蒙皮拉伸成形过程模拟 第 1 页 共 13 页
第八章 蒙皮拉伸成形过程模拟.......................2
8.1 蒙皮拉伸工艺简介...........................2
8.2 蒙皮拉伸成形数值模型建立...................3
8.2.1蒙皮拉伸成形简化.......................3
8.2.2 蒙皮拉伸成形分析流程..................3
8.3 蒙皮拉伸成形仿真示例.......................5
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第八章 蒙皮拉伸成形过程模拟
8.1 蒙皮拉伸工艺简介
蒙皮拉伸拉形工艺是指板料两端在拉形机夹钳夹持下，夹钳沿一定轨迹运动
或模具上升使板料与拉形模接触，产生不均匀的平面拉应变而使板料与拉形模贴
合的成形方法[]。
蒙皮拉伸拉形工艺是板料成形工艺的一个重要分支，该工艺主要用于大型壳
类零件的小批量生产，是航空和航天器蒙皮制造的主要方法[]。蒙皮拉伸拉形过
程中板料在拉力的作用下逐步包覆在模具表面，形成所需要零件形状。成形中主
要通过拉形模和夹钳的相对运动，对板料施加拉力和弯矩，使板料与拉形模贴合
面逐渐扩展，并最终完全贴合。其实质是通过对板料协同施加一定的膜向拉应力
和弯曲力矩，使板材尽可能进入全塑性状态，从而达到减小板材弯曲内力，减轻
膜向应力分布不均现象，并最终达到减小卸载回弹、提高零件成形精度的目的[][]。
由于蒙皮拉形所需的成形模具结构简单，制造成本低，因此十分适合于小批量、
多品种零件产品。
蒙皮是飞机的外形零件，构成了飞机的气动外形，因而要求外形准确、流
线光滑和表面无划伤、擦伤、粗晶等缺陷[]。与普通的板料成形工艺（如冲压成
形等）相比，蒙皮拉伸成形过程中板料与模具间存在较大的接触面积，两者间的
接触状态对零件的可成形性及成形零件的质量如壁厚分布的均匀性，成形件表面
维普资讯 图３有限元分析模型及毛坯初始状态下的网格
３．结果分析及讨论
图４、图５是不同挤压阶段试件的应力及应变分布。
通过分析上述云图可以了解试件在反挤压过程中金属的
流动规律。当凸模开始压入坯料时，和凸模接触的坯料
端面，因为有接触摩擦，所以变形极小，和镦粗情况相
似，是一个难变形区。坯料的下端面受凹模的摩擦阻
力，因而变形也极小，也是个难变形区。在上、下难变
形区之间的金属，在上、下难变形区的作用和周围模壁
的限制下，发生了剧烈的向外、向上的流动。工件的成
形主要依靠这一流动过程而产生。该变形区域，可称为
强烈变形区。反挤压时坯料各部分的变形是很不均匀
的，变形最大处在零件的内表面，外表面变形较小。另
外也可以看到，当零件的筒壁挤出后不再变形，只是向
上作刚性平移，这是由挤压工艺本身的特点所决定的。
图５挤压结束时试件的应力应变分布
由于受工件和模具之间的摩擦作用，试件的内外表
面在挤压过程中流动不均匀，在试件的端面形成一定坡
圆 ｚ堡 缸槭 热加工
ｗＨ＾＾，．疗螅ｄｌ 椒．ｃ。ｒｎ．ｏ＇１ 口。由图５的结果还可以看出，挤压结束后，试件被挤
出的壁高不同，内侧所获得的高度明显较外侧低。这是
由于试件的壁厚不同，厚度大的部位模具间隙较大，金
属流动时所受的阻力小，流动速度相对较快所致。
图６所示为模拟所获得的压力行程图。通过压力行
程曲线可以判断挤压过程中挤压力的变化规律，同时为
选择合适的压力设备提供参考依据。由图６可以看出，
波导件在挤压过程中，压力变化分为三个阶段。在Ｉ区
由于凸模开始压入坯料，材料会产生变形抗力，所需压
力急剧增大。当压力增至材料开始屈服变形时，在试件
内部逐步形成一个稳定的塑性变形区。随着凸模的下
压，试件稳定变形区的大小基本不发生改变，只是位置
逐步下移，此时压力基本处于一个稳定变化的阶段。随
着模具的逐步下压，当毛坯的底部余料厚度小于一定值
