豆形截面鋼絲輥模拉拔工藝數(shù)值模擬研究

郭豐偉+雷君相+高文靜

摘要： 采用二輥五道次輥模拉拔方法成形豆形截面鋼絲.依據(jù)豆形截面鋼絲形狀的特殊性及AISI70號鋼材的特性，設(shè)計了各道次孔型形狀.其中第一、二、四、五道次的道次壓縮率相等，輥子采用橫輥擺放；第三道次的道次壓縮率為0，該道次的輥子采用與橫輥呈90°的立輥擺放.計算并設(shè)計出各道次輥模組成的孔型型腔的截面尺寸和形狀，再利用Deform3D模擬軟件對五道次輥拉拔過程進(jìn)行仿真模擬，分析了工件輥模拉拔過程的變形機(jī)理，并對輥模拉拔過程中工件的等效應(yīng)力、等效應(yīng)變、模具的載荷等進(jìn)行了分析，同時選取特殊點進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變比較.研究結(jié)果表明，通過輥模拉拔方法生產(chǎn)的豆形截面鋼絲，其成形效果良好.

關(guān)鍵詞： 豆形截面鋼絲； 孔型結(jié)構(gòu)； 輥模拉拔； 有限元模擬； 理論指導(dǎo)

中圖分類號： TG 356.4+6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

輥模拉拔技術(shù)結(jié)合了拉拔工藝與軋制工藝的特點，由輥模組成特殊形狀型腔，依靠拉拔機(jī)施加在金屬坯料上的拉拔力帶動輥模轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)塑性變形.其中金屬坯料為主動運動，輥模為被動運動[1-3].輥模拉拔最大的特點是不需要用軋機(jī)提供復(fù)雜能量傳遞系統(tǒng)，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單。它將傳統(tǒng)固模拉拔中金屬坯料與輥模間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，減小了拉拔力，使拉伸更加省力[4-7].鄭寶龍等[8-10]重點介紹了國內(nèi)外輥拉技術(shù)的發(fā)展情況以及輥拉技術(shù)的特點，并從運動學(xué)角度得出了輥模拉拔外摩擦合力和拉拔力減小可實現(xiàn)高速拉拔的結(jié)論.田文彤等[11]對精密Ω形絲的輥模孔型進(jìn)行設(shè)計，采用五道次輥模拉拔成形，實現(xiàn)了輥模的交互式設(shè)計，縮短了設(shè)計周期.通過對鈮鋯合金絲材在輥拉拔設(shè)備上的試驗，確定了鈮鋯合金絲材的輥拉生產(chǎn)工藝并成功地應(yīng)用于生產(chǎn)[12].S形截面不銹鋼的輥模拉拔工藝過程采用1道輥彎及兩道輥模拉拔的成形方案，設(shè)計出各道次輥?？仔停媚M軟件，分析了工件成形的變形過程[13-14].Lambiase等[15]對輥拉成形過程中坯料尺寸、輥模直徑、減薄量及摩擦環(huán)境對成形效果的影響進(jìn)行了分析，利用最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行了試驗驗證.

由于豆形截面鋼絲的截面尺寸很小，尤其是存在極小圓角，尺寸僅為0.2 mm，采用傳統(tǒng)的固定模拉拔難以保證零件的表面質(zhì)量，很難控制產(chǎn)品的尺寸精度.本文采用二輥五道次輥模拉拔方法成形豆形截面鋼絲，通過對其輥拉過程進(jìn)行塑性變形分析，使產(chǎn)品的尺寸更精確.

1 成形過程有限元模型建立

1.1 坯料尺寸計算

豆形截面鋼絲的尺寸如圖1所示，它的最大尺寸為2.35 m，最小尺寸為圓角處的0.2 m，因其尺寸較小，屬于精密線材成形.在輥模拉拔過程中，原始圓截面坯料的尺寸可根據(jù)經(jīng)驗公式[11]：

D=2（h+b）πk（1）

式中：D為原始圓截面鋼絲坯料的直徑；b為豆形截面鋼絲的寬度；h為豆形截面鋼絲的厚度；k為系數(shù)，可取0.85.

由豆形截面鋼絲的尺寸可知，b=2.35 mm，h=0.84 mm，由此，原始圓截面坯料的直徑為2.39 mm.模擬過程和實際生產(chǎn)過程中，圓截面鋼絲直徑取2.4 mm，豆形截面鋼絲的零件圖如圖2所示.

1.2 設(shè)計各道次壓縮率及孔型結(jié)構(gòu)

對于異型絲的輥模拉拔過程，最重要的就是各道次軋輥組成的孔型型腔是否設(shè)計合理，是否有利于變形過程中的金屬流動，這直接關(guān)系到能否生產(chǎn)出符合廠家要求的產(chǎn)品.對于截面形狀復(fù)雜，且難變形的線材斷面壓縮率為15%～25%[16].先利用三維畫圖軟件設(shè)計出豆形截面線材的零件圖，計算出豆形截面鋼絲零件的截面面積，再對各道次的壓縮率和中間制件的截面積進(jìn)行反復(fù)推算，得出表1中數(shù)據(jù)，該豆形截面線材采用五道次輥模拉拔方法.最后設(shè)計出各道次的孔型形狀，如圖3所示.

