加符合滚压加工的实际要求。经过滚压实验的验证，可以得出进给方式可以选择平滑进给，进给速度设定为每秒0.2毫米，主轴转速可以设定为每秒260转，刀具的角度可以控制在3.4。～6.79。。经过优化之后的工艺参数，在进行滚压加工的时候，可以加工出边缘平整，没有褶皱的零件。并且能够保证平滑的加工表面，加工出来的工件比较符合对技术的要求，可以用来指导实际加工工作。

结论：综上所述，本文基于仿真技术对滚压加工的重要性，使用动力学显示算法进行了仿真过程以及结果的分析，从仿真试验前处理、刀具角度、进给速度、主轴转速、进给方式以及滚压工艺参数的优化多个方面进行了研究。经过仿真实验的验证，可以得出进给方式可以选择平滑进给，进给速度设定为每秒0.2毫米，主轴转速可以设定为每秒260转，刀具的角度可以控制在3.4。～6.79。，可以保障滚压加工质量。

参考文献

[1]吴艳，连旭日.防止环状薄壁零件变形的加工方法[J].工程机械，2017，48（11）：38-41+7.

[2]南红艳，李春杰，黄鑫，郑喜平.环状零件的淬火变形规律及其在生产中的应用[J].热加工工艺，2016，45（06）：214-216.