管材成形（共5篇）
管材成形 篇1
管材弯曲成形工艺是以管材作毛坯, 通过塑性加工手段制造管材的成形工艺。弯管是其中常用的一种方式, 在机械无切削加工管材领域占有重要地位。弯管工艺在由于在弯曲时容易引起横断面形变, 影响壁厚, 因此, 该工艺在弯曲方法、工艺设计以及模具设计等方面与板材的弯曲都存在着很大的不同。
管材弯曲成形专利技术分析
本文对管材弯曲成形技术领域专利进行了定量分析, 包括对专利申请量、专利申请类型、专利申请人等方面的分析, 大体可以概括国、内外在管材弯曲成形技术领域的发展概况, 以便通过国外在该技术领域的发展情况, 分析发现我国在该技术领域中的不足, 加快国内管材弯曲成形技术领域的发展。本文主要在CNABS、VEN数据库中针对分类号B21B7/00、B21D9/00下的关于管材弯曲成形的专利进行了检索并进行了统计分析。
中国专利申请分析
管材弯曲技术领域的国内专利申请分为以下三个阶段:
(1) 缓慢发展阶段 (1986-2000) :2000年之前国内申请量很少, 总数不达5件, 发展缓慢, 在此期间检索到国内管材弯曲技术的专利申请最早出现在1988年;
(2) 快速发展阶段 (2001-2010) :2001年开始申请量增长较快。2006-2010年的申请量几乎是2001-2005年的两倍;
(3) 迅猛发展阶段 (2011-2015) :2010年至今, 管材弯曲技术国内的专利申请量占总申请量的65.2%以上, 是2001-2005年申请量的10倍以上, 是1986-1990年最初几年的申请量的100倍, 申请量惊人。
在CNABS中采用PA进行限定, 对国内专利申请的申请人分布进行统计, 结果如表1所示。从表中可以看出国内申请前10中日本的申请人有3位, 其中排名第一的是日本的三樱工业株式会社, 排名第二的是西北工业大学, 排名第三的是哈尔滨工业大学。中国的管材弯曲专利的申请主要集中在高校, 检索该技术领域时可以考虑检索非专利库的硕博论文和相关期刊。
国外专利申请量
在VEN数据库中以CC字段限定国家, 分析该领域的专利申请量国家分布情况, 可以看出, 专利申请量位于第一的是日本, 且日本的专利申请量占了绝对领先的地位, 远多于排名第二的美国和第三的中国, 德国排名第四。管材弯曲技术在日本得到了较好的发展, 另外在美国、德国也获得了良好的发展, 同时也不能忽略管材弯曲技术在欧洲各国的发展。一般情况下, 在某项技术中拥有的专利较多的国家在这项技术上的原创技术就越多。可见日本在该技术领域的研发能力和技术实力是最强的。因此, 当遇到有关管材弯曲技术领域的专利申请时, 在检索中文库和VEN数据库的专利文献后, 可以重点检索日本的专利, 尝试着使用FI、FT分类进行检索。
在VEN数据库中以APD字段限定申请日, 可以分别统计管材弯曲技术领域专利申请量随时间的变化情况, 如图3所示。总体上看, 1986年以来, 关于管材弯曲技术的专利申请有了一定程度的增长, 但是前期和后期都比较平稳, 只是在2000-2005年有了较大幅度的增长, 2006-2010年申请量较2001-2005年的申请量有所下降, 2011年-2015年又重新出现一定幅度的增长。
不同弯管方法的专利申请量比较
