空心件正擠裂紋成因的數值模擬分析
更新時間：2008-9-1 16:04:31 文章來源：互聯網 點擊：
摘要：利用上限元技術(UBET)模擬了空心件正擠壓成形過程中的變形力規律，分析了變形比、摩擦因子、以及凹模錐角θ對擠壓力及內孔壁裂紋形成的影響。由此得出減少裂紋產生的措施，為工藝參數的選擇提供理論依據。
關鍵詞：空心件；正擠壓；上限元；變形力；裂紋；數值模擬
一、前言
在工藝研究和生產實踐中，正擠空心件在內孔壁易出現裂紋。解決裂紋的產生，需弄清裂紋產生的原因及其影響因素。本文利用上限元法對其變形力和變形規律進行數值模擬，不僅提高了工藝設計的理論水平，而且對生產實踐也有很大的指導意義。
二、薄壁深孔件正擠壓過程的上限元模擬
本文利用UBET對圖1所示的擠壓件進行了模擬。圖1a是毛坯圖，圖1b是制件圖。UBET可用來模擬金屬變形過程，預測金屬的流動規律。UBET的要點是從變形體的初始瞬時(或某一瞬時)的邊界交點引一組與坐標軸平行的直線，將變形體分成若干個規范單元，然后計算出變形邊界的移動速度，這樣就可得到下一瞬時變形體輪廓的幾何形狀，再從新的邊界交點出發引新的正交線，將變形體再次劃分，再計算新的邊界移動速度，求出下一瞬間變形體的輪廓。依次類推，則能模擬出一個連續的變形過程。
(a)毛坯圖(b)制件圖
圖1擠壓毛坯圖和制件簡圖
設計一個既要盡可能符合客觀實際情況，又要便于數學處理的流動模型，是UBET的關鍵。以下塑性流動模型的建立滿足體積不變和變形邊界條件。裂紋的產生發生在穩定變形階段，因此本過程只模擬穩定變形階段。由于是軸對稱問題，只須取變形體的1/4作為分析對象。單元劃分如圖2所示，首先將擠壓件的1/4劃分成14個單元，各個單元的編號、單元邊界交點坐標的編號以及邊界速度的編號均如圖示。運動許可的速度場與文獻［1］相同。
圖2單元劃分示意圖
摩擦是塑性加工中普遍存在的問題。在此擠壓成形過程中，制件內壁裂紋的形成與摩擦有很大關系，正確處理摩擦條件是個重要關鍵。本文假設摩擦因子μ為相對滑動速度的函數［2］
μ＝α.Δv
式中α——常數，與材料性質有關，本文中α＝0.05［3］
Δv——相對滑動速度
根據庫侖定律，摩擦切應力
τ＝μ.σs＝α.Δv.σs
3.模擬方法
本文采用平行速度場假設，用步進方式對擠壓過程進行動態模擬。通過對速度場的優化，根據上限原理，模擬出外力對制件所做的總上限功，由此，求出制件內壁所受的拉應力，根據第三強度理論來判斷制件內壁裂紋的產生。
影響裂紋產生的原因有許多種，本文著重研究變形比、摩擦因子、凹模錐角對擠壓力大小及裂紋形成的影響。
模擬時的基本參數：材料20號鋼σs＝230MPa，σb＝390MPa［4］，θ＝120°，α＝0.05。
三、模擬結果
1.凹模錐角對制件內壁拉應力的影響
圖3是不同的凹模錐角時，制件內壁所受的拉應力與行程的關系曲線。由圖知，錐角凹模與平底凹模對桿部所受的拉應力有較大的影響，隨角θ的減小有利于降低總擠壓力，當θ＝180°時在凹模直角處會形成金屬渦流的死區，金屬向桿部的流動變得困難，造成桿部拉應力增大使裂紋易于產生。可見，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，太小使金屬變形區變長，使摩擦力變大。
圖3內壁拉應力與行程的關系曲線
圖4是不同的變形程度時，總擠壓力與行程的關系曲線。圖5是不同的變形程度時，桿部所受的拉應力與行程的關系曲線。
圖4擠壓力與行程的關系曲線 圖5內壁拉應力與行程的關系曲線
3.摩擦因子對總擠壓力和制件內壁拉應力的影響
圖6是不同的摩擦因子時，總擠壓力與行程的關系曲線。圖7是不同的摩擦因子時，桿部所受的拉應力與行程的關系曲線。其中m等同于摩擦公式中的α。
圖6擠壓力與行程的關系曲線 圖7內壁拉應力與行程的關系曲線
四、結論
本文采用上限元技術模擬了空心件正擠壓變形力及流動規律，為工藝參數的優化提供了理論依據。
參考文獻
［1］關廷棟，孫勝，趙振鐸.理想狀態下軸對稱鐓粗工藝上限單元分析.模具技術，1984(4).
［2］ 呂麗萍.有限元法及其在鍛壓工程中的應用.西安：西北工業大學出版社，1989.
［3］呂炎.鍛造工藝學.北京：機械工業出版社，1995.
［4］黃利文，羅大金.冷擠壓工藝及模具設計.鄭州：河南省科學技術出版社，1995
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