羅遠(yuǎn)新，徐俊峰，王勇勤，張 君

(1. 重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶400044;2. 中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032;3. 金屬擠壓與鍛造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710032)

0 前言

坯料與內(nèi)筒接觸面上壓強(qiáng)高，工作環(huán)境溫度高，潤滑劑容易被擠出接觸面[1,2]。在這些惡劣條件下，擠壓筒在使用一定周期之后，擠壓出的型材會(huì)出現(xiàn)劃傷、氣泡、起皮、成層等缺陷，將擠壓筒內(nèi)筒用堿性溶液清洗后發(fā)現(xiàn)，內(nèi)壁特別是出料口端的磨損十分嚴(yán)重[3]。擠壓筒磨損不僅會(huì)造成產(chǎn)品質(zhì)量問題，磨損點(diǎn)會(huì)成為擠壓筒疲勞開裂的開裂點(diǎn)，擠壓筒損壞會(huì)給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。因此，研究擠壓筒的磨損為實(shí)際生產(chǎn)提供參考具有十分重要的意義。

擠壓筒內(nèi)筒磨損通常為粘著磨損[4]，Archard模型[5]是分析粘著磨損最常用的模型，近些年來，不斷有學(xué)者通過修正Archard模型進(jìn)行磨損研究，Behrens[6]從優(yōu)化模具壽命的角度出發(fā)將準(zhǔn)確預(yù)測模具的磨損壽命作為一個(gè)重要要求，基于現(xiàn)場測試的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，考察其硬度隨熱軟化的演化情況，提出了一個(gè)修正的Archard模型，使得該模型的預(yù)測精度與應(yīng)用范圍均有所提高。Lee等[7]通過試驗(yàn)考察了溫度對(duì)摩擦因子的影響以及磨損因子隨溫度的變化規(guī)律，并據(jù)此對(duì)Archard模型進(jìn)行了修正，最后采用仿真模擬研究了溫?cái)D壓過程中模具的磨損壽命。Kang等[8,9]針對(duì)普遍采用的預(yù)測金屬成形制造中工模具磨損的Archard模型進(jìn)行了修正，將模型中的工模具硬度由常數(shù)變?yōu)榕c溫度和操作時(shí)間有關(guān)的函數(shù)，采用仿真模擬分析手段研究了等溫?cái)D壓過程中工模具的磨損情況；將修正后的Archard模型與仿真模擬相結(jié)合，成為研究磨損常用手段之一。王雷剛等[10]在修正的Archard磨損模型基礎(chǔ)上，采用有限元分析軟件對(duì)兩種形狀的擠壓模具型腔進(jìn)行磨損分析。

為了方便計(jì)算，本文建立了某型號(hào)擠壓筒模型的二維有限模型，以內(nèi)筒內(nèi)壁的徑向位移量作為磨損量。將改進(jìn)型Archard磨損模型通過FORTRAN語言編寫入用戶自定義的自適應(yīng)網(wǎng)格(ALE)約束條件子程序UMESHMOTION中，利用有限元軟件ABAQUS模擬擠壓筒的磨損。對(duì)擠壓筒工作過程中內(nèi)筒的磨損進(jìn)行仿真模擬，探究坯料屈服強(qiáng)度、摩擦系數(shù)和H13屈服強(qiáng)度對(duì)磨損性能的影響規(guī)律。

1 基于修正Archard模型的擠壓筒磨損深度計(jì)算公式

(1)

式中，Q為磨損體積；W為坯料與擠壓筒內(nèi)筒接觸面的法向壓力；v為坯料與擠壓筒內(nèi)筒之間的切向相對(duì)滑移速度，σs內(nèi)筒材料的屈服強(qiáng)度，K為磨損因子。

擠壓筒內(nèi)壁上的作用力主要來自坯料，取擠壓筒內(nèi)壁表面的一個(gè)微元為研究對(duì)象，設(shè)其承受的正向壓力為P，承載面積為△A，則內(nèi)壁承受的法線載荷為：W=P△A。因此，擠壓筒內(nèi)壁的磨損率可以表達(dá)為

(2)

式(2)可表示為

(3)

擠壓筒徑向受力基本一致，擠壓正應(yīng)力在軸向位置變化分布，針對(duì)本課題采用的二維模型，某一軸向位置的磨損情況可以用徑向磨損深度來代替整體磨損體積，微元在無窮小的時(shí)間dt磨損厚度增量為dh，dV=△A·dh，代入到(3)得：

