陳 明 張修慶

華東理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200237

1 研究背景

冷擠壓技術(shù)是一種高精、高效、優(yōu)質(zhì)、低消耗的先進(jìn)加工技術(shù),在許多工業(yè)國(guó)家得到廣泛應(yīng)用[1-2]。隨著現(xiàn)代科技的飛躍發(fā)展,有限元模擬技術(shù)備受青睞,極大提高了工藝設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。目前,DEFORM-3D軟件作為一款成熟的有限元仿真軟件,在金屬塑性成形領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3-4]。錫基巴氏合金具有優(yōu)異的滑動(dòng)軸承特性,時(shí)至今日仍是一種較為理想的軸承材料[5-6]。然而,近些年來(lái)隨著機(jī)械設(shè)備朝著重載、高速、大型化方向的發(fā)展,錫基巴氏合金在工作過(guò)程中逐漸表現(xiàn)出一些不足,如高溫軟化、低速重載潤(rùn)滑失效、高速變載變形等,在一些特殊條件下已不能完全滿(mǎn)足工業(yè)需求[7-8]。有關(guān)錫基巴氏合金微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能的研究有很多,塑性成形方面的研究則較少[9]。為了使錫基巴氏合金的性能滿(mǎn)足工業(yè)需求,有關(guān)學(xué)者對(duì)錫基巴氏合金的擠壓成形進(jìn)行了研究。Zainulabdeen等[10]探究了錫基巴氏合金在不同壓力下的微觀組織和性能變化,發(fā)現(xiàn)細(xì)化Cu5Sn6硬質(zhì)相可以提升錫基巴氏合金的硬度性能。Yuan等[11]開(kāi)發(fā)了一種往復(fù)擠壓新工藝,合成精細(xì)、均勻微觀結(jié)構(gòu)的Pb-50 vol.-%Sn合金。戴國(guó)水等[12]研究了等通道直角擠壓制取錫碲中間合金和擠壓錠坯、反向擠壓等技術(shù),使錫基巴氏合金晶粒得到充分細(xì)化,組織均勻化,由此具有良好的柔韌性。進(jìn)行錫基巴氏合金擠壓,可以細(xì)化中間硬質(zhì)相,使組織變得更加均勻,因此,研究錫基巴氏合金的擠壓成形過(guò)程及工藝對(duì)于錫基巴氏合金的塑性性能提升十分有必要。

筆者運(yùn)用DEFORM-3D軟件模擬錫基巴氏合金的冷擠壓成形過(guò)程,對(duì)比不同擠壓速度、不同擠壓模角擠壓工藝下的仿真結(jié)果,得出錫基巴氏合金冷擠壓的最優(yōu)工藝參數(shù),并對(duì)不同工藝參數(shù)的凹模進(jìn)行模具應(yīng)力分析,驗(yàn)證最優(yōu)工藝參數(shù)的準(zhǔn)確性,為延長(zhǎng)冷擠壓模具的壽命提供了依據(jù)。

2 建模

材料牌號(hào)為ZSnSb11Cu6,是一種鑄造成型具有減摩特性的錫基巴氏合金[13]。擠壓模型通過(guò)Unigraphies NX軟件建立。由于