为了对压弯、推弯、滚弯和绕弯等弯管方法的技术发展进行分析, 主要在CNABS数据库中对上述四种弯管方法的专利申请进行了统计分析, 并绘制了不同弯管方法的专利申请量的比例图, 从图4可以看出, 2000年以前, 上述四种弯管方法的申请量均较少, 2000年以后申请量迅猛提升, 这也与前面统计的弯管领域专利申请量逐年变化的趋势相吻合;另外可以看出, 推弯和绕弯方式作为主要的弯管方法其申请量远大于另外两种弯管方法, 这与不同具体弯管方法的应用范围有关, 其中, 压弯方法简单易行, 无需特殊的成形设备, 设备和模具的投资较小, 生产效率高, 但是, 其存在成形精度不高的缺点, 其一般用于形状简单, 壁厚较大的管材, 同时压弯角度不宜过大, 这些缺点限制了压弯的应用的场合, 同时滚弯适用于曲率半径要求大的厚壁管件, 因此压弯和滚弯的局限性也导致其专利申请量相比于推弯和绕弯较少, 新兴技术较少;而推弯和绕弯的应用范围较广, 技术发展较快, 专利申请量也较多;另外从图5可以看出, 绕弯式弯管的专利申请量最多, 因此对绕弯式弯管进行了更细致分析, 绕弯式弯管分为手工弯管和弯管机弯管两种方式, 从图中可以看出两种弯管方式的比例相当, 其中绕弯式手工弯管因为其灵巧方便, 适用领域较广, 在一些场合有着不可替代的作用, 因此绕弯式手工弯管近年来的专利申请量也维持在一定水平;从推弯弯管和绕弯式弯管机的专利申请来看, 目前智能化和自动化的数控弯管机已逐渐取代传统的普通弯管机, 现有自动弯管机正在向极端制造方向发展, 一是越来越高大, 二是越来越细小, 三是越来越复杂, 生产工艺高度集中。
结语
管材的弯曲广泛应用于机械、石油化工、航空航天、管道工程、电器等领域, 不同领域用到的管材的弯曲方法有所差别, 这也使得不同弯管方法的技术发展路线有各自的特点。而在同一领域, 我国与日本以及美国、德国等欧美国家仍存在着一些差距, 无论是专利技术还是撰写都有待提高。
摘要：本文对管材弯曲成形技术领域专利进行了定量分析, 包括对专利申请量、专利申请类型、专利申请人等方面的分析, 详细介绍了管材弯曲的技术发展历程及国内专利申请情况, 并对该技术领域的国内外的专利申请趋势进行了简要的统计和分析。
管材三维仿真成形分析与研究 篇2
弯曲加工是金属加工成形中的一个较典型的加工方式。复杂空间管材成形, 对于其加工精度尺寸、强度、变形要求很高, 故对模具、管材的材质等要求精度很高, 所以必须对管材弯曲过程进行成形模拟, 对管材在弯曲过程中的仿真模拟, 对于模具设计、弯管数据的修正, 管材的材质、直径、壁厚的选取, 以及加工中管材的弯裂、管壁起皱等现象的控制, 获得科学的理论依据, 提高经济效益。
中心利用一台数控弯管机, 主要用于研制摩托车的车架。通过对车架工程图的分析、消化形成车架几根主要管件成形的数据, 应用自主开发的仿真软件, 较好地解决了较复杂空间成形管件的一次成形。
二、模型描述
1、几何尺寸
绘制的几何尺寸是根据实际加工的零件图和模具图得到的。所取管材尺寸为:管外径、管壁厚、管长。弯管机模具尺寸:夹头长度、压力模宽度、夹紧模宽度、弯模半径。
2、单元类型
由于该管子的长度与直径相比相差较大, 属于薄壁管材, 所以采用8节点三维固体等参元进行分析计算, 每个单元设定2×2×2=8个高斯积分点。通过对20节点和8节点等参元进行的分析计算, 发现节点取得越多和积分阶数取得越高对分析计算反而代来了较大的误差。8节点等参元计算结果的效果较好。
3、网格划分
划分为504个单元, 节点数为1032。通过自动分网程序, 输入外径、壁厚、长度、单元类型、分析类型, 自动分网产生数据和有限元模型。
4、边界条件