(4)

有限元模擬時(shí)，采用離散化計(jì)算方法進(jìn)行求解，將磨損深度h進(jìn)行離散化計(jì)算，選取有限小的時(shí)間段△t為時(shí)間增量，同時(shí)認(rèn)定U和P在△t內(nèi)為恒定值，該時(shí)間段內(nèi)的磨損深度△h可通過公式(5)求出。

(5)

單次擠壓時(shí)間分割成m個(gè)時(shí)間間隔，第i節(jié)點(diǎn)單次擠壓磨損深度△h為

(6)

第i節(jié)點(diǎn)n次磨損總深度h為

(7)

2 擠壓筒磨損的有限元模擬

本文主要研究擠壓筒工作過程中內(nèi)筒的摩擦磨損行為，因此試驗(yàn)材料為熱作模具鋼H13以及代表性的鋁坯料航空鋁材7050。在500 ℃高溫下，對(duì)H13熱作模具鋼進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)獲得熱彈性模量和屈服強(qiáng)度，磨損因子[11]。

2.1 擠壓筒的有限元模型

在有限元軟件ABAQUS中，模擬7050鋁合金棒材成型過程，擠壓比為3∶1，溫度為500 ℃。擠壓筒的有限元模型如圖1所示，各筒之間由于過盈配合裝配，摩擦系數(shù)設(shè)為0.8，對(duì)擠壓筒和模具進(jìn)行軸向約束，坯料沿軸向勻速向下擠出。擠壓筒和坯料都是軸對(duì)稱圓柱體，磨損量的大小以內(nèi)筒徑向尺寸減少量表示，所以為了計(jì)算方便采用二維模型。將修正后的Archard磨損模型通過FORTRAN語言編寫入用戶自定義的自適應(yīng)網(wǎng)格(ALE)約束條件子程序UMESHMOTION中，ALE自適應(yīng)網(wǎng)格約束區(qū)域如圖2所示。

圖1 擠壓筒的有限元模型

圖2 ALE自適應(yīng)網(wǎng)格劃分區(qū)域

2.2 磨損模擬結(jié)果與分析

根據(jù)文獻(xiàn)[12]可知，擠壓筒在經(jīng)過15 600次擠壓循環(huán)后會(huì)發(fā)生蠕變疲勞失效，因此在進(jìn)行擠壓筒磨損計(jì)算時(shí)循環(huán)次數(shù)設(shè)為15 600次。圖3為磨損模擬結(jié)果，其擠壓速度為v=0.1 m/s，從圖3中可以看出擠壓筒內(nèi)壁靠近出料口的徑向位移大幅增加，即由于多次擠壓，擠壓筒出料端的內(nèi)壁表面已經(jīng)出現(xiàn)明顯的磨損，內(nèi)徑明顯變大。在擠壓過程中，擠壓筒內(nèi)筒承受軸向摩擦力，造成內(nèi)筒內(nèi)表面產(chǎn)生磨損。由圖3b可以看出，雖然整個(gè)擠壓筒的軸向位移相對(duì)于徑向位移來說很小，但可以看出擠壓筒內(nèi)筒靠近入料端部分的軸向位移較大，且與擠壓方向相反，并且在與中筒配合的面上分布更顯著。這是因?yàn)榕髁媳粩D料桿沿著擠壓方向擠壓時(shí)，坯料對(duì)擠壓筒內(nèi)筒的摩擦力是內(nèi)筒向擠壓反方向運(yùn)動(dòng)，因此導(dǎo)致了內(nèi)筒沿軸向向坯料后端運(yùn)動(dòng)。如圖4所示，將過盈裝配后與多次擠壓循環(huán)后的徑向位移方分布進(jìn)行對(duì)比，其差值即為其磨損量?？梢钥闯鰯D壓筒內(nèi)壁出料端的磨損情況最嚴(yán)重，因?yàn)樵撎幣c坯料的接觸時(shí)間最長，并且磨損程度沿軸向從出料端往入料端逐漸減少。這與實(shí)際生產(chǎn)過程中觀察到的出料端磨損嚴(yán)重的現(xiàn)象一致。

