基于DEFORM3D彈簧圓錐破碎機(jī)錐形襯套溫?cái)D壓數(shù)值模擬研究

王滿糧

(廣東速美達(dá)自動化股份有限公司，廣東 東莞 523000)

0 引 言

溫?cái)D壓成型工藝是指將擠壓毛坯加熱至再結(jié)晶溫度以下，將毛坯放置到具有一定溫度的模具中進(jìn)行擠壓成型的一種高效加工方式[1]。較傳統(tǒng)的熱擠壓方式，其具有對壓力機(jī)的要求低、能耗低、材料利用率高等特點(diǎn)[2-3]。由于被擠壓的毛坯件處于再結(jié)晶溫度以下，在強(qiáng)外力作用下，被擠壓毛坯受到模具的約束，金屬晶體具有很好的塑性和流動性，成型后工件的力學(xué)性能和尺寸精度好[4-6]。彈簧圓錐破碎機(jī)使用的錐形襯套安裝在主軸的外側(cè)，由錫青銅材料加工而成，這種襯套可有效減小設(shè)備的振動，降低噪音，同時由于其具有一定的耐腐蝕性，可應(yīng)用于惡劣的工況環(huán)境中[7-8]。

本文利用DEFORM-3D有限元分析軟件對錐形襯套進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，研究了在錐形襯套溫?cái)D壓過程中，金屬毛坯在模具中的金屬流動、等效應(yīng)力分布、等效應(yīng)變分布，以及模具承受的載荷分布。根據(jù)錐形襯套加工中的成型機(jī)理，對錐形襯套批量化生產(chǎn)的壓力機(jī)噸位、擠壓溫度、擠壓速度等工藝參數(shù)的選擇具有一定的指導(dǎo)意義。

1 錐形襯套溫?cái)D壓成型材料與結(jié)構(gòu)

1.1 錐形襯套毛坯溫?cái)D壓材料的性能參數(shù)

選取錫青銅QSn7-0.2作為研究錐形襯套溫?cái)D壓的材料。其性能參數(shù)如表1所示。

表1 QSn7-0.2材料性能參數(shù)

1.2 毛坯與成型件的結(jié)構(gòu)

根據(jù)錐形體成型特點(diǎn)，為了便于錐形襯套擠壓成型，將毛坯制造成錐形體，這種結(jié)構(gòu)在擠壓過程中有利于金屬的流動，可有效降低擠壓力，減少氣孔、裂紋、麻面等缺陷的產(chǎn)生，毛坯如圖1所示，擠壓后成型件如圖2所示。

圖1 擠壓毛坯

圖2 擠壓后的成型件

2 錐形襯套溫?cái)D壓成型有限元模型

2.1 幾何模型的建立

利用三維建模軟件SolidWorks2018建立了彈簧圓錐破碎機(jī)錐形襯套的幾何模型。該模型由錐形擠壓凸模1、錐形凹模2、錐形毛坯3、頂桿4組成，如圖3所示。用SolidWorks2018軟件將零部件整體轉(zhuǎn)換成STL格式文件，導(dǎo)入到DEFORM-3D軟件中，建立裝配體模型。

1-凸模；2-凹模；3-毛坯；4-頂桿圖3 錐形襯套溫?cái)D壓裝配體模型圖

2.2 錐形襯套毛坯溫?cái)D壓數(shù)值模擬設(shè)置

DEFORM-3D軟件具有強(qiáng)大的網(wǎng)格自劃分能力，錐形襯套毛坯在擠壓過程中，其金屬內(nèi)部發(fā)生塑性變形，在仿真中表現(xiàn)為網(wǎng)格的擠壓與變形，計(jì)算中將畸變的網(wǎng)格再次自動劃分，以提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確率[9]。故將網(wǎng)格劃分45 000個，表面多面體數(shù)9 226個，最小單元格邊長為0.853 994 mm，擠壓步長為最小單元格邊長的1/3。

模擬中需要設(shè)置的工藝參數(shù)有溫?cái)D壓速度、模具溫度、摩擦系數(shù)，如表2所示。

表2 錐形襯套毛坯溫?cái)D壓參數(shù)表

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 錐形襯套溫?cái)D壓過程中金屬流動規(guī)律分析

