管件開式冷擠壓尺寸預測的數值模擬

周 祥,孟憲舉

(河北理工大學機械工程學院,河北唐山 063009)

0 引言

數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對成形的影響,并結合模擬結果進行分析預測。相對伸長量和壁厚相對增量是開式冷擠壓尺寸預測的兩個重要參數,本文中利用有限元軟件Deform具體的分析了各個參數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。

圖1 不開式冷擠壓示意圖

1 尺寸參數介紹

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分別為坯料原始內徑和擠出內徑,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是未知的,即擠出內徑,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 設定模擬參數

有限元的幾何模型在建模軟件Pro/E中建立,根據坯料結構的對稱性,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,摩擦因數分別取值為 0.05,0.08,0.12,0.25

4)幾何參數:根據理論分析,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徑d0值為9 mm,11 mm,13mm,15mm,得到一組厚徑比

3 模擬結果與分析

3.1 摩擦系數伸長量的影響

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

圖2 摩擦系數對伸長量的影響

3.2 原始厚徑比對伸長量的影響0

當其它參數相同時,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

根據模擬條件設置,當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值模擬,根據模擬結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,但是當摩擦力增大時相對伸長量開始減小。

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