圖3 蠕變疲勞失效時(shí)即N=15 600次后位移分布

圖4 擠壓循環(huán)周期后擠壓筒內(nèi)壁磨損分布

3 擠壓筒磨損影響因素分析

3.1 坯料屈服強(qiáng)度對(duì)擠壓筒磨損的影響

為了研究不同擠壓接觸力對(duì)擠壓筒內(nèi)壁磨損情況的影響，本文模擬了擠壓筒內(nèi)壁在三種不同擠壓坯料下的磨損情況，摩擦系數(shù)為0.25，材料屈服強(qiáng)度分別為30 MPa，60 MPa以及90 MPa，將其所產(chǎn)生的擠壓接觸力分別命名為Cpress1，Cpress2，Cpress3。圖5為不同擠壓坯料下擠壓筒內(nèi)壁在擠壓循環(huán)10 000次后的磨損分布，可以看出擠壓筒內(nèi)壁的磨損深度與擠壓坯料的屈服強(qiáng)度成正相關(guān)，這是因?yàn)榕髁系那?qiáng)度決定了使坯料發(fā)生塑性變形的擠壓力的大小，即決定了影響磨損量的接觸應(yīng)力大小，因此影響了磨損情況。由此可知，擠壓力越大，擠壓筒內(nèi)筒內(nèi)壁的磨損越嚴(yán)重，越容易過早引起擠壓生產(chǎn)的不正常運(yùn)行。由于正常磨損失效不可避免，因此可根據(jù)模擬計(jì)算情況，對(duì)實(shí)際擠壓參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以期延長磨損壽命。

圖5 N=10 000次循環(huán)擠壓后不同材料擠壓坯料下擠壓筒內(nèi)壁磨損沿軸向的分布

為了研究不同摩擦系數(shù)對(duì)擠壓筒內(nèi)壁磨損的影響，本文模擬在坯料屈服強(qiáng)度為90 MPa，在不同摩擦系數(shù)μ下循環(huán)10 000次，圖6是在不同的摩擦系數(shù)時(shí)，經(jīng)過10 000次循環(huán)擠壓后不同摩擦系數(shù)下擠壓筒內(nèi)壁磨損沿軸向的分布。從圖中可以看出，隨著摩擦系數(shù)的增大，磨損量也隨之增大。由Archard模型可知，磨損量只與接觸壓力和滑移距離有關(guān)，摩擦系數(shù)改變，間接的影響擠壓過程中坯料與擠壓筒內(nèi)筒的接觸壓力，接觸壓力隨摩擦系數(shù)的增大而增大。摩擦系數(shù)主要影響接觸面的剪切力，當(dāng)剪切力較大的時(shí)候，材料容易發(fā)生疲勞磨損，因此在生產(chǎn)中要盡量避免接觸面之間產(chǎn)生較大的摩擦力。

圖6 N=10000次循環(huán)擠壓后不同摩擦系數(shù)下擠壓筒內(nèi)壁磨損沿軸向的分布

由Archard模型可知，H13坯料強(qiáng)度也是影響擠壓筒磨損性能的重要因素，為了研究坯料強(qiáng)度對(duì)擠壓筒磨損性能的影響，模擬在坯料強(qiáng)度為90 MPa，摩擦系數(shù)為μ=0.25，H13屈服強(qiáng)度分別為σs=898.98、σs=998.98、σs=1098.98，經(jīng)過10 000次循環(huán)之后，擠壓筒不同位置的磨損分布如圖7所示。由圖7可知，各部位的磨損量和H13屈服強(qiáng)度成負(fù)相關(guān)關(guān)系，屈服強(qiáng)度越高，擠壓筒的磨損量越小。

圖7 N=10 000次循環(huán)擠壓后不同摩擦系數(shù)下擠壓筒內(nèi)壁磨損沿軸向的分布

4 結(jié)論

(1)擠壓筒內(nèi)筒出料端的磨損情況最嚴(yán)重，因?yàn)樵撎幣c坯料的接觸時(shí)間最長，并且磨損程度沿軸向從出料端往入料端逐漸減少。

(2)坯料屈服強(qiáng)度和摩擦系數(shù)對(duì)磨損的影響是正相關(guān)的，擠壓筒材料的屈服強(qiáng)度與對(duì)磨損的影響成負(fù)相關(guān)關(guān)系。