選取錐形毛坯最外側(cè)點(diǎn)P1、中心側(cè)點(diǎn)P2、次中心側(cè)點(diǎn)P3為研究對象，通過分析該3點(diǎn)在擠壓過程中的金屬流動速度、等效應(yīng)力、等效應(yīng)變的變化規(guī)律，得出錐形襯套成型規(guī)律，網(wǎng)格劃分后的毛坯圖如圖4所示，所選取的點(diǎn)如圖5所示。

圖4 網(wǎng)格劃分后的毛坯

圖5 取點(diǎn)P1， P2， P3

根據(jù)金屬在擠壓過程中塑性變形的體積近似不變，以及金屬流動遵循最小阻力的原則[10]，在凸模的壓力作用下P1， P2， P3分別沿著X，Y，Z方向發(fā)生金屬流動，其中X方向?yàn)榇怪庇谄是忻嫦蛲?；Y方向?yàn)榇怪庇阱F形毛坯大徑端面，即凸模進(jìn)給運(yùn)動的反方向；Z方向?yàn)榇怪敝赶蝈F形毛坯軸心的方向。根據(jù)牛頓定律可分別得到3點(diǎn)的和速度以及和位移，對3點(diǎn)金屬塑性流動速度和位移的模擬結(jié)果分別如圖6， 7所示。

圖6 P1， P2， P3金屬塑性流動速度

圖7 P1， P2， P3金屬塑性流動位移

由圖6可知：在整個溫?cái)D壓過程中，3點(diǎn)的金屬塑性流動速度變化趨勢近似相同。在0～0.3 s時間段內(nèi)，擠壓凸模向下運(yùn)動，錐形毛坯發(fā)生塑性變形，P1， P2， P3的金屬塑性流速度v1>v2>v3，這是由于錐形毛坯最外側(cè)與擠壓凹模具有一定的間隙，導(dǎo)致P1在始發(fā)階段沒有受到凹模的約束。隨著擠壓的繼續(xù)進(jìn)行，錐形毛坯最外側(cè)與擠壓凹模模腔緊密接觸，在0.3～0.5 s時間段內(nèi)，3點(diǎn)的塑性流動速度逐漸變小，但流動速度依然是v1>v2>v3。在0.3～3.7 s時間段內(nèi)，3點(diǎn)的金屬流動速度變化逐漸近似線性增大，v3>v2>v1。3.7 s后直到擠壓完成，3點(diǎn)的金屬塑性流動速度基本呈現(xiàn)v1>v3>v2，且有逐漸波動增大的趨勢。

由圖7可知：在整個溫?cái)D壓過程中，P1， P2的金屬塑性流動位移變化趨勢近似相同，P3的金屬塑性流動位移基本穩(wěn)定，變化較小。在擠壓完成后，被擠壓錐形毛坯中心側(cè)P2點(diǎn)發(fā)生位移最大(30.95 mm)，最外側(cè)P1次之(37.52 mm)，次中心側(cè)P3最小(18.61 mm)。

3.2 錐形襯套錐形溫?cái)D壓過程中等效應(yīng)力分析

如圖8所示，P1， P2， P3點(diǎn)的等效應(yīng)力在整個溫?cái)D壓過程中具有相似的變化規(guī)律，3點(diǎn)的等效應(yīng)力在擠壓開始階段先線性上升后線性下降，隨后又快速上升，最后P1和P3的等效應(yīng)力趨于穩(wěn)定，而P2的等效應(yīng)力在一段時間后又繼續(xù)上升。當(dāng)擠壓完成后，P1， P2， P3最終的等效應(yīng)力分別為133.7， 173.8， 133 MPa。

圖8 P1， P2， P3等效應(yīng)力變化曲線

分別選取溫?cái)D壓完成52.2%(第96步)和65.2%(第120步)時的錐形毛坯的等效應(yīng)力進(jìn)行分析，如圖9所示。

(a) 第96步

(b) 第120步

由圖9可知：凸模模頭與被擠壓錐形毛坯底部接觸部位的等效應(yīng)力最大值分別為247 MPa和257 MPa，第96步時的等效應(yīng)力為93～155 MPa，第120步時的等效應(yīng)力為104～165 MPa。而且由截面圖可知，擠壓成錐形筒的部分等效應(yīng)力是均勻分布的。

