礦用汽車轉(zhuǎn)向節(jié)成型過程模擬分析

1、礦用汽車轉(zhuǎn)向節(jié)成型過程模擬分析鄭運(yùn)廷1馬宇2姬振華3（1平頂山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，河南平頂山，467000；2 鄭州輕工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 ，河南鄭州，450002；3 河南工業(yè)大學(xué) 土木建筑學(xué)院， 河南鄭州，450002）摘要：本文應(yīng)用DEFORM軟件對(duì)礦用轉(zhuǎn)向節(jié)的預(yù)成型過程進(jìn)行模擬，得到金屬塑性變形過程的金屬流動(dòng)、應(yīng)力應(yīng)變和變形力等規(guī)律,這對(duì)模具變形力分析,預(yù)測(cè)出可能的缺陷及失效形式提供理論指導(dǎo)。關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向節(jié) 塑性變形 應(yīng)力 變形力1引言轉(zhuǎn)向節(jié)的成形過程是一個(gè)復(fù)雜的彈塑性大變形過程,模具形狀、毛坯形狀、材料性能、溫度及工藝參數(shù)等均對(duì)其質(zhì)量有影響1, 轉(zhuǎn)向節(jié)的成形工藝傳統(tǒng)的研究方法

2、主要采用“經(jīng)驗(yàn)法”,這種基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法往往經(jīng)歷反復(fù)修正的過程,從而造成了大量的人力、物力及時(shí)間浪費(fèi)。伴隨傳統(tǒng)的塑性加工技術(shù)和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)全方位的密切結(jié)合,傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法已逐漸被模擬式設(shè)計(jì)所代替。作為一種有效的數(shù)值計(jì)算方法, 國(guó)內(nèi)外已開發(fā)了許多商用軟件,如常見的、等,這些軟件多適用于分析解決二維或三維的金屬塑性成形問題,本文應(yīng)用軟件對(duì)礦用汽車轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行預(yù)鍛成型分析,可得到金屬塑性變形過程的金屬流動(dòng)、應(yīng)力應(yīng)變等規(guī)律,進(jìn)行模具變形力分析,預(yù)測(cè)出可能的缺陷及失效形式。為轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。2塑性本構(gòu)關(guān)系本構(gòu)關(guān)系通常是指材料變形中應(yīng)力與應(yīng)變滿足的關(guān)系。本文模擬選用Mises屈服條件，它的表

3、達(dá)式為 （1）為應(yīng)力偏量Sij的第二變量，為平均應(yīng)力，為函數(shù)。對(duì)材料進(jìn)入塑性后的變形需要加載和卸載。對(duì)強(qiáng)化材料的加載和卸載準(zhǔn)則為; （2）對(duì)體積成形材料假定是等向強(qiáng)化的，并且滿足Mises屈服條件，即屈服面有下面形式： （3）式中：為等效應(yīng)力，取為單向拉伸曲線中給定塑性應(yīng)變對(duì)應(yīng)的屈服應(yīng)力。當(dāng)略去彈性變形，對(duì)塑性材料由相關(guān)流動(dòng)法則， 得到Levy-Mises塑性本構(gòu)關(guān)系： （4）鄭運(yùn)廷，男，1955年，副教授，主要從事機(jī)電一體化及材料成型研究。式中為有效應(yīng)變率，為應(yīng)變率偏量的第二不變量，為平均正應(yīng)變率。由于略去彈性變形，且假定材料是不可壓縮的，則塑性應(yīng)變率與應(yīng)變率和應(yīng)變率偏量是相等的，用代表。取

4、的形式不同，可以得到不同形式的塑性強(qiáng)化材料。剛性塑性本構(gòu)關(guān)系為： （5）3. 剛塑性有限元單元列式單元計(jì)算包括以下步驟：A把坐標(biāo)、速度等變量通過形函數(shù)用單元節(jié)點(diǎn)量表示。 B計(jì)算單元的總體坐標(biāo)和自然坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換矩陣J（雅可比矩陣）。 C把應(yīng)變率表示為L(zhǎng)V=LNa=Ba,L為微分算子，N為形函數(shù)，a為單元節(jié)點(diǎn)速度。D把上數(shù)結(jié)果代如單元的平衡方程，此時(shí)關(guān)于單元的的計(jì)算是在自然坐標(biāo)下的計(jì)算。由于單元總體坐標(biāo)和自然坐標(biāo)是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，J1存在，流動(dòng)方程為 （6）由于a的任意性，則有 （7）式中 （8），SF表示單元的區(qū)域和指定外力邊界。K稱為單元?jiǎng)偠染仃?。把B寫為節(jié)點(diǎn)的分量形式，由于轉(zhuǎn)向節(jié)為軸對(duì)稱問題，此

5、時(shí)此時(shí)4. 轉(zhuǎn)向節(jié)的預(yù)成型過程模擬取轉(zhuǎn)向節(jié)相對(duì)模具的切向速度為，常用的摩擦模型有庫(kù)倫摩擦、常因子摩擦和粘性摩擦三種，對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)塑性成形一般采用常摩擦因子模型，它表示接觸面之間是屬于塑性滑移。有些情況如工件剛性區(qū)與模具之間的滑移，采用常摩擦因子有時(shí)會(huì)使摩擦力計(jì)算結(jié)果過大。 (9)對(duì)于具有接觸非線性問題，應(yīng)考慮低松弛，即取。工程上最佳松弛因子的選擇往往通過試算來解決。最大松弛因子的選取對(duì)m<0.2,為0.61.0；,取0.40.6；，取0.3左右，當(dāng)模腔形狀比較簡(jiǎn)單和成形金屬流向變化不大，可取大一些。模擬結(jié)果如圖1所示。 （a）網(wǎng)格 （b）第17步金屬流動(dòng)圖 （c）第28步金屬流動(dòng)圖圖1 轉(zhuǎn)

6、向節(jié)成型過程網(wǎng)格及金屬流動(dòng)過程 Fig1 the mesh and metal flow state of the steering jiont 圖2 變形力曲線 Fig 2 the compreesoin force curve5.結(jié)論本文采用轉(zhuǎn)向節(jié)模具桿部斜度5°，桿部與鐓頭過渡圓角半徑為10mm模擬其成型過程，從圖1看出，金屬流動(dòng)較為流暢，容易充滿整個(gè)型腔。從圖2看出，隨著沖模的下行，變形力逐漸加大，當(dāng)坯料即將填滿型腔時(shí)，變形力突然變大，這與實(shí)際情況吻合，最大變形力為3000噸。參考文獻(xiàn)：1 王紅衛(wèi)，韓國(guó)立，轉(zhuǎn)向節(jié)成型變形力的計(jì)算J，鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2006 ,Vol.21

7、.（1）：p3739.2 俞漢清，陳金德，金屬塑性成型原理M，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.p15100.3 張德春，孫吉寶，STEYR轉(zhuǎn)向節(jié)模鍛成型工藝研究J，鍛壓技術(shù)，2004,Vol.29.（1）:p78.The Forgong Process Simulation of Steering Joint in MiningZhengyunting1 Mayu2 Jizhenhuan3(1 Mechanical Department in PingDingShan profession polytechnical institute2 Mechanical and electronical

8、 college in Zhengzhou light industry of technology3 Cival architecture college in Henan industry university )Abstract: In this paper, the forging process of steering joint specialized in mining is conducted by using DEFORM software, the flowing rule, stress and strain distribution rule and deforming force etc in metal plastic deformation have been abtained, it