DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2002.06.013
工艺参数对铝型材挤压变形规律的影响
闫洪 夏巨谌 李志刚 董湘怀 杨国泰 何成宏
华中科技大学塑性成型及模具技术国家重点实验实
南昌大学机电学院
南昌大学机电学院 武汉430074
南昌330029
武汉430074
摘 要:
通过引进一个反映金属流速不均衡性的参数———流速均方差 , 有效地控制型材挤压成形时金属流动的不均匀性。采用有限变形弹塑性有限元方法 , 对不同挤压参数 (挤压比、摩擦因子 ) 下铝型材挤压过程进行了数值模拟研究 , 获得了挤压压力、流速均方差和型材件内部应力应变场随挤压参数变化的规律 , 为铝型材挤压工艺参数优化提供了理论参考。
关键词:
流速均方差 ;铝型材挤压 ;弹塑性有限元法 ;工艺参数 ;
中图分类号: TG376
收稿日期: 2002-02-26
基金: 江西省教育厅和华中科技大学塑性成形及模具技术国家重点实验室开放基金资助项目 ( 0 2 6 );
Effect of technological parameters on profile extrusion forming process
Abstract:
The non-homogeneous metal flow during the extrusion forming process was well controlled by introducing a non-equilibrium parameter of metal flow, the mean-square deviation of velocity (SDV) . The finite deformation elastoplastic finite element method was used to carry out the numerical simulation research on the profile extrusion process with different extrusion parameters (such as extrusion ratio, frictional factor) . The change laws of the extrusion pressure, SDV and stress-strain fields with the extrusion parameters were obtained. It is theoretic consideration to optimize the technological parameters of the profile extrusion.
Keyword:
mean-square deviation of velocity; profile extrusion; elastoplastic finite element method; technological parameter;
Received: 2002-02-26
研究金属在挤压时的塑性变形规律是非常重要的, 因为它与挤压制品的组织、 性能、 表面质量、 外形尺寸和形状精确度以及模具设计原则、 模具的寿命等都有着十分密切的关系。 坐标网格法
[1 ]
、 低倍组织法
[1 ]
、 视塑性法
[2 ,3 ]
、 光塑性法
[4 ]
、 云纹法
[5 ]
以及硬度法
[6 ]
等是研究挤压变形规律的主要方法。 由于物理模拟很难单独考虑某个工艺参数对金属成形过程的影响, 并且具有周期长、 费用高等缺点, 因此, 通常需要借助于理论分析的手段来研究金属塑性变形规律。 随着计算机技术和有限元方法的迅速发展, 利用塑性有限元法建立金属塑性成形过程的数学模型已引起人们的广泛重视
[7 ,8 ]
。 数值模拟技术可以方便地确定金属塑性成形过程各个阶段所需的变形功和载荷, 获得工件的内部应力、 应变、 温度分布和金属流动规律, 获得模具的应力、 应变、 温度分布和合理结构, 预测工件的成形形状、 残余应力、 缺陷、 晶粒的粒度和取向分布, 是当前研究金属塑性变形规律的主要方法
[9 ,10 ]
。 本文作者采用有限变形弹塑性有限元方法, 对不同挤压参数下铝型材挤压过程进行了数值模拟研究, 获得了挤压压力、 流速均方差和型材件内部应力应变场随挤压参数的变化规律。
1 分析方法和有限元模型的建立
在铝型材挤压过程中, 金属流速不均衡是导致型材产生弯曲、 扭拧、 波浪等质量问题的主要原因。 因此, 为了有效地控制挤压时金属流动的不均匀性, 本文引进了一个反映金属流速不均衡性的参数——流速均方差
[11 ]
。 流速均方差的定义为
SDV=
∑
i
=
1
Ν
(
v
Ζ
i
-
v
Ζ
a
v
e
)
2
Ν
?
?
?
(
1
)
式中 N —所考虑区域 (挤压出口端面) 的节点数目, v i z —规定平面上节点轴向速度, v
Ζ
a
v
e
—规定平面上平均轴向速度。
在挤压生产中, 通常以挤压比或变形程度来表示金属变形量的大小。 挤压比定义为挤压筒截面积与制品截面积之比, 即
λ =S /S 1 (2)
式中 λ —挤压比, S —挤压筒截面积, S 1 —制品截面积。
以壁板型材为挤压模拟对象, 其型材截面形状和尺寸见图1和表1。 有限元模拟的初始条件:材料为铝合金6062, 其流动应力应变关系为
[12 ]
σ
?
=
2
0
9
(
ε
?
)
0
.