取坐标系原点位于管子夹头的端部中心。管子夹头部取固定约束, 在与压力模和弯曲模靠近部位保留X方向自由度, 约束Z, Y方向自由度。管子被夹紧模夹持的部分施加载荷, 沿Y轴的负方向垂直作用于管子的表面。
5、材料性质
牌号、杨氏模量、泊桑比、屈服应力、塑性模量
三、工况分析
通过仿真程序分析, 得出的最大位移和最大应力强度表。最大应力强度发生在管子与弯曲模接触处, 即产生最大弯曲变形处。最大位移位于管子的端头, 其变形最大。
四、仿真分析
管子在弯曲过程中只有与弯曲模接触部分是高应力区, 而离开弯曲模越远, 应力就越小。在压力模与夹头之间应力值几乎为零。
沿管子背部剖切展开, 形成展开图的主应力等值线图。由图可知, 弯曲变形的外侧基本受拉应力作用, 而内侧则有拉应力和压应力交替出现的现象。
由展开图可以发现, 在与弯模接触部位 (管内侧) 出现了应力的波峰—波谷分布, 即拉、压应力交替出现。证明了在弯曲加工中, 当某些外部条件未达到满足时, 管子的内侧很容易出现起皱的现象。
通过对应力强度分析, 得出了在弯曲变形部分的应力强度数值较高。计算分析后, 发现管子的最大应力强度未超过材料的强度极限, 故其弯曲工艺过程是合理的。
五、弯管弯曲成形的缺陷分析与对策
建立三维模型, 进行相关的计算和分析与仿真, 模拟了常见的弯管缺陷如:管材弯曲外侧易过度变薄, 甚至导致开裂;管材弯曲内侧易发生失稳起皱;管材截面易产生畸变。
1、弯管缺陷产生的原因
弯管过程中, 合力使圆弧处的截面趋向椭圆形, 弯曲半径越小, 合力就越大, 变扁的趋向就越明显。如果安装模具时不注意, 弯管模和压紧模型面出现错位, 弯管圆弧处也将变扁。
当弯管半径较小时, 由于压紧模的阻力作用将使圆弧外侧的拉应力增大, 同时中性层内移, 管件的圆弧外侧就会减薄压紧力越大, 阻力也越大, 减薄量越明显。
弯管过程中圆弧外侧出现裂纹或断裂, 其原因可能是多方面的, 与管材的材料、压紧模的压力等有关。常见的圆弧内侧起皱主要是压紧模的压力过小, 不能使管子在弯曲过程中很好的与弯管模结合, 管内侧受压应力的作用后有失稳起皱的空间。
2、防止产生弯管缺陷的对策
通过计算分析与成形仿真的模拟, 分析出其变形的趋势和应力应变的分布, 得出一些有针对性的处理措施。
对于外侧变扁的管件, 可将压紧模设计成具有反变形槽的结构形式, 以减轻弯曲时的变扁程度。
克服减薄量过大的情况, 常见的有效方法是使用侧面带有助推器和尾部带有顶推装置的弯管机。
对于管子弯裂和起皱的情况, 应首先保证管材具有良好的热处理状态, 排除管材的因素后再检查压紧模的压力是否太大, 并调整使其压力适当。
六、结论
通过仿真计算与分析, 了解了管子的变形、应力分布等情况, 而且得出了具体的位移、应力的数值解及分布图, 解释了在弯曲过程中的产生的一些现象。由于该程序具有较好的通用性, 故可以计算多种管材在改变几何尺寸、材质等情况下的变形、受力情况, 较好模拟弯管中出现缺陷的情况, 对于弯管成型加工带来了较高的经济效益。
摘要：本文以管材复杂空间成形的工程问题为背景, 通过自己开发的软件实现了管材弯曲成形过程的仿真, 解决了弯曲模具和弯管过程中的一些难题。
关键词：管材成形,仿真软件,研究
参考文献
[1]张汝清、詹先义:《非线性有限元分析》, 重庆大学出版社, 1990年。
[2]汪凌云、刘静安:《计算金属成形力学及应用》, 重庆大学出版社, 1991年。
[3]李建中、岑章志、徐秉业:《轴对称壳体弹塑性屈曲的有限元分析》, 《清华大学学报》 (自然科学版) , 1999, 39 (2) :82-85.
