有心棒管件开式冷挤压凹模受力分析的数值模拟

Ｄｉ篡　栏目主持　卢燕明　有心棒管件开式冷挤压凹模受力分析　的数值模拟　河北理工大学　（唐山０６３００９）　高小会孟献举李军　开式冷挤压技术是一种高效、低耗的先进生产　工艺技术，通常应用于中小型锻件的规模化生产中。　目前，这项技术在国内外受到了普遍重视，如今更　开式冷挤压常用的工艺类型有棒材缩径、管件　有心棒缩径、管件无心棒缩径、管件扩径、深小锥　孑Ｌ成形、花键轴开式冷挤压等，本文对管件有心棒　缩径工艺进行研究。　以其成形力低、工艺流程简化、无污染等诸多优势　在汽车、摩托车以及家电生产等行业中得到了广泛　的应用。数值模拟作为一种综合应用计算力学、计　算数学、信息科学的综合工程技术，是支持工程技　术人员进行创新研究和创新设计的重要工具和手段。　开式冷挤压模具的寿命是关系到经济效率的重　要因素，由于开式冷挤压过程中作用在凹模内壁的　单位压力非常大，如果凹模采用整体式就有可能产　生开裂缺陷。实践与理论皆证实，采用单纯增大壁　厚的办法达不到提高凹模强度的目的，为了延长模　具的使用寿命，就必须使模具结构设计合理，因此　采用组合式凹模结构。而合理的设计首先要知道凹　模内壁上的压应力，这就是说研究作用在凹模内壁　压应力的大小和分布规律是对凹模进行优化设计的　前提条件。冷挤压时的单位挤压力很大，远远地超　过一般塑性成形方法的单位压力。由此可见，冷挤　图１开式冷挤压示意图　１．挤压设备压头２．挤压毛坯３．挤压凹模４．挤压心棒　经过分析，影响有心棒管件开式冷挤压成彤的　主要参数有：坯料原始厚径比ｔｏ／Ｄ。，摩擦系数　，　压模具的工作条件是极其恶劣的，对模具也就提出　了更高的要求。　本文即对有心棒管件开式冷挤压过程中坯凹模　模具锥角２　，材料屈服强度　等。　变形程度以截面积变化率表示　（ｓ　一Ｓ，）　—　一　的受力情况进行了研究，为模具的优化设计提供了　帮助。　一式中，５ｎ是坯料原始截面积；ｓｔ是坯料挤压后截面　、有心棒开式冷挤压　积。　有心棒管材开式冷挤压的变形如图１所示，其　二、有心棒管材开式冷挤压成形过程　的数值模拟研究　１．初始条件设置及参数的选择　几何模型在ＵＧ中构建，为简化模型，凹模与工件　中Ｄｆ１和Ｄ　是挤压毛坯的原始外径和挤出外径，２　是模具锥角，Ｒ　和　：是模具过渡圆角，ｄ０和ｄ　分　别为挤压毛坯的原始内径和挤出内径，ｂ为工作带长　度。　均构建为实体的１／２，模拟条件和具体参数选择如下。　５０　参磊　棚工　（１）材料参数：模拟中毛坯选用２０钢，在模拟　软件中选用与其物理性能相近材料ＡＩＳＩ一　１０１５ＣＯＬＤ［７０Ｆ（２０Ｃ）］，另外在模拟过程中还用到　了另外两种材料，分别为４５钢和２０Ｃｒ，同时在模拟　软件中选取与它们物理性能相近的金属材料分别为　ＡＩＳＩ一１０４５Ｃ０ＬＤ［７０Ｆ（２０Ｃ）］和ＡＩＳＩ一５１２０ＣＯＬＤ　［７０—１４５０Ｆ（２０Ｃ）］。　（２）环境设置：环境温度选择２０℃，本次模拟　选用相对网格划分方法，划分网格数为２０　０００。　（３）运动参数：设凹模位置固定，凸模运动速　度设为５ｍｍ／ｓ。　（４）采用Ｎｅｗ—Ｒａｐｈｓｏｎ迭代算法，剪切摩擦模　型，摩擦系数设为０．０８。　（５）几何参数　为挤压前后坯料的半径，模拟　人模半角　＝８。，工作带宽ｂ＝１８．６ｍｍ，Ｄ　＝　２２．４ｍｍ，Ｌ。＞２Ｄ。为消除非稳定性变形段影响，故　几何模型长度取Ｌｏ＝４６ｒａｍ。　２．挤压模拟过程中各参数对冷挤压凹模内壁　应力的影响　本文主要讨论各个工艺参数及模具尺寸参数对　挤压过程中凹模内壁所受应力的影响程度。这里讨　论的应力值就是当金属毛坯挤压过程中在凹模内壁　上所受应力的最大值。而一般来说，当挤压过程中　的单位挤压力最大时，凹模内壁所受的压应力也最　大。