周 祥,孟憲舉

(河北理工大學(xué)機械工程學(xué)院,河北唐山 063009)

0 引言

數(shù)值模擬是研究金屬塑性成形變形過程的一種重要方法,常見的金屬成形數(shù)值模擬方法有如下幾種:彈塑性、剛塑性、彈粘塑性及剛粘塑性有限元法。有限元通過模擬可以了解成形過程中各參數(shù)對成形的影響,并結(jié)合模擬結(jié)果進行分析預(yù)測。相對伸長量和壁厚相對增量是開式冷擠壓尺寸預(yù)測的兩個重要參數(shù),本文中利用有限元軟件Deform具體的分析了各個參數(shù)對相對伸長量及壁厚相對增量的影響規(guī)律,為開式冷擠壓的尺寸分析提供了一定的理論依據(jù)。

圖1 不開式冷擠壓示意圖

1 尺寸參數(shù)介紹

如圖 1所示為開式冷擠壓的示意圖,其中 D0和 D1為擠壓件原始外徑和擠出外徑,d0和 d1分別為坯料原始內(nèi)徑和擠出內(nèi)徑,t0和 t1分別為擠出前后管材的壁厚,L0和 L1分別為變形前后坯料的長度,2a是模具錐角。在擠壓過程中有三個參數(shù)是未知的,即擠出內(nèi)徑,相對厚壁增量和相對伸長量δ。

相對伸長量定義為:

相對伸長量為:

2 設(shè)定模擬參數(shù)

有限元的幾何模型在建模軟件Pro/E中建立,根據(jù)坯料結(jié)構(gòu)的對稱性,取凹模與毛坯的 1/2為研究對象,以提高運算速度,其它模擬參數(shù)如下:

1)試件材料為45號鋼,在模擬中選用與45號鋼物理性能相似的AISI-1045,COLD[70F(20C)],不考慮凹模與凸模的變形,所以視它們?yōu)閯傮w。

2)擠壓溫度,收斂方法為牛頓迭代法,設(shè)凸模的擠壓速度為4 mm/s

3)模擬中采用剪切摩擦模型,摩擦因數(shù)分別取值為 0.05,0.08,0.12,0.25

4)幾何參數(shù):根據(jù)理論分析,相對伸長量和壁厚增量的影響因素主要有:原始厚徑比、模具錐角2a。采用不同的模具錐角的模具:2a=10°、20°、30°、40°、60°,設(shè)工件原始直徑不變是D0=22.4 mm,為消除非穩(wěn)定性變形段影響L0＞2D0,故幾何模型取L0=46 mm,選取 4種原始厚徑比分別取坯料內(nèi)徑d0值為9 mm,11 mm,13mm,15mm,得到一組厚徑比

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 摩擦系數(shù)伸長量的影響

摩擦系數(shù)是影響尺寸預(yù)測的重要參數(shù),選取四種不同摩擦系數(shù) 0.05,0.08,0.12,0.25進行模擬計算,不同的摩擦系數(shù)對管材的相對伸長量及壁厚增量的影響如圖 2所示。因為摩擦系數(shù)增大,摩擦力也隨著增大,使質(zhì)點軸向流動比較困難,而較容易產(chǎn)生徑向流動,從而使壁厚增加,軸向伸長量減小。

圖2 摩擦系數(shù)對伸長量的影響

3.2 原始厚徑比對伸長量的影響0

當(dāng)其它參數(shù)相同時,選取四種不同的厚徑比進行模擬,不同的厚徑比對管材的相對伸長量和壁厚增量影響如圖 3所示,我們可以看出隨著厚徑比的增大,同時相對伸長量增大。厚徑比越大,管壁越厚,金屬向內(nèi)徑流動越困難,同時沿軸向流動的材料越多,因此伸長量尺寸會增大。

3.3 模具錐角對伸長量的影響

根據(jù)模擬條件設(shè)置,當(dāng)其它模擬條件相同時,選取四組不同模具錐角 2a=10°、20°、30°、40°、60°進行模擬,從圖 4中可以看出,模具錐角與相對壁厚增量及相對伸長量的影響。

4 結(jié)論

本文利用金屬成形專用有限元軟件Deform-3D對管材的開始冷擠壓過程進行了數(shù)值模擬,根據(jù)模擬結(jié)果可以看出在擠壓過程中管材的相對伸長量隨著厚徑比和模具錐角的增大而增大,但是當(dāng)摩擦力增大時相對伸長量開始減小。

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