空心件正擠裂紋成因的數(shù)值模擬分析
更新時(shí)間：2008-9-1 16:04:31 文章來(lái)源：互聯(lián)網(wǎng) 點(diǎn)擊：
摘要：利用上限元技術(shù)(UBET)模擬了空心件正擠壓成形過(guò)程中的變形力規(guī)律，分析了變形比、摩擦因子、以及凹模錐角θ對(duì)擠壓力及內(nèi)孔壁裂紋形成的影響。由此得出減少裂紋產(chǎn)生的措施，為工藝參數(shù)的選擇提供理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞：空心件；正擠壓；上限元；變形力；裂紋；數(shù)值模擬
一、前言
在工藝研究和生產(chǎn)實(shí)踐中，正擠空心件在內(nèi)孔壁易出現(xiàn)裂紋。解決裂紋的產(chǎn)生，需弄清裂紋產(chǎn)生的原因及其影響因素。本文利用上限元法對(duì)其變形力和變形規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，不僅提高了工藝設(shè)計(jì)的理論水平，而且對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐也有很大的指導(dǎo)意義。
二、薄壁深孔件正擠壓過(guò)程的上限元模擬
本文利用UBET對(duì)圖1所示的擠壓件進(jìn)行了模擬。圖1a是毛坯圖，圖1b是制件圖。UBET可用來(lái)模擬金屬變形過(guò)程，預(yù)測(cè)金屬的流動(dòng)規(guī)律。UBET的要點(diǎn)是從變形體的初始瞬時(shí)(或某一瞬時(shí))的邊界交點(diǎn)引一組與坐標(biāo)軸平行的直線，將變形體分成若干個(gè)規(guī)范單元，然后計(jì)算出變形邊界的移動(dòng)速度，這樣就可得到下一瞬時(shí)變形體輪廓的幾何形狀，再?gòu)男碌倪吔缃稽c(diǎn)出發(fā)引新的正交線，將變形體再次劃分，再計(jì)算新的邊界移動(dòng)速度，求出下一瞬間變形體的輪廓。依次類推，則能模擬出一個(gè)連續(xù)的變形過(guò)程。
(a)毛坯圖(b)制件圖
圖1擠壓毛坯圖和制件簡(jiǎn)圖
設(shè)計(jì)一個(gè)既要盡可能符合客觀實(shí)際情況，又要便于數(shù)學(xué)處理的流動(dòng)模型，是UBET的關(guān)鍵。以下塑性流動(dòng)模型的建立滿足體積不變和變形邊界條件。裂紋的產(chǎn)生發(fā)生在穩(wěn)定變形階段，因此本過(guò)程只模擬穩(wěn)定變形階段。由于是軸對(duì)稱問(wèn)題，只須取變形體的1/4作為分析對(duì)象。單元?jiǎng)澐秩鐖D2所示，首先將擠壓件的1/4劃分成14個(gè)單元，各個(gè)單元的編號(hào)、單元邊界交點(diǎn)坐標(biāo)的編號(hào)以及邊界速度的編號(hào)均如圖示。運(yùn)動(dòng)許可的速度場(chǎng)與文獻(xiàn)［1］相同。
圖2單元?jiǎng)澐质疽鈭D
摩擦是塑性加工中普遍存在的問(wèn)題。在此擠壓成形過(guò)程中，制件內(nèi)壁裂紋的形成與摩擦有很大關(guān)系，正確處理摩擦條件是個(gè)重要關(guān)鍵。本文假設(shè)摩擦因子μ為相對(duì)滑動(dòng)速度的函數(shù)［2］
μ＝α.Δv
式中α——常數(shù)，與材料性質(zhì)有關(guān)，本文中α＝0.05［3］
Δv——相對(duì)滑動(dòng)速度
根據(jù)庫(kù)侖定律，摩擦切應(yīng)力
τ＝μ.σs＝α.Δv.σs
3.模擬方法
本文采用平行速度場(chǎng)假設(shè)，用步進(jìn)方式對(duì)擠壓過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。通過(guò)對(duì)速度場(chǎng)的優(yōu)化，根據(jù)上限原理，模擬出外力對(duì)制件所做的總上限功，由此，求出制件內(nèi)壁所受的拉應(yīng)力，根據(jù)第三強(qiáng)度理論來(lái)判斷制件內(nèi)壁裂紋的產(chǎn)生。
影響裂紋產(chǎn)生的原因有許多種，本文著重研究變形比、摩擦因子、凹模錐角對(duì)擠壓力大小及裂紋形成的影響。
模擬時(shí)的基本參數(shù)：材料20號(hào)鋼σs＝230MPa，σb＝390MPa［4］，θ＝120°，α＝0.05。
三、模擬結(jié)果
1.凹模錐角對(duì)制件內(nèi)壁拉應(yīng)力的影響
圖3是不同的凹模錐角時(shí)，制件內(nèi)壁所受的拉應(yīng)力與行程的關(guān)系曲線。由圖知，錐角凹模與平底凹模對(duì)桿部所受的拉應(yīng)力有較大的影響，隨角θ的減小有利于降低總擠壓力，當(dāng)θ＝180°時(shí)在凹模直角處會(huì)形成金屬渦流的死區(qū)，金屬向桿部的流動(dòng)變得困難，造成桿部拉應(yīng)力增大使裂紋易于產(chǎn)生�？梢�(jiàn)，減小凹模錐角有利于減緩裂紋的形成。但擠壓角也不宜太小，太小使金屬變形區(qū)變長(zhǎng)，使摩擦力變大。
圖3內(nèi)壁拉應(yīng)力與行程的關(guān)系曲線
圖4是不同的變形程度時(shí)，總擠壓力與行程的關(guān)系曲線。圖5是不同的變形程度時(shí)，桿部所受的拉應(yīng)力與行程的關(guān)系曲線。
圖4擠壓力與行程的關(guān)系曲線 圖5內(nèi)壁拉應(yīng)力與行程的關(guān)系曲線
3.摩擦因子對(duì)總擠壓力和制件內(nèi)壁拉應(yīng)力的影響
圖6是不同的摩擦因子時(shí)，總擠壓力與行程的關(guān)系曲線。圖7是不同的摩擦因子時(shí)，桿部所受的拉應(yīng)力與行程的關(guān)系曲線。其中m等同于摩擦公式中的α。
圖6擠壓力與行程的關(guān)系曲線 圖7內(nèi)壁拉應(yīng)力與行程的關(guān)系曲線
四、結(jié)論
本文采用上限元技術(shù)模擬了空心件正擠壓變形力及流動(dòng)規(guī)律，為工藝參數(shù)的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。
參考文獻(xiàn)
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