简介概要

基于Archard理论的挤压次数对模具磨损量的影响分析

来源期刊:中南大学学报(自然科学版)2009年第5期

论文作者:林高用 冯迪 郑小燕 杨伟 孙利平

文章页码:1245 - 1251

关键词:挤压;模具磨损;Archard理论;有限元;

Key words:extrusion; die wear; Archard theory; finite element method (FEM)

摘    要:针对前次挤压对后次挤压的模具磨损有着显著影响,模具的总磨损量并不与单次磨损量呈简单的线性关系,将考虑温度影响的Archard磨损计算修正模型与有限元数值模拟分析方法相结合,预测铝合金挤压过程中模具表面磨损最严重的部位,建立该部位磨损量与挤压次数之间的确切关系,并由此提出一种考虑挤压次数影响的总磨损量计算公式。

Abstract: Based on the fact that under discontinuous extrusion condition, former passes often have great effect on the next ones, so that the relationship between die wear of single process and total wear is not linear, the position with the largest amount of wear on the die surface was predicted, and the relationship between the extrusion times and the total die wear was estimated by combining modified Archard model which considered the influence of temperature on the die wear behaviors and finite element method (FEM) technology. As a result, an equation for evaluating the total die wear which considers the effects of extrusion times was established.

基金信息:国家高技术研究发展计划项目



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基于Archard理论的挤压次数对模具磨损量的影响分析

林高用,冯  迪,郑小燕,杨  伟,孙利平

(中南大学 材料科学与工程学院 有色金属材料科学与工程教育部重点实验室,湖南 长沙,410083)

摘  要:针对前次挤压对后次挤压的模具磨损有着显著影响,模具的总磨损量并不与单次磨损量呈简单的线性关系,将考虑温度影响的Archard磨损计算修正模型与有限元数值模拟分析方法相结合,预测铝合金挤压过程中模具表面磨损最严重的部位,建立该部位磨损量与挤压次数之间的确切关系,并由此提出一种考虑挤压次数影响的总磨损量计算公式。

关键词:挤压;模具磨损;Archard理论;有限元

中图分类号:TG375+.41         文献标识码:A         文章编号:1672-7207(2009)05-1245-07

Analysis of influence of extrusion times on

 total die wear based on Archard theory

LIN Gao-yong, FENG Di, ZHENG Xiao-yan, YANG Wei, SUN Li-ping

(Key Laboratory of Nonferrous Metal Materials Science and Engineering, Ministry of Education,

School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: Based on the fact that under discontinuous extrusion condition, former passes often have great effect on the next ones, so that the relationship between die wear of single process and total wear is not linear, the position with the largest amount of wear on the die surface was predicted, and the relationship between the extrusion times and the total die wear was estimated by combining modified Archard model which considered the influence of temperature on the die wear behaviors and finite element method (FEM) technology. As a result, an equation for evaluating the total die wear which considers the effects of extrusion times was established.

Key words: extrusion; die wear; Archard theory; finite element method (FEM)

                    

在金属加工过程中,导致模具失效的因素主要有磨损、塑性变形以及断裂。其中,由于断裂和塑性变形而导致的模具失效,可以通过模具的合理设计、模具材料的合理选择来减少,但是,模具的磨损是由模具与工件的接触而造成的,因此,由于磨损而导致的模具失效难以控制[1]。对于铝合金挤压模具,磨损成为影响其寿命的首要因素,世界上每年有超过70%的模具因为磨损而失效[2]

人们从1953年起广泛使用Archard理论对模具磨损进行分析[3-6]。在此理论中,磨损量与磨损因子[7]、模具表面法向压力和材料相对模具的滑移距离[8-9]成正比,与模具的硬度成反比。此后,国内外许多学者对该磨损理论的修正、磨损预测以及减小磨损量等进行了大量研究。Lee等[10-11] 对Archard理论进行了修正,考虑温度以及时间对模具硬度和磨损因子的影响;Eriksen[12]提出通过优化模具设计来减小磨损量;Lee等[13]在Archard理论的基础上研究了冷挤压中模具锥度以及压下量对磨损量的影响以及模具磨损的分布情况;周杰等[14]利用 Archard理论分析了模具硬度、初始温度和润滑条件在一次成形后对模具磨损的影响规律;王雷刚等[15]利用修正的Archard理论对比分析了锥形和弧形2种挤压模具型腔的磨损。这些研究对实际生产中单次挤压时模具磨损量的预测有着直接的指导意义,但是,对于多次成形后的总磨损量的计算,国内外研究者往往采取简单的求和方法,即用第1次计算得到的磨损量乘以总的挤压次数,这与实际结果有所偏差。在实际生产中,模具往往要在高温高应力状态下工作,模具的温度逐渐升高,导致硬度逐渐下降;其次,在长时间高温高压作用下,铝合金中的Fe,Si和V等溶质原子渗透到模具表面而产生焊合作用,在模具表面粘附一层金属,这些金属不断形成,又不断被破坏,经多次反复磨损,而引起模具失效。在计算模具失效前的总磨损量时,应该考虑前一次挤压对下一次挤压的影响,在此,本文作者在修正的Archard模型的基础上,通过有限元模拟[16]分析在铝合金挤压中,多次挤压对模具磨损的影响,并利用模拟结果拟合出计算任一次挤压的磨损量和多次挤压总磨损量的公式,以期达到更加精确预测模具寿命的目的。