管材成形 篇3
提高零部件使用性能、减轻零部件重量、节约材料是现代先进制造技术追求的目标和发展趋势[1]。管材液压成形技术因其轻量化和一体化的特征在汽车行业和航空航天等领域得到了广泛应用。目前,欧美等国的科研单位和企业都对该技术进行了深入研究,并在轻量化构件的制造中进行了广泛应用[2]。由于管材内高压成形设备的要求较高、投资昂贵,目前国内可独立制造成套内高压成形设备的机构还不多,这在一定程度上限制了国内内高压成形技术的研究和发展。为更深入地研究管材成形技术,本文设计了一套可实现波动加载的管材液压成形系统,并对其中的关键问题进行了深入的研究和探讨。
1管材液压成形设备的组成
管材液压成形设备由合模压力机、模具系统、充液增压系统、数据采集和控制系统4部分组成[3]。
1.1 合模压力机
合模压力机在管材液压成形时提供合模力,将模具锁紧,保证在成形过程中不会因模具开缝造成零件飞边或引起管端密封失败。由于液压机可在其全行程的任意位置输出系统的最大压力,并易于实现调压和保压,故本系统采用液压机作为合模压力机。
1.2 模具系统
本系统采用的模具沿工件的分型面分为上模和下模,上模固定在可滑动横梁上,随横梁移动开闭模具,下模固定在液压机的工作台上,模具中间部分可更换不同的型腔,以满足不同的实验要求,如图1所示。
1.3 充液增压系统
此部分是管材液压成形系统的核心部分。当模具锁紧后,侧推缸开始进给,推动冲头进给对管材进行预密封;之后,乳化液充液系统向管材内填充乳化液并排出管内气体;乳化液填充完毕后超高压增压系统工作,管材内液体压力升高,完成管材的胀形。图2为液压系统工作原理图。
1.4 数据采集和控制系统
数据采集部分由传感器、计算机、数据采集卡等组成。传感器将检测到的不同信号转换成电压信号,经数据采集卡A/D转换后输入计算机,计算机内的记录和显示程序将上述物理量以数据文件形式保存在计算机内,以备后续的实验结果处理、存储、打印等。控制部分由计算机、数据采集卡、PID调节器、比例伺服阀等组成。压力传感器将检测到的实时压力通过数据采集卡反馈给计算机并与设定的压力值相比较,通过PID调节器调节后作用于比例伺服阀,直至系统压力符合设定值,控制部分实现了对系统的闭环控制和管材液压成形的自动化。
2关键问题的研究
在系统的研发过程中,涉及到很多影响整个系统可行性、稳定性和安全性的因素。本文对这些因素进行了深入的研究并提出了合理的解决方案。
2.1 密封
泄漏是液压系统的“通病”,外泄会污染环境,还会影响液压泵的工作性能和液压执行元件运动的平稳性;内泄严重时,会造成系统容积效率过低及油液温升过高,导致系统不能正常工作[4]。密封是解决液压系统泄漏问题的有效手段之一,由于本系统内压较高,做好系统的密封工作对整个系统至关重要。本文将侧推缸的进给设置为一静一动,先手动调整左侧冲头的位置,即分配液压缸16先向左侧水平缸17内充液,推动左侧冲头进给到预设的位置,之后启动开始按钮,分配缸只向右侧的水平缸无杆腔内填充液压油,推动右侧冲头进给,左侧冲头静止。在右侧冲头接触管坯后推动管坯向左进给,直到管坯左端接触左侧冲头并形成一定压力后停止。当乳化液填充满管材后,两端冲头再同步进给,密封好管材两端。该设计既解决了冲头对管端的密封问题,又减少了冲头同步进给引起的冲击,从而减少了管材的屈曲率,提高了管材的使用率。
1-轴向柱塞泵;2-电动机;3,24-溢流阀;4,15,21-压力表;5,6,7,11,12,19,23-三位四通电磁换向阀; 8,28,29-单向阀;9,10,13,14,25-压力继电器;16-分配液压缸;17,18-水平侧推缸;20-先导比例电磁溢流阀; 22-增压缸;26-乳化液缸;27-乳化液油箱;30-反馈放大器;31-PID调节器;32-比例放大器;33-计算机