1
2
2
Ν
/
m
m
2 (3)
挤压筒直径70 mm, 坯料高度40 mm, 挤压工作带长度4 mm, 模具与工件间的摩擦因子为0.05~0.85, 挤压比为6.23, 8.02, 12.02, 24.05。
由于壁板型材为对称零件, 取四分之一的模型进行计算, 以减少计算工作量。 对初始坯料进行了非均匀性离散, 离散后的网格如图2所示。
表1 模拟计算的型材截面尺寸和挤压比 Table 1 Simulated section’s dimensions and extrusion ratios
图1 模拟计算的型材截面形状
Fig.1 Geometry of simulated section
图2 有限元模型
Fig.2 Finite element model
2 模拟计算结果分析
2.1 挤压比对应力应变分布的影响
2.1.1 挤压比对挤压压力的影响
在摩擦因子m =0.25, 挤压比分别取8.02, 12.02, 24.05时, 对挤压过程进行了计算, 得到了挤压压力在不同挤压比下随行程变化的曲线, 如图3所示。 可以看出, 在相同条件下, 随挤压比增大, 变形压力增大, 因此挤压压力增大。
2.1.2 挤压比对流速均方差的影响
图4所示是流速均方差随挤压比的变化曲线。 由图中可知, 流速均方差随挤压比增加而增大。 对于铝合金6063T5, 最佳挤压比范围为50~90
[13 ]
。 当挤压比超过一定程度时, 若挤压模结构尺寸设计不够合理时, 流速均方差的增大容易造成因流速差异过大而导致挤压件产生弯曲、 拧扭、 裂纹等缺陷, 甚至堵模现象。
2.1.3 挤压比对应力应变分布的影响
图5和图6所示分别为挤压比为8.02和24.05时径向应力、 周向应力分布情况。 从图中可以看出, 挤压比较小时, 出口端部存在拉应力区, 随着挤压比的增加, 端部拉应力区逐渐减小并最终消失。
图7所示为挤压比分别为8.02和24.05时的轴向应力分布情况。 可以看出, |即使在挤压比较小时, 轴向应力仍然保持为压应力。
由图8和图9可知, 在挤压比较大时, 等效应力和等效应变数值愈大, 表明变形愈激烈。
图3 挤压压力随行程变化曲线
Fig.3 Extrusion pressure vs distance
图4 流速均方差随挤压比的变化曲线
Fig.4 SDV vs extrusion ratio
图5 不同挤压比时的径向应力分布
Fig.5 Radial stress distribution at different extrusion ratio (a) —λ =8.02; (b) —λ =24.05
图6 不同挤压比时的周向应力分布
Fig.6 Tangential stress distribution at different extrusion ratio (a) —λ =8.02; (b) —λ =24.05
图7 不同挤压比时的轴向应力分布
Fig.7 Axial stress distribution at different extrusion ratio (a) —λ =8.02; (b) —λ =24.05
图8 不同挤压比时的等效应力分布
Fig.8 Equivalent stress distribution at different extrusion ratio (a) —λ =8.02; (b) —λ =24.05
图9 不同挤压比时的等效应变分布
Fig.9 Equivalent strain distribution at different extrusion ratio (a) —λ =8.02; (b) —λ =24.05
2.2 摩擦因子对应力应变分布的影响
2.2.1 摩擦因子对挤压压力的影响
图10所示为挤压比λ =6.23时, 在不同的摩擦因子条件下, 挤压压力随变形增量步的变化曲线。 可以看出, 当摩擦因子从0.05增加到0.85时, 挤压压力增加了14.4%。 说明摩擦因子的变化对挤压压力的影响是较敏感的。
2.2.2 摩擦因子对流速均方差的影响
图11所示为挤压比λ =6.23时, 流速均方差随摩擦因子的变化曲线。 可以看出, 当摩擦因子从0.05增加到0.45时, 流速均方差是递减的; 随后摩擦因子从0.45增加到0.85时, 流速均方差稍有增加。 因此, 实际铝型材挤压生产中应不进行润滑为宜。
2.2.3 摩擦因子对应力应变分布的影响
图12和图13所示分别为径向应力和周向应力的分布图。 由图可知, 坯料在出口端部的径向应力出现拉应力, 拉应力值随摩擦因子的增大而增大。 摩擦因子对周向应力的影响和对径向应力的影响规律基本相同。
图14所示为挤压比λ =6.23, 摩擦因子m 分别为 0.05和0.85时轴向应力的分布情况。 由图中可知, 坯料在出口端部轴向应力有出现拉应力的趋势, 拉应力值随摩擦因子的增大而减小, 同时, 随着摩擦因子的增大, 型材中存在的压应力值将显著提高。
由图15和图16可知, 摩擦因子对等效应力和等效应变分布的影响不显著。
图10 挤压压力随变形增量步的变化曲线
Fig.10 Extrusion pressure vs deformingincremental step
图11 流速均方差随摩擦因子的变化曲线
Fig.11 SDV vs frictional factor
图12 不同摩擦因子时的径向应力分布
Fig.12 Radial stress distribution at different frictional factor (a) —m =0.05; (b) —m =0.85
图13 不同摩擦因子时的周向应力分布
Fig.13 Tangential stress distribution at different frictional factor (a) —m =0.05; (b) —m =0.85
图14 不同摩擦因子时的轴向应力分布
Fig.14 Axial stress distribution at different frictional factor (a) —m =0.05; (b) —m =0.85
图15 不同摩擦因子时的等效应力分布
Fig.15 Equivalent stress distribution at different frictional factor (a) —m =0.05; (b) —m =0.85
图16 不同摩擦因子时的等效应变分布
Fig.16 Equivalent strain distribution at different frictional factor (a) —m =0.05; (b) —m =0.85
3 结论
采用有限元模拟技术, 对不同挤压工艺参数下铝型材挤压过程进行了数值模拟研究, 得到了挤压比、 摩擦因子等工艺参数对挤压压力、 流速均方差和型材试件内应力应变分布影响的变形规律。
1) 流速均方差作为评价塑形变形时金属流动速度不均衡性指标, 对于保证铝型材挤压顺利完成具有重要的意义。
2) 挤压比愈大, 挤压力愈大, 压应力个数愈多, 压应力数值愈大, 愈不容易产生拉应力, 对挤压成形愈有利。 考虑到流速均方差也随之增大, 当挤压比超过一定程度时, 若挤压模结构尺寸设计不够合理时, 流速均方差的增大容易造成因流速差异过大而导致挤压件产生弯曲、 拧扭、 裂纹等缺陷, 甚至堵模现象。 故挤压比不宜太小太大, 实际生产中应合理选择挤压比的大小。
3) 摩擦因子对变形体內应力分布的影响彼消此涨, 但摩擦因子愈小, 流速均方差愈大, 故实际铝型材挤压生产中应不进行润滑为宜。
参考文献
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