这样可以根据整个模拟过程中的压力行程曲线，　得到挤压力最大时的挤压步数，并求出此时的凹模　内壁的最大等效应力。如图２所示为有心棒管材在　挤压力最大１７０步时，凹模内壁的应力分布曲线图　和点轨迹追踪图，由图２可以看出凹模内壁上越接　图２　凹模内壁应力分布界面　近凹模入口处其应力值越大，在实际生产中为避免　凹模入口处有应力集中，在凹模人口处设有圆角过　渡区域。　（１）模具锥角对凹模内壁最大等效应力的影响　在开式冷挤压过程中，固定其他参数，选取不同　的模具半锥角８。、１２。、１６。、２０。和４０。进行模拟，　所得凹模锥角对凹模内壁最大等效应力影响曲线如　图３所示，可以看出，随着凹模锥角的增大，内壁　所受的最大等效压应力随着增大，模具半锥角在８。～　１２。范围内，凹模内壁应力出现极小值，主要是由于　存在最佳模具锥角时挤压成形力出现最小值引起。　因此，在设计模具时，应尽量选取最佳模具锥角以　减小凹模内壁所受的应力，提高模具寿命。　室　较　蜥　蟛　模具半锥角　。）　图３　模具半锥角对凹模内壁最大等效应力的影响　（２）摩擦系数对凹模内壁最大等效应力的影响　在其他工艺参数及模拟条件相同的前提下，选取不同　的摩擦系数０．０５、０．０８、０．１２和０．２５进行数值模拟　研究。如图４所示，可见随摩擦系数的增加，凹模内　壁最大等效应力增加。凹模内壁的摩擦系数小于０．１２　时，摩擦系数对凹模内壁所受的最大等效应力的影　响较大，但当摩擦系数大于０．１２后，摩擦系数对凹　模内壁所受的最大等效应力的影响相对减小。可见，　改善挤压过程中的润滑条件，减小摩擦系数可明显　减小模具的受力，对增加模具的寿命有积极的作用。　Ｒ　毯　较　略　摩擦系数　图４摩擦系数对凹模内壁最大等效应力的影响　参磊　工。冷加　．．．　．．……：　２Ｏ　：　置：磊　搠　Ｄｉ　（３）金属材料性能对凹模内壁最大等效应力的　影响挤压金属材料的化学成分、组织结构及力学　性能对挤压变形的影响都很大。在其他工艺参数及　模拟参数相同条件下，分别选取三种力学性能不同　的材料２０钢、４５钢和２０Ｃｒ进行数值模拟分析，三　者屈服强度关系为　＜　＜　。所得材料屈服　强度对凹模内壁最大等效应力的影响如图５所示。　１２００　１０００　皇８００　４　６００　４０ｏ　嗌　２００　０　２０钢　４５钢　２０Ｃｒ　罔５材料屈服强度对凹模内壁最大等效应力的影响　由图５可知，随着屈服强度的增加，凹模内壁　上所受的最大等效应力值也随着增加。由此可见，　金属坯料的选择对凹模内壁设计影响很大，因此设　计凹模时要根据所成型材料的不同选取相应强度模　具材料，以避免出现凹模开裂缺陷。　（４）凹模转角处圆角对凹模内壁最大等效应力　的影响Ｒ．为凹模转角处圆角半径（挤入端模具锥　面与工作带间的过渡圆角半径）对凹模内壁应力有　很大的影响，对于挤压黑色金属毛坯，一般选取凹　模锥角处圆角半径范围是０．５～３．Ｏｍｍ，在其他工艺　参数及模拟参数相同的前提下，分别选取四种不同　的凹模转角处圆角半径Ｒ，为０．６ｒａｍ、０．８ｍｍ、　１．２ｒａｍ和２．４ｍｍ。凹模转角处圆角半径对凹模内壁　最大等效应力的影响曲线如图６所示。　羔　＼　较　略　凹模转角处圆角半径Ｒ１／ｍｍ　图６　凹模转角处圆角半径对凹模内壁最大等效应力的影响　由图可见，随着凹模转角处圆角半径的增大，　凹模内壁所受的最大等效应力值逐渐变小，且当选　罂　皇妻　：＝　磊　工。冷加工　取圆角半径在１．２～２．４ｒａｍ范围内时，曲线变化程度　逐渐变缓，可知此区间内圆角半径对最大等效应力　的影响程度逐渐减小。由此可知在其他条件相同的　条件下，可以通过在凹模圆角半径可选范围内适当　增大其圆角半径值的方法，降低挤压力对凹模内壁　的影响，从而能够延长开式冷挤压凹模的寿命。根　据模拟结果综合分析可知，可选凹模转角处圆角半　径值在１．２～２．４ｍｍ范围内。　