2.2 进给补料
管材胀形时轴向会出现收缩,此时如果两侧冲头不能及时进给补料,一方面会造成管端密封不严引起泄漏,另一方面会使管壁过度减薄,严重时管坯破裂,降低管材胀形成功率。因此在管材胀形的过程中,两端冲头要及时地进给、补料。本系统在增压回路上添加了一条支路,该支路由换向阀11、分配液压缸16、侧推缸17、18组成。在增压缸22工作时,通过换向阀的油液一部分经支路流入分配缸的A腔。在内压力升高,管材胀形收缩时,油液通过换向阀11右侧进入分配缸的A腔,推动分配缸16的活塞进给向两水平侧推缸无杆腔内注入油液,从而推动两端冲头及时进给补料。
2.3 超高压的实现
本文设计的液压系统要求最大输出内压达到300 MPa,由于目前常规液压系统的最高压力只能达到32 MPa～40 MPa,所以要实现超高压必须采用增压缸进行增压。为减轻系统低压端的压力同时实现系统的超高压输出,本文设计了一个增压比为12∶1的单动增压缸,即增压缸22。
2.4 双介质供油
乳化液既能克服液压油在高压下压缩量大、成本高、难清理的缺点,又具有防锈作用,因此管材液压成形系统采用乳化液作为加压介质。本文在设计乳化液的充液、吸液时采用了独特的思路,在乳化液缸26的输出端设置了两个单向阀28和29。管材成形时,单向阀29右侧的压力较高,左侧的较低,该阀作为隔离高压和超高压的元件,隔离开左、右两侧,以保护整个系统的安全运行;单向阀28则在乳化液充液时封闭,管材胀形完成后,乳化液缸回程时打开,以满足乳化液缸从乳化液油箱27中吸液。该设计省略了独立的乳化液充液系统,在满足系统双介质供油的同时,使整个液压系统结构更加简单、紧凑,节省了设备空间和系统设计成本。
2.5 自动化的实现
本文设计的系统采用了较多的压力继电器,这些继电器在PLC的控制下实现不同支路的动作转换。另外,由于管成形过程中系统的压力比较高,所以对系统的控制精度要求也高。为达到控制精度的要求,本文设计的液压系统采用闭环控制,由压力传感器、反馈放大器30、计算机33、PID控制器31、比例放大器32以及先导电磁比例溢流阀等实现对内压力的自动控制。系统闭环控制框图如图3所示。
2.6 波动加载的实现
内压力的波动加载是本系统最关键的问题。本文在增压缸的低压端设置了先导比例电磁溢流阀,从闭环控制框图可以得到,增压缸高压端的压力传感器将检测的实时压力转换成电压信号,经数据采集卡A/D转换后输入计算机,与设定的信号比较,经D/A转换后通过PID控制器调节,最后通过比例放大器放大后作用于先导比例电磁溢流阀,溢流阀阀口开启卸荷实现增压缸低压端的压力波动,从而实现输出内压力的波动。
3结束语
本文在研究管材内高压成形工艺的基础上,结合实际的实验要求,自主研发的可波动加载的管材超高压液压成形设备具有结构简单紧凑、工作可靠、节能高效、控制精度高等优点,可以满足管材液压成形实验的内压力波动加载要求,同时也为国内液压成形设备的研发提供了参考。
摘要：分析了液压成形设备的组成以及在研发波动加载管材液压成形系统过程中涉及的关键问题,并对每个问题都提出了合理的解决方案,实现了系统的设计要求。
关键词：波动加载,管材,液压成形系统,超高压,PLC
参考文献
[1]苑世剑,王仲仁.内高压成形的应用进展[J].中国机械工程,2002,13(9):783-786.
[2]Koc M,Akan T.An overall review of the tubehydroforming technology[J].Journal of MaterialsProcessing Technology,2001,108(3):384-393.
[3]袁安营,王忠堂,程明,等.管材内高压成形系统的建立及若干问题的探讨[J].锻压装备与制造技术,2008,43(1):80-84.
