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        摩擦系數(shù)對不同高徑比坯料鐓粗鼓的影響規(guī)律

        2022-11-22 02:07:34邱媛媛
        鍛壓裝備與制造技術(shù) 2022年5期
        關(guān)鍵詞:有限元區(qū)域

        邱媛媛

        (中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所,河南 洛陽 471000)

        摩擦力在金屬塑性成形中廣泛存在。模具與坯料接觸并產(chǎn)生滑動過程中,由于接觸表面發(fā)生嚴(yán)重的變形與損傷,進(jìn)而產(chǎn)生阻礙滑動的力[1-3]。摩擦是一個復(fù)雜的過程,其中,摩擦系數(shù)大小是表示摩擦材料特性的主要參數(shù)之一。摩擦影響著零件的表面質(zhì)量、熱量產(chǎn)生和分布,因此,摩擦系數(shù)在金屬塑性成形中占據(jù)重要位置。

        有限元模擬作為金屬塑性成形優(yōu)化和預(yù)測方式,其中摩擦條件會影響到模擬結(jié)果的準(zhǔn)確度。鐓粗作為塑性成形工步中最基本的成形方式,研究鐓粗過程中摩擦系數(shù)對坯料成形的影響規(guī)律至關(guān)重要[4]。

        本文運(yùn)用有限元法,建立鐓粗熱力耦合模型,對形變溫度1050℃,壓下量60%,不同摩擦系數(shù)不同高徑比的方案進(jìn)行模擬,總結(jié)摩擦系數(shù)對不同高徑比坯料鐓粗鼓的影響規(guī)律。

        1 鐓粗熱-力耦合有限元建模

        1.1 熱力耦合模型

        模擬采用間接熱力耦合分析方法,運(yùn)用牛頓法進(jìn)行具體的耦合計(jì)算,采用非對稱的雅可比矩陣求解[5]。

        式中:△u 為位移增量;△T 為溫度增量;Kij為雅可比矩陣中的子矩陣;Ru為結(jié)構(gòu)殘余增量;RT為溫度殘余增量。

        1.2 鐓粗有限元模型

        本文采用Deform 有限元模擬軟件進(jìn)行摩擦系數(shù)對鐓粗鼓影響規(guī)律的研究,模擬后為了描述鐓粗鼓的鼓度,給出如下定義[6]:

        式中:θ 為鼓度;dmax為坯料最大直徑;dmin為坯料最小直徑。

        建立二維42CrMo 鋼坯料,保持鐓粗過程中溫度為1050℃、壓下量60%不變,試樣與模具的傳熱系數(shù)為5N·s-1·mm-1·℃-1,設(shè)置上模下壓速率為1mm/s;試樣與模具的摩擦因數(shù)有0.1、0.3、0.5,坯料高徑比分別為0.8、1.2、1.6。進(jìn)行模擬,所建的有限元模型如圖1 所示。

        圖1 鐓粗有限元模型

        2 有限元模擬結(jié)果及分析

        2.1 不同摩擦系數(shù)對不同高徑比坯料應(yīng)力的影響

        圖2 顯示在不同高徑比0.8、1.2、1.6 不同摩擦系數(shù)0.1、0.3、0.5 時42CrMo 鐓粗試樣的分?jǐn)?shù)應(yīng)力分布情況。同一摩擦系數(shù)下,坯料的高徑比由小到大,最大的應(yīng)力先減小后增大。以摩擦系數(shù)為0.3 為例,高徑比為0.8、1.2、1.6,最大拉應(yīng)力分別為403、229、365MPa,說明塑性變形過程中合理的坯料尺寸設(shè)計(jì)也是非常重要的一部分,合理的坯料尺寸可以有效減小成形時的應(yīng)力。觀察同一摩擦系數(shù)下,坯料的高徑比由小到大應(yīng)力的分布情況,在心部的為壓應(yīng)力,鼓形的外側(cè)和上下接觸面區(qū)域?yàn)槔瓚?yīng)力,鼓形外側(cè)易出現(xiàn)拉裂紋,隨著高徑比的增加,也可以得到壓應(yīng)力區(qū)域占比逐漸減小,而拉應(yīng)力區(qū)域逐漸增大。綜合同一摩擦系數(shù)不同高徑比下坯料應(yīng)力的變化規(guī)律,可以得到高徑比在1.2 時,鐓粗的應(yīng)力分布更均勻且數(shù)值最小。再次觀察圖2 中同一高徑比下不同摩擦系數(shù)的圖片,以高徑比1.2 時,不同摩擦系數(shù)的方案為例,摩擦系數(shù)從0.1~0.5,壓應(yīng)力和壓應(yīng)力分布區(qū)域類似,但數(shù)值大小有區(qū)別,摩擦系數(shù)越小,應(yīng)力分布越均勻,摩擦系數(shù)越大,拉應(yīng)力和壓應(yīng)力區(qū)域的應(yīng)力數(shù)值相差越大,這種情況會導(dǎo)致坯料變形中易出現(xiàn)內(nèi)部裂紋。綜合均勻性來說,摩擦系數(shù)越小,坯料變形時內(nèi)外應(yīng)力相差越小。在所有的模擬圖中,試樣的鼓形外側(cè)均為拉應(yīng)力,但摩擦系數(shù)越小,拉應(yīng)力數(shù)值越小,開裂風(fēng)險越小。