第３８卷第１期 ２０１０年１月 华南理工大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ （Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） ＶＯ１．３８ Ｎｏ．１ Ｊａｎｕａｒｙ ２０１０
文章编号：１０００－５６５Ｘ（２０１０）０１—０１２８—０６
薄壁轴向微沟槽铜管高速旋压成形的数值模拟水
李勇 许泽川 汤勇 曾志新
（华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州５１０６４０）
摘要：利用有限元分析软件ＭＳＣ．Ｍａｒｃ建立了简化的１／４旋转对称模型，对薄壁轴向 微沟槽铜管的钢球高速旋压成形过程进行模拟，并对成形特征和等效应力应变、残余应力
的分布规律进行分析．结果表明：成形过程中，金属回弹效应会导致齿根部出现凹口缺陷；
等效应力应变及三向应力应变沿轴向呈层状分布，沟槽管外壁面应力超过材料应力极限
导致铜屑产生，且易出现断管现象；沟槽底部的等效应力应变和残余应力大于齿顶与外壁
面的应力；过大的残余应力容易造成材料脆化，进而产生裂纹等缺陷． 关键词：轴向微沟槽铜管；钢球旋压；成形特征；应力；应变；有限元分析
中图分类号：ＴＧ３０６；ＴＧ４８ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００．５６５Ｘ．２０１０．０１．０２５
轴向沟槽式微热管具有壁薄、重量轻、不存在接
触热阻和热响应快等优点，符合电子器件轻薄短小
的发展趋势…，已成为当今高热流密度芯片导热的
理想元件．薄壁轴向微沟槽铜管是制造沟槽式微热
管的坯料管．目前，很多学者已将有限元法应用到金
属塑性成形加工过程的数值模拟中．如利用Ａｎｓｙｓ对 管材旋压成形进行三维弹塑性数值模拟 。 ；利用动
态显式有限元程序Ｌｓ—ｄｙｎａ３ｄ，采用薄壳单元对薄壁
筒收口旋压变形进行数值模拟 ；利用ＭＳＣ．Ｍａｒｃ软
件，采用三维八节点六面体单元，对ＴＣ４合金筒形
件流动旋压进行三维弹塑性数值模拟 ，对非轴对
文章编号：１６７２—０１２１（２００７）０３—００６５～０３ Ｆｏ 田
锥齿轮挤压成形弹塑性有限元数值模拟
李传彪，胡建华。朱彦生，秦建军 （武汉理工大学材料科学与工程学院，湖北武汉４３００７０）
摘要：利用Ｐｒｏ／Ｅ的三维实体造型与模具设计模块进行直齿圆锥齿轮的造型及模具设计，然后导入到
ＤＥＦＯＲＭ中，在ＤＥＦｏＲＭ中建立三维挤压有限元模型。采用三维大变形弹塑性有限元法对齿轮挤压的塑性 成形过程进行了模拟，分析了成形过程中齿轮齿形的填充情况、金属流动速度场以及等效应变与等效应力
分布，获得了直齿圆锥齿轮的挤压变形规牮与参数。 关键词：机械制造；挤压；直齿圆锥齿轮；数值模拟
中图分类号：ＴＧ３７６．３ 文献标识码：Ｂ
１ 引言 直齿圆锥齿轮是重要的机械传动零部件，被广
泛的应用于汽车、船舶等各类机械设备和机械相关
行业领域，起着传递运动和动力的作用，齿轮质量的 好坏直接影响到相关产品的性能…。冷挤压技术具有
生产效率高，省材料，成本低，产品强度、精度高，表 面质量好等特点，在各种中、小型齿轮加３２中得到广 泛的应用。目前，随着模具技术水平的提高，特别是
先进制造技术如ＣＡＤ／ＣＡＭ技术、精密加工技术、特
种加工技术以及坐标测量技术的应用，现已能生产 高精度的模具以满足中、小模数齿轮的成形要求 。
本文利用Ｐｒｏ／Ｅ对小模数锥齿轮零件进行三维 造型和模具设计，并将其导入ＤＥＦｏＲＭ，建立了齿 轮挤压模型。采用弹塑性有限元法和基于应变梯度、
表面曲率的网格自适应技术，对齿轮挤压的塑性成
形过程进行了数值模拟分析。再现ｌ 『齿轮冷挤压的 成形过程，使变形瞬间状态及力学量场可视化，得出
型腔充填规律，并反映成形过程中的内部缺陷与型 腔角隅充填性。数值模拟所得出的变形力学参数及 成形性分析结果为实用化工艺研究与设计提供了有
效的信息和技术支持。
２零件及工艺分析 锥齿轮零件如图１所示，其齿形参数：齿数 ２０，大端模数ｍ＝０．５，齿斜角 ＝０，直齿压力角 ＝