管材成形 篇4
本次会议主题为“先进成形工艺:绿色成形技术的机遇与挑战”,会议将邀请知名学者、专家做报告,并有针对性地开展专题技术研讨、产品展示、技术参观等。欢迎全国塑性加工同行踊跃参会,请积极推荐或自荐会议报告人。同时,热烈欢迎相关的企业、研究单位在会议期间展示自己的品牌,推介新技术、新产品。具体事宜请与组委会联系。
会议内容(不限于)为:
(1)绿色成形技术:绿色产品的设计开发新技术;先进绿色成形工艺与新技术;绿色原材料制备及回收处理等。
(2)管材成形技术:管坯制备、成形与连接新工艺与新技术;管材制备、成形与连接过程数值模拟及优化;管材成形模具设计与制造新技术等。
林艳丽(绿色成形):15318275626,linyanli0616@163.com
何祝斌(绿色成形):15244629678/0451-86414751,hithe@hit.edu.cn
管材成形 篇5
随着计算机技术和数值计算方法的迅速发展,以有限元法为代表的数值模拟法己被广泛应用于型材挤压过程中。它代替了过去仅仅通过重复实验的方法,不仅可以节省大量的人力和物力,而且还可以得出一般实验过程中无法得到的参数变化,并能够实现现有实验条件无法实现的复杂挤压加工过程,为挤压工艺的优化和新工艺的开发提供了更有效的路径[1]。
由于钛及其合金管材生产难度大,原因是变形抗力较大,加工硬化强烈,容易发生开裂等[2]。因此,需用数值模拟的方法来辅助设计挤压模具和优化工艺参数,从而提高生产率、节约生产成本和缩短生产周期。
2 挤压工艺参数及模具结构的确定
以尴160mm×尴130mm×1000mm的管材为例,分析其热挤压成形的模拟过程,实验管子材料为稀有金属中的工业纯钛(Ti)。
2.1 工艺参数
热挤压温度的确定应考虑使被挤压的金属具有较低的变形抗力和较好的塑性(图1[3]),也要参考该合金的相图和再结晶全图(为使挤压制品获得良好的组织和性能),如图2[3]所示。当温度高于600℃时,该材料的抗拉强度急剧降低,塑性大大提高,在800℃以下晶粒保持细小。因此,选取600℃、650℃、700℃3个温度进行模拟。
挤压速度的选择原则是:在保证制品不产生表面裂纹、毛刺、扭拧、弯曲、波浪、间隙以及尺寸等质量问题的前提下,当挤压机能力允许时,速度越快越好。因为速度快对模具和挤压筒的寿命有好处。对钨、钼、钽和铌等难熔金属一般采用现有设备的最高速度(150~300mm/s),对于钛、锆及其合金由于其导热性能差,变形热效应大,故一般采用中等速度进行挤压[3](50~150mm/s)。因此,挤压杆行程速度分别选50mm/s、100mm/s、150mm/s进行模拟。
2.2 模具结构[4]
不同的模具结构对挤压制品的表面质量和挤压力有很大的影响。平模挤压时可存在较大的死区,制品的表面质量较好,但挤压力较大;锥模挤压力较小,但产品的表面质量难以保证;平锥模介于平模和锥模之间,兼有两者之优点,适于钢和稀有金属的挤压。因此,模具形状选取平锥模(图3)。
模角α的作用表现在它可以降低挤压力。但是,从保证产品质量的角度来看,模角不宜太小。特别在使用玻璃垫作为润滑剂挤压钢和稀有金属时,由于模角太小难以使它在模具的工作面上贮存,以致使润滑条件变坏,所以锥模的模角α角取55°~70°为佳。故模角参数分别选55°、60°、65°、70°进行模拟。根据经验,为了保证产品的表面质量,平模长度L应取在9%D左右。故对其分别选取11%D、9%D和7%D进行模拟(D———挤压筒的内径或模具外径)。
3 挤压模型的建立
模拟采用了DEFORM—2D有限元模拟软件。挤压件为轴对称件,所以取1/2分析。取摩擦系数0.3,挤压杆、芯棒、模具和挤压筒设为刚性体。模拟简图如图4所示。
4 模拟过程及结果分析
4.1 挤压金属的流动
挤压金属流动情况分为3个阶段[5],如图6a、b、c所示。每个阶段的挤压力变化见图8、图9所示。