        圖2 不同高徑比鐓粗鼓應(yīng)力隨摩擦系數(shù)變化

        2.2 不同摩擦系數(shù)對不同高徑比坯料應(yīng)變的影響

        圖3 顯示在不同高徑比0.8、1.2、1.6 不同摩擦系數(shù)0.1、0.3、0.5 時42CrMo 鐓粗試樣的分?jǐn)?shù)應(yīng)變分布情況。同一摩擦系數(shù)下,坯料的高徑比由小到大,可以得到坯料中心是應(yīng)變最大的區(qū)域,即變形最大的區(qū)域。坯料高徑比越大,中心區(qū)域的等效應(yīng)變數(shù)值越大,如摩擦系數(shù)為0.3 時,高徑比0.8、1.2、1.6 時,最大等效應(yīng)變數(shù)值為1.36、1.5、1.85。綜合來說,坯料高徑比越大,坯料鐓粗時的不均勻性增加,從而導(dǎo)致了坯料成形后力學(xué)性能的不均勻性。同一高徑比下,摩擦系數(shù)由小到大,坯料中心區(qū)域的等效應(yīng)變數(shù)值由小到大,在坯料上下接觸面上,摩擦系數(shù)越大,坯料的應(yīng)變趨于零,說明上下端面的變形由于摩擦的作用幾乎不產(chǎn)生塑性變形。摩擦系數(shù)由小到大,應(yīng)變分布區(qū)域變化不大,始終都是坯料中心為最大等效應(yīng)變區(qū)域,鼓形區(qū)域次之,上下端面最小。綜合來說,摩擦系數(shù)越大,坯料鐓粗時的不均勻趨勢也越加明顯,變形不均勻趨勢也越明顯。

        圖3 不同高徑比鐓粗應(yīng)變隨摩擦系數(shù)變化

        3 不同高徑比鼓度隨摩擦系數(shù)變化規(guī)律

        采集模擬結(jié)束時坯料的最大直徑、最小直徑,計(jì)算并統(tǒng)計(jì)不同高徑比、摩擦系數(shù)方案的鼓度。圖4 為不同高徑比不同摩擦系數(shù)下坯料鼓度的變化曲線。由圖可知,同一高徑比下隨著摩擦系數(shù)增加,坯料的鼓度增加,即坯料外凸更多;高徑比由低到高,摩擦系數(shù)由小到大,坯料鼓度的增加幅度增大,即高徑比的增加使得坯料鼓度隨摩擦系數(shù)增加幅度上升。且同一摩擦系數(shù),坯料鼓度增加幅度隨著高徑比的增加而增加。

        圖4 不同高徑比不同摩擦系數(shù)下鼓度變化曲線

        4 結(jié)論

        (1)不同摩擦系數(shù)對不同高徑比坯料應(yīng)力的影響:同一摩擦系數(shù),坯料的最大應(yīng)力隨高徑比先減小后增加,壓應(yīng)力區(qū)域占比隨著高徑比的增加逐漸減??;同一高徑比,摩擦系數(shù)越小,應(yīng)力分布越均勻。

        (2)不同摩擦系數(shù)對不同高徑比坯料應(yīng)變的影響:同一摩擦系數(shù),中心區(qū)域的等效應(yīng)變數(shù)值隨坯料高徑比增大而增大;同一高徑比下,坯料中心區(qū)域的等效應(yīng)變數(shù)值隨摩擦系數(shù)增大而增大,坯料鐓粗時的不均勻趨勢隨摩擦系數(shù)增大也越加明顯。

        (3)同一高徑比下,坯料的鼓度隨著摩擦系數(shù)增加而增加,且高徑比越大,坯料的鼓度隨著摩擦系數(shù)增加幅度也越大;同一摩擦系數(shù),坯料鼓度增加幅度隨著高徑比的增加而增加。

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