（５）凹模工作带长度对凹模内壁最大等效应力　的影响　凹模的工作带长度是开式冷挤压凹模结构　设计的一个重要参数，工作带长度过短，会使成形　质量难以保证，过长又会使挤压力增加，且造成模　具材料的浪费，一般工程上选取凹模工作带长度在　约为挤压毛坯外径的０．５倍，数值模拟选用挤压毛　坯外径Ｄ。ｍｍ，在其他工艺参数及模拟参数相同的前　提下，凹模工作带长度ｂ分别选取四种大小不同的　值为１５ｍｍ、１８．６ｎｌＩｌｌ、２０ｍｍ和２４ｒａｍ。如图７所示，　随着凹模工作带长度的增加，凹模内壁所受的最大　等效应力略有增加。　矗　室　－Ｒ　较　神　坷盛　工作带长度ｂ／ｍｍ　图７　凹模工作带长度对凹模内壁最大等效应力的影响　三、结语　对有心棒管材开式冷挤压成形工艺、挤压力进　行了分析。采用有限元数值模拟软件Ｄｅｆｏｒｍ一３Ｄ对　有心棒管材的开式冷挤压成形过程进行了数值模拟　研究。经过研究分析，得到如下结论：　（１）分析了有心棒管件开式冷挤压成形工艺，　得到了影响坯料成形、模具受力的主要参数。包括　模具锥角、摩擦系数、材料性能、工作带长度等。　（２）经分析，所得各参数对凹模内壁所受最大　等效应力影响规律如下：①凹模锥角的增大，内壁　所受最大等效压应力随着增大，其值在最佳模角位　置存在极小值。②摩擦系数的增加，凹模内壁最大　等效应力增加。③屈服强度的增加，凹模内壁上所　环氧树脂浇注模在电主轴电动机上的　应用　山东博特精工股份有限公司　（济宁济宁科力光电产业有限责任公司　２７２０７１）　程慧杰２７２０１７）　秦鹏　（山东邵光存　电主轴是随机床行业迅速发展起来的高精度、　高转速主轴单元，是实现高速加工的关键功能部件，　由于其具有结构紧凑、转速高、振动小、噪声低等　优点，已被广泛应用于机械、电子、航空、航天等　原料的预处理、混料、浇注等各个工序都需要控制　领域。但正因为其用途广泛，有时涉及的使用环境　极其恶劣（如：水雾、水汽、潮湿、多尘等），这必　然对电主轴的内置电动机绝缘提出更高的要求，而　传统的内置电动机大多采用真空浸渍漆，根本无法　满足水雾、水汽的使用环境。电主轴在水雾、水汽　的环境中，有时使用不到１个月，就因内置电动机　定子绕组潮湿，绝缘降低，导致电动机报废。而环　氧树脂胶不同于真空浸渍漆，其黏度比真空浸渍漆　相对较大，使用时必须加固化剂，固化时必须利用　模具成型，为解决此问题，笔者设计了一套环氧树　脂浇注模对电主轴电动机绕组进行环氧树脂浇注。　本文中的电主轴电动机绕组的绝缘浇注采用真　空浇注工艺（见图１）。真空浇注工艺是目前环氧树　脂浇注中应用最为广泛、工艺条件最为成熟的工艺　方法。对于一件环氧树脂浇注的电器绝缘制品，它　要求外观完美、尺寸稳定、力学性能、电性能合格。　它的这些性能取决于制件本身的设计、模具的质量、　无泄漏现象。　现把应用此浇注模的　浇注工艺流程以及注意要点介绍如下。　１．配料　本文中所用的浇注物料为环氧树脂胶。环氧树　脂胶由环氧树脂、填料和固化剂等｝昆合配制而成。　它具有黏度较小、流动性较好、收缩率小、挥发　物少、固化快、低压力成型性好等特点。浇注成　受的最大等效应力值也随着增加。④凹模转角处圆　角半径的增大，凹模内壁所受的最大等效应力值逐　型的工件，有足够的机械、电气性能和化学稳定　性能。　图１环氧浇注工艺流程　浇注用材料的选择、浇注工艺条件的控制等各个方　面。环氧树脂真空浇注的技术要点就是尽可能减少　浇注制品中的气隙和气泡。为了达到这一目的，在　渐变小。⑤凹模工作带长度的增加，凹模内壁所受　的最大等效应力略有增加。ＭＷ　（收稿日期：２０１１０５０２）　２．涂脱模剂、装模　环氧树脂胶与其他物质的粘接性很强，在浇注　前，模具的相关部位均需均匀涂抹脱模剂。脱模剂　参磊　工。冷　工－　－ｗｗｗ．ｍｅｔｏｌｗｏｒｌｄｎＥＩＹ．￣Ｕ．ｃｏｍ　ｉ　…　置妻　黧　５３