(1)充填挤压阶段(图6a),金属受挤压轴的压力后,先充满挤压筒和模孔,压力直线上升至最大值;
(2)基本挤压阶段(图6b),此阶段中坯料头部的一部分金属未经变形即流入模孔,坯料前端流动速度较大,其中内部的速度又要比外部速度要大,这导致挤制品头部内外变形不均匀,组织性能差,产生“翘曲”(见图5),这部分需切去,称为切头。随着流动的继续,渐处于平稳阶段,坯料的内外层金属基本上不发生交错或反向的紊乱流动,此阶段中挤压力随着坯料长度的减少而稍有下降;
(3)终了挤压阶段(图6c),此阶段中,变形区内的金属由周围向着挤压轴线方向发生剧烈的横向流动,同时,死区中的金属向模孔流动,形成“挤压缩尾”缺陷。此时的挤压力直线上升。
4.2 管材挤压的等效应变
如图7所示,在管材的外表面、中心和内壁分别取点P1、P2、P3进行应变追踪,从应变追踪曲线图中可清楚的看到点P1的应变曲线在最上边,P2的在最下方;P3居中。且在挤压筒与模具的平模处有明显的死角出现。
因为变形主要限于凹模模孔区域,并且随着挤压过程的进行其应力分布增大,等效应变值也增大,这部分金属受挤压芯棒轴向力和凹模径向力的共同作用,发生轴向应变和径向应变;心部金属主要受挤压芯棒轴向挤压力的作用,径向几乎不发生变形;从管材心部到管材内壁应变逐渐增大,这是因为内壁的金属受到挤压芯棒的径向压力和轴向摩擦力。
4.3 温度对挤压力的影响
温度对变形力有很大的影响。如图8所示,随着坯料温度的增加,挤压力也随之减小。这是由于变形抗力减小的缘故。在基本挤压阶段随着挤压杆行程的增加挤压力曲线逐步下滑。因为随着挤压筒中坯料的不断挤出,坯料与挤压筒接触面积变小,摩擦力减小,从而导致挤压力的减小。另外,还由于变形区金属温度上升,也导致挤压力降低。
4.4 挤压速度对挤压力的影响
挤压速度对挤压力也有很大的影响。图9为不同挤压速度下挤压杆行程—挤压力曲线图。在基本挤压阶段,挤压速度为100mm/s时挤压力最小;150mm/s时挤压力最大。这是因为当变形程度一定时,金属流动速度越高,变形越快,同时产生大量的热,降低了金属的变形抗力,而使挤压力减小,然而,速度太快时,相应的变形速度也越高,金属将在不同程度上产生硬化使变形抗力增高,故又导致了挤压力的增大。
4.5 模具结构的影响
挤压成品管材质量的好坏和挤压力的大小与模角和平模长度的选取有很大的关系。因为锥形区域是“翘曲”和裂纹生成、扩展的主要危险区;模具的平模部分是主要的受力区。因此,对模角和平模长度的优化是非常重要的。
切头率m、压余比n和挤压力系数k由下式计算:
式中:h———“翘曲”长度,见图5;
d———成品管材外径;
H———挤压完残存在挤压筒内余料的高度,见图6c;
D———挤压筒内径;
p———,F为基本挤压阶段最大挤压力,A为挤压杆承受挤压载荷的环形面积;
σs———700℃时纯钛的流动应力。
根据模拟,得出不同模角和平模长度下的m、n和k,见表1。
从表1中不难看出随着模角的减小,切头率和挤压力系数随之减小,而压余比除模角在60°时最小外,总体上呈增大的趋势。平模长度取9%D时的切头率、压余比和挤压力系数均小于平模长度取7%D和11%D的。在平模长度为9%D时,模角取60°时的挤压力系数和压余比均为最小,而切头率次之。因为以上三个参数越小对挤压越有利,所以综合考虑得:对于挤压钛及其合金而言,平锥模的平模长度为9%D,模角为60°时可获得表面质量优良的制品,同时所需的挤压力、压余比以及切头率最小。
5 结论
(1)从挤压杆行程—挤压力曲线图可得,模拟所得的金属流动过程与实际挤压过程完全吻合。
(2)运用刚塑性有限元仿真金属钛管材的挤压过程,得挤压管材表面变形最大,中心变形最小,内壁居中;随着温度的增加,挤压力也随之减小;适当的挤压速度下挤压力最小。
(3)当平锥模的平模长度为9%D,模角为60°时,模具结构最优。
参考文献
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