空心坯料反擠壓省力成形方法及應(yīng)用研究

1、空心坯料反擠壓省力成形方法及應(yīng)用研究引 言 在擠壓變形中金屬處于強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力狀態(tài) , 能耗、模具消耗均較大 , 對設(shè)備的要求高。 近些年 , 各種理論方法 ,如工程近似法、滑移線法、初等能量法、上限法、變分法、有限元法以及模擬試驗(yàn)法等 , 已應(yīng)用于金屬擠壓成形的分析 , 極大促進(jìn)了金屬擠壓加工理論。 本文提出的空心坯料反向擠壓省力成形方法 ,采用主應(yīng)力法分析擠壓接觸面上的應(yīng)力分布 ,利用數(shù)值模擬方法分析擠壓力變化規(guī)律 ,為底部帶中心孔的大型薄壁筒形類零件的成形 ,提供了新思路。 擠壓是對放置在容器(擠壓筒)內(nèi)的金屬施加壓力 , 使之從特定的模孔中流出 , 獲得所需斷面形狀和尺寸的一種塑性加

2、工方法。 分為正擠壓、反擠壓、復(fù)合擠壓。 本文針對大型薄壁筒形零件擠壓力大的問題 , 結(jié)合擠壓變形的特點(diǎn) , 研究并提出了空心坯料反擠壓省力成形方法 , 即采用帶有芯軸的凸模反擠壓空心坯料成形方法 。1、 空心坯料反擠壓方法及分析圖 1 帶芯軸反向擠壓示意圖 根據(jù)塑性成形原理 , 用主應(yīng)力法計(jì)算反擠壓單位擠壓力時(shí) , 可認(rèn)為反擠壓單位擠壓力由兩部分組成： 迫使金屬流入環(huán)狀間隙所需的力 ； 處于凸模下的圓柱形金屬被鐓粗所需的力。 空心坯料擠壓基元板塊受力分析如圖 所示。 擠壓變形第一階段包括 , 已變形 的出口部分 、塑性變形區(qū) 、; 擠壓變形第二階段 ,變形區(qū) 、 合為一體(記為 區(qū)) , 在

3、該變形 階段 擠壓力達(dá)到最大 , 凸模作用的擠壓力包 括變形區(qū) 中金屬材料的變形抗力及所 有各區(qū)中金屬材料接觸摩擦的影響。采 用主應(yīng)力法計(jì)算各區(qū)域單位變形力。1、 空心坯料反擠壓方法及分析圖 2 a 空心坯料擠壓基元板塊受力分析1.1筒形出口部分( 區(qū))的單位變形力該區(qū)是擠壓件出口區(qū) , 金屬不發(fā)生變形 , 對擠壓變形力有影響的 , 是與凸模工作帶接觸的高度為h0 的材料。 由（2式）可以看出, 區(qū)單位變形力不但與材料性能摩擦有關(guān), 還取決于變形程度與凸模工作帶的尺寸,而與芯軸直徑 d1 無關(guān), 即對于筒形出口部分( 區(qū))的單位變形力、空心坯料擠壓與實(shí)心坯料擠壓的單位變形力相同。Z軸方向的平衡

4、條件：迫使金屬流入環(huán)狀間隙所需施加的單位變形力為：圖 2b（1）（2）鐓粗時(shí), 處于凸模下的毛坯內(nèi)的應(yīng)力之間的關(guān)系可表示為： 當(dāng) r = d/ 2 時(shí), 位于已變形區(qū) 和變形區(qū) 邊界, 由 z1 = z2 = p1 計(jì)算出待定系數(shù)值, 從而確定 區(qū)接觸面上的軸向應(yīng)力為：1.2圓環(huán)形金屬( 區(qū))鐓粗單位變形力由（4）式可知 在常摩擦條件下鐓粗, 正應(yīng)力分布曲線為線性關(guān)系, 同時(shí)還可以看出, 采用空心坯料擠壓時(shí), 去除了圓柱體鐓粗接觸面上的中間高應(yīng)力區(qū)。圖 2c（3）（4） 可以看出, 處于凸模下的金屬被鐓粗所需的力與芯軸直徑 d1 有關(guān)。當(dāng)芯軸直徑 d1 = 0 時(shí),K = 1 , 即實(shí)心坯料擠

