1. 項目的工程意義和代表性

大塑性變形（SPD）是制備塊材超細晶粒和納米結構材料的有效手段，是設計具有優良性能的新型金屬材料的一種很有前途的策略。大塑性變形（SPD）技術通過一系列材料加工方法已成為當今材料科學的一個組成部分，通過產生大應變的塑性變形使金屬的微觀結構得到極大的細化，這在傳統的金屬成形操作中是很難實現的。過去幾十年來，從擠壓、軋制和鍛造等傳統工藝發展起來的各種SPD工藝方法可用于生產塊材、板材和管材，其特點是使最終零件無機械缺陷、裂紋或氣孔等問題。

強力旋壓是制造薄壁長筒形零件最為有效的方法之一 。使用該方法加工的筒形零件的精度不遜于切削加工，而且材料利用率明顯優于切削加工，特別是塑性變形既保證了筒形零件的纖維流向，又細化了其原始晶粒尺寸，這些都明顯提高了筒形零件的力學性能。 錯距旋壓是使多個旋輪在軸向相互錯開而在徑向又依次使毛坯厚度減薄的一種旋壓方式，采用這種方式可以在一道工序中完成需要幾道工序完成的工作，使生產率顯著提高。在這個過程中，組件的內徑保持不變，而外徑在加工過程中減小，從而增加了工件的長度。

 圖1 錯距旋壓示意圖

2. 仿真目的和基本設置

由于流動成形是一個非線性塑性變形過程，為了有效、成功地制造產品，需要了解流動成形過程中所遇到的力和應變分布。局部應變和應力的分布很難通過實驗來分析。因此，試圖從變形、轉速、每道次減薄量等方面對工藝進行合理設計，并預測管壁長度和厚度方向上的力、應力、應變分布。

為此，基于LS_Dyna/Explicit平臺，建立了管坯反向流動成形過程的有限元模型，分析了一道次管壁和壁厚方向應變分布的數值結果。在仿真中，為了減少計算次數，避免工件因旋轉產生的體積的問題，假設芯軸和工件是固定的，三個旋輪都繞著工件的軸線旋轉并同時沿軸向平移。將旋輪和芯棒視為剛性零件，工件采用8節點的1 mm六面體單元進行網格劃分，為減少了計算時間采用了質量縮放。工件由三個軸向偏移量為1 mm的旋輪加工流動成形，每個旋輪的減薄量為0.05 mm，三個旋輪的總減薄量為0.15 mm。有限元模型的本構關系是基于拉伸試驗得到的鋁合金真應力-應變曲線。底部節點在所有方向都固定，以確保材料反向流動。在芯軸表面和管內表面之間以及旋輪面和管外表面之間建立了表面到表面的接觸，假設接觸面之間無摩擦。旋輪轉速為420 rpm作為參考，沿軸向平移速度為2 mm/s。

3. 工件和旋輪的簡圖

圖2 簡化后的模型

4. 橫截面和縱截面信息輸出示意圖

圖3 橫截面和縱截面示意圖

 

5. Ansys LS-DYNA的分析效果

 圖4 模擬穩定性和旋輪反應力

結論：中間面和內表面都在軸向上受到拉伸應變，在徑向上受到壓縮應變，環向上應變很小，但是外表面起初受力是相反的，在徑向上有一個拉伸應變在軸向上有壓縮應變，這是因為外表面因為材料的來不及流動會形成突起。

圖5 沿管壁縱向和厚度方向的有效應變分布

結論：沿管厚度方向，管的外表面變形最大，應變值最大

 圖6 原始管和一道次成型后管的高度增加值

圖7 原始管和五道次成型后管的高度增加值

結論：筒形件因反向擠壓形成沿軸心棒的向上的流動變形，導致筒形件高度增高，直徑減小。  

圖8 成形過程中管材料的有效塑性應變的演化