該輥模拉拔過程分成五道次輥拉，前兩道次為橫輥擺放，孔型截面均為橢圓形，道次壓縮率相等，目的是提高原始坯料的強(qiáng)度和塑性.第三道次為立輥擺放，此道次壓縮率為0，孔型結(jié)構(gòu)依然為橢圓形，該部分的作用是為減小前兩道次產(chǎn)生的展寬.第四道次的孔型型腔結(jié)構(gòu)接近豆形，該道次為豆形截面線材輥模拉拔的粗成形階段.第五道次為精密豆形輥模拉拔成形.最后兩個道次的壓縮率與前兩個道次相同.在設(shè)計豆形截面鋼絲五道次輥模拉拔軋輥孔型過程中，既充分考慮了金屬變形后的塑性，又考慮了拉拔力不能超過金屬出?？诘那?qiáng)度，這樣就保證了整個輥模拉拔過程能夠穩(wěn)定、安全，能夠進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn).

1.3 有限元模擬參數(shù)設(shè)置

應(yīng)用Deform3D模擬軟件對豆形截面線材的五道次輥模拉拔過程進(jìn)行模擬.在模擬的前處理階段，由于輥子的彈性變形很小，建模時忽略其彈性變形，所有的輥子設(shè)置為剛體，而金屬坯料設(shè)置為彈塑性材料.輥模拉拔過程中，坯料為主動運動，輥子為被動運動，理論上，輥子與坯料接觸點處的線速度與坯料的速度相等.定義材料為AISI1070，直接在Deform軟件材料庫中找到.定義輥子與坯料間的摩擦因數(shù)為0.12.由各道次輥模孔型型腔的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計出各道次輥模整體的裝配圖，如圖4所示.各個道次的模具結(jié)構(gòu)緊湊，前一工位可做下一工位的導(dǎo)向裝置.

2 豆形截面鋼絲模擬結(jié)果分析

2.1 等效應(yīng)力的分布與演變

豆形截面鋼絲在輥模拉拔過程中各道次在軸向方向上的變形是相同的，因此每道次均取同一位置（中間部位）為研究對象，對其變形過程中的等效應(yīng)力進(jìn)行分析.結(jié)果如圖5所示.

由圖5可知，在五個道次的輥拉過程中，各道次的坯料表面的等效應(yīng)力均比內(nèi)部的等效應(yīng)力大.這是因為金屬坯料表面與各道次的輥模發(fā)生接觸后，在摩擦力的作用下，接觸處的金屬發(fā)生較大的變形，此處的材料發(fā)生了金屬流動.并且變形劇烈處的等效應(yīng)力比變形小處的等效應(yīng)力大.由圖5還可發(fā)現(xiàn)，隨著輥模拉拔過程的不斷進(jìn)行，各道次的等效應(yīng)力呈增大現(xiàn)象.這是因為，各道次的變形程度越來越大，當(dāng)達(dá)到第五道次時，工件基本成形完畢，此時無論是工件的表面還是中心部位的等效應(yīng)力，都是最大的.在豆形截面鋼絲五道次輥拉過程中，輥拉模與坯料接觸處為變形區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)，任一道次中金屬單元體上的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)變狀態(tài)均為一向拉伸兩向壓縮.endprint

2.2 等效應(yīng)變的分布與演變

為研究該輥模拉拔過程的等效應(yīng)變分布情況，本文選取工件上的3個特殊點進(jìn)行比較.特殊點的選取如圖6所示.由豆形截面鋼絲各道次的孔型形狀可知，輥模拉拔五道次中的左右兩點是對稱的，因此只取P3點進(jìn)行研究.前三道次中，坯料表面的P1點與P2點是對稱的，而第四與第五道次的P1點與P2點是不對稱的，因此要分別進(jìn)行分析.各道次中3個特殊點的應(yīng)變情況如圖7所示.

由圖7可知，P1點和P2點處的等效應(yīng)變明顯高于P3點.結(jié)合各道次的輥模結(jié)構(gòu)可知原因如下，P1點和P2點處材料發(fā)生塑性變形的程度明顯大于P3點.P1點和P2點在前3個道次中是完全對稱的，因此前三道次輥拉過程中，這兩點處的等效應(yīng)變相同.第四道次與第五道次輥拉過程中，P1點和P2點不再是對稱的，因此二者的等效應(yīng)變有明顯的區(qū)別.并且這兩道次的坯料下表面變形程度高于坯料上表面的變形程度，所以第四與第五道次中的P2點處，等效應(yīng)變高于P1點處的應(yīng)變值.第三道次為橫輥擺放，水平方向的P3點發(fā)生較大變形，因此P3點在第三道次中等效應(yīng)變發(fā)生明顯增大現(xiàn)象，而在其他道次時，P3點處材料變形程度不大，因此等效應(yīng)變值也變化不大.