1  Archard磨损模型及其修正

Archard模型一般公式如下:

模型参数意义如图1所示。

图1  Archard模型参数示意图

Fig.1  Parameters scheme of Archard model

在此理论中,Archard认为磨损因子K以及模具硬度H为常量。但事实上,模具材料的硬度以及接触条件都是与温度有密切相关的,在热加工过程中,这一现象体现得更加明显,模具会随着模具温度的升高发生软化,导致模具的硬度降低以及模具与工件的接触面粗糙程度增加,从而增加模具的磨损。对于铝合金的挤压,模具温度一般都在400 ℃以上,此时,Archard模型已经不再适用。针对这种情况,Hahamir等[3]利用H13模具钢为研究材料,对Archard模型进行了修正,将温度作为影响K及H的因素进行考虑,提出了在考虑温度软化影响下的磨损计算公式:

可以分别通过高温磨损实验和高温硬度实验得到的数据,拟合出K(T)和H(T) 的公式。Lee等[10]给出了确切的表达式:

利用式(3)和(4)就可以计算出1次模拟(即模具使用1次时)模具的磨损量。然后,通过求和的方法来计算模具失效前的临界磨损,以此来预测模具寿命。

本文在计算第1次挤压磨损量仍采用如式(7)的方法,但是,考虑前次挤压对后续挤压的影响,在式(7)基础上提出了任意1次挤压的磨损计算公式以及多次挤压后模具总磨损量的计算公式。

2  实验方案及总磨损量计算公式的提出

2.1  有限元模拟实验

模具的截面图见图2,有限元模型见图3。为了能够正确使用磨损因子和硬度的计算式(5)和(6),模拟的初始条件与文献[10]中的相同,见表1,其中在H13钢表面渗氮以增加其硬度,渗氮层厚度约为0.24 mm。单次挤压模拟时间步为55步。由于模型轴对称,为加快计算速度,只取模型的1/4进行模拟(图3),图中,a,b,c,d和e为有限元目标节点,其中e点位于挤压模具的模口入口处。

图2  挤压模具截面图

Fig.2  Sectional drawing of extrusion model

(a) 整个模型的1/4;(b) 1/4下模的有限元网格图

图3  有限元模型

Fig.3  Finite element model

本次实验分2步进行:

a. 模拟铝合金的挤压过程,从模拟结果中对所选取的目标节点(图3),提取出计算磨损量所需的参数T,σi,j和ui,j,利用式(5)和(6)计算出某有限元节点处在一定温度下的硬度和磨损因子,再利用式(7)计算单次挤压的模具磨损量。

b. 将第1次模拟结果中模具的温度场及磨损状态保存为STL文件作为第2次模拟的模具初始条件,再导入初始坯料进行模拟,如此反复,可得到模具磨损量随挤压次数增加而变化的关系,最后拟合出公式。

2.2  有限元模拟结果及讨论

2.2.1  磨损分布

图4所示为第1和第5次挤压模拟结束时,影响模具磨损量的各个参数物理场云图对比。

由图4可以看出:对于某一次挤压,从模面到模孔入口,工件与模具表面相对滑移速度、温度、法向压力逐渐增大,其中,相对滑移速度和温度增幅较大,法向压力增幅较小。对于不同次数挤压,随着挤压次数的增加,模具温度逐渐增大,但是,增幅逐渐减小,而相对滑移速度和法向压力则变化不大。

表1  模拟初始条件

Table 1  Initial conditions of simulation


 

(a) 第1次挤压结束时模具温度场;(a′) 第5次挤压结束时模具温度场;

(b) 第1次挤压结束时模具比压场;(b′) 第5次挤压结束时模具比压场;

(c) 第1次挤压结束时工件与模具相对滑移速度场;(c′) 第5次挤压结束时工件与模具相对滑移速度场

图4  影响磨损的各参量对比云图

Fig.4  Comparison diagrams of parameters affecting die wear

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