3.3 錐形襯套錐形溫?cái)D壓過程中等效應(yīng)變分析

如圖10所示， P1， P2， P3的等效應(yīng)變在整個溫?cái)D壓過程中具有相似的變化規(guī)律，呈現(xiàn)指數(shù)增長的趨勢。擠壓初期，次中心側(cè)P2的等效應(yīng)變大于中心側(cè)P3的等效應(yīng)變；隨著擠壓的進(jìn)一步進(jìn)行，P3的等效應(yīng)變超過了P2。整個過程中，最外側(cè)P1的等效應(yīng)變變化最小。

圖10 P1， P2， P3等效應(yīng)變變化曲線

3.4 錐形襯套錐形溫?cái)D壓過程中模具載荷分析

在溫?cái)D壓過程中，錐形擠壓凸模、錐形凹模、頂桿分別承受X，Y，Z3個方向的載荷，如圖11所示。擠壓過程中錐形擠壓凸模和錐形凹模在X方向上受力狀態(tài)一致，載荷曲線具有相似的波峰和波谷，總體上凹模受到的載荷要大于凸模受到的載荷。當(dāng)溫?cái)D壓進(jìn)行到8.45 s時，凹模上的X方向受到的載荷達(dá)到峰值，為12 662.7 N，在整個過程中頂桿在X方向受到的載荷最大值為639.2 N。

圖11 溫?cái)D壓過程中模具X方向載荷隨時變化曲線

如圖12所示，擠壓過程中錐形擠壓凸模、錐形凹模、頂桿在Y方向上受到的擠壓力狀態(tài)一致，整體載荷曲線近似線性上升趨勢。在整個溫?cái)D壓過程中，凸模受到的載荷均大于凹模和頂桿受到的載荷，當(dāng)溫?cái)D壓進(jìn)行到8.9 s時，頂桿受到的擠壓力抗力達(dá)到峰值，為548 814.2 N。當(dāng)最后擠壓到9.16 s時，凸模和凹模受到的載荷達(dá)到峰值，分別為935 004.6 N和550 812.1 N。

圖12 溫?cái)D壓過程中模具Y方向載荷隨時變化曲線

如圖13所示，擠壓過程中錐形擠壓凸模和錐形凹模在Z方向上受力狀態(tài)一致，載荷曲線具有相似的波峰和波谷，并與X方向上的載荷曲線規(guī)律相似?？傮w上，在凹模受到的載荷要大于凸模受到的載荷，當(dāng)溫?cái)D壓進(jìn)行到8.15 s時，凹模上在Z方向受到的載荷達(dá)到峰值，為17 379 N。在整個溫?cái)D壓過程中，頂桿在Z方向受到的載荷峰值為623.8 N。

圖13 溫?cái)D壓過程中模具Z方向載荷隨時變化曲線

綜上，在溫?cái)D壓過程中錐形擠壓凸模、錐形凹模、頂桿3個模具都主要承受Y方向上的載荷，分別是935 004.6， 550 812.1， 548 814.2 N，因此可選擇噸位不小于150 t的壓力機(jī)。

4 結(jié) 論

利用DEFORM-3D數(shù)值模擬軟件對彈簧圓錐破碎機(jī)錐形襯套溫?cái)D壓過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，著重分析了錐形襯套溫?cái)D壓過程中金屬的塑性流動規(guī)律，等效應(yīng)力、等效應(yīng)變的變化規(guī)律和分布情況，以及溫?cái)D壓模具在擠壓過程中受到的載荷，得到了如下結(jié)論。

1) 在溫?cái)D壓起始階段錐形毛坯金屬塑性流動速度從大到小依次為：毛坯最外側(cè)大于毛坯中心大于毛坯次中心。隨著溫?cái)D壓的進(jìn)行，3個區(qū)域的金屬塑性流動速度曲線變化趨勢近似相同。

2) 在錐形襯套溫?cái)D壓過程中被擠壓錐形毛坯中心側(cè)的金屬發(fā)生塑性流動位移最大，處于最外側(cè)金屬發(fā)生的塑性流動位移次之，次中心側(cè)發(fā)生金屬流動位移最小。

3) 錐形毛坯外側(cè)、毛坯中心、毛坯次中心的等效應(yīng)力、等效應(yīng)變在整個溫?cái)D壓過程分別具有相似的變化規(guī)律。

4) 溫?cái)D壓過程中選擇噸位不小于150 t的壓力機(jī)。