2.3 輥模載荷的分布

在輥模拉拔過程中，線材是主動運動的，金屬坯料與輥子間的摩擦作用帶動輥子轉(zhuǎn)動.因此，分析輥拉過程中輥模的載荷情況對于輥拉設(shè)備的選擇和輥拉模的設(shè)計十分重要.由各道次輥子的結(jié)構(gòu)可知，前兩道次的上下兩個輥子和第三道次的左右兩個輥子是對稱的，因此僅選取上輥（前兩道次）和左輥（第三道次）作為研究對象.而第四、第五道次的上下兩輥是非對稱的，因此這兩個道次中的兩個輥子都要作為研究對象.圖8為輥拉過程中各道次中輥模的載荷情況.

由圖8可知，各道次輥模載荷情況大致可分成兩個階段.第一階段為加載區(qū)，載荷從0逐漸增大.隨著金屬坯料完全進(jìn)入孔型型腔中，沿軸向方向的變形是重復(fù)進(jìn)行的，此時進(jìn)入載荷穩(wěn)定區(qū).

5個道次中第二道次輥模的載荷最大，達(dá)392 N.其次為第一道次，為346 N.最小為第三道次的輥模，僅為143 N.這是因為第三道次的道次壓縮率為0，材料沒有發(fā)生大的變形.在第四道次與第五道次中，由于下模與金屬坯料接觸時的變形比上模與金屬接觸時的變形大，因此這兩個道次穩(wěn)定變形階段的下模載荷高于上模載荷.

3 結(jié) 論

（1） 豆形截面鋼絲經(jīng)五道次二輥輥模拉拔成形，其中前兩道次與最后兩道次的道次壓縮率相同，且這四道次輥模為橫輥擺放.第三道次的道次壓縮率為0，輥模為立輥擺放，與其他道次輥模呈90°.采用五道次輥模拉拔工藝成形豆形截面線材是切實可行的，豆形鋼絲成形效果較好.

（2） 設(shè)計了各道次輥模形狀，使輥模設(shè)計更加便利快捷.各道次軋輥孔型型腔設(shè)計合理，有利于金屬的塑性變形，并且整個輥模拉拔過程穩(wěn)定、安全，能夠進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn).

參考文獻(xiàn)：

[1] 王文娟，李建康.眼鏡框架用TB5鈦合金絲材的輥模拉拔[J].熱加工工藝，2014（17）：125-126.

[2] 周林，雷霆，方樹銘，等.精密異型鈦材輥模拉軋加工工藝研究[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2007，24（2）：34-36.

[3] 季龍官，方樹銘，雷霆，等.拉拔低塑性金屬異型材的四輥輥拉模的新設(shè)計[J].云南冶金，2007，36（6）：44-46，51.

[4] 寧興龍，王國宏，周蕓，等.輥模與輥模拉伸[J].重型機(jī)械，2001（3）：20-22.

[5] 張玉新，李勇，郝用興，等.Y型輥模拉拔工藝的三維數(shù)值模擬研究[J].鍛壓技術(shù)，2007，32（1）：46-49.

[6] 鄭寶龍，李連詩.Y型三輥輥模長芯棒拉拔無縫鋼管的工藝研究[J].鋼管，1998（1）：1-4.

[7] 周林，雷霆，方樹銘，等.精密異型鈦材輥模拉軋加工工藝研究[J].稀有金屬，2007，37（S1）：122-125.

[8] 鄭寶龍，朱為昌.輥拔和輥軋生產(chǎn)技術(shù)[J].金屬制品，1996（S1）：1-6.

[9] 鄭寶龍，朱為昌，徐言東.輥模拉拔技術(shù)及其應(yīng)用[J].金屬成形工藝，1996（1）：43-46.

[10] 鄭寶龍，朱為昌，劉希和.輥模拉拔運動學(xué)分析[J].金屬制品，1996，22（5）：10-13.

[11] 田文彤，楊輝，劉遺城.精密Ω形絲的輥?？仔驮O(shè)計[J].鍛壓技術(shù)，2007，32（4）：62-64.

[12] 吳孟海，趙洪章，李積賢，等.輥模拉拔技術(shù)在鈮鋯合金絲材生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].寧夏工程技術(shù)，2008，7（4）：310-313.

[13] 介亞克，雷君相，劉興芬.S形截面不銹鋼鋼絲的成形與模擬分析[J].模具工業(yè)，2010，36（8）：18-21.

[14] 戴月紅.S型截面不銹鋼鋼絲成形工藝和模具設(shè)計[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2012（4）：98-100.

[15] LAMBIASE F，DI I A.Experimental and finite element investigation of roll drawing process[J].Journal of Materials Engineering and Performance，2012，21（2）：161-166.

[16] 戴寶昌.重要用途線材制品生產(chǎn)新技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2001.endprint