5、壓圓柱形金屬被鐓粗的單位變形力為： 區(qū)單位變形力大小：式中：1.2圓環(huán)形金屬( 區(qū))鐓粗單位變形力（5）（6）模擬模型條件：為驗(yàn)證主應(yīng)力分析結(jié)果 , 掌握成形力變化規(guī)律 ,對空心坯料反擠壓成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬。采用基于熱力耦合的剛塑性有限元法 , 將工件視為剛塑性體, 凸模、凹模均視為剛性體。變形材料選擇AZ80 鎂合金 , 引入熱模擬獲得的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)。模擬軟件采用塑性成形有限元分析軟件DEFORM2D , 試樣看作軸對稱問題 , 有限元網(wǎng)格劃分如圖3 所示。2 空心坯料反擠壓數(shù)值模擬芯軸直徑芯軸直徑 d1 與坯料與坯料外徑外徑 d0 比比R1 = d1 / d0坯料內(nèi)徑坯料內(nèi)徑 d2 與

6、坯料與坯料外徑外徑 d0 比比R = d2 / d0凸模無芯軸00 ,0. 3 ,0. 4 ,0. 5 ,0.6,0.7凸模帶芯軸0 ,0. 3 ,0. 4 ,0. 5 ,0. 60圖 3 數(shù)值模擬網(wǎng)格示意圖 由圖4可知空心坯料與實(shí)心坯料( R = 0) 相比 , 兩者擠壓力的變化趨勢有所不同 。實(shí)心料擠壓時(shí) , 成形力很快達(dá)到最大 , 之后趨于平穩(wěn)。而空心坯料擠壓時(shí) , 其壓力行程曲線為“凸-凹”型 , 擠壓力的變化經(jīng)歷 3 個(gè)階段 。 圖5可看出, 隨著 R1 (即芯軸直徑)的增大 , 最大擠壓成形力明顯減小。這一結(jié)果與主應(yīng)力分析結(jié)果相一致。圖 4 無芯軸時(shí) 空心配料擠壓模擬曲線圖 5 帶

7、芯軸時(shí) 空心配料擠壓模擬曲線結(jié)論 1) 主應(yīng)力法分析結(jié)果表明 , 與實(shí)心坯料反擠壓相比 , 空心坯料擠壓筒形出口部分單位變形力不變;但凸模下鐓粗部分由于中間部位高應(yīng)力區(qū)的去除 ,單位變形力減小; 數(shù)值模擬結(jié)果表明 , 空心坯料擠壓相對單位壓力隨芯軸直徑的增大 (接觸面積的減小) 而減小。 2) 空心坯料擠壓減小了單位變形力 , 同時(shí)減少了接觸面積 , 降低了擠壓成形力。鋁合金輪輞成形應(yīng)用表明 , 空心坯料擠壓可實(shí)現(xiàn)減小設(shè)備噸位、提高模具壽命、降低生產(chǎn)成本的目標(biāo) , 為底部帶中心孔大型薄壁零件的成形提供了新思路。 1、主應(yīng)力法假設(shè)變形體處于應(yīng)力平衡的狀態(tài)，但實(shí)際擠壓是一個(gè)動態(tài)的過程。主應(yīng)力法難以反映擠壓過程中擠壓力的變化。 2、由擠壓數(shù)值模擬可以觀察到，當(dāng)空心坯料較高時(shí)，在坯料被鐓粗的過程中，塑性變形主要發(fā)生在坯料兩端，并且過高的空心坯料較實(shí)心坯料更易失穩(wěn)，使得坯料內(nèi)外表表面金屬易于進(jìn)入坯料內(nèi)部，形成產(chǎn)品缺陷。思考與討論參考文獻(xiàn) 1 王 強(qiáng), 張治民. 空心坯料反擠壓省力成形方法及應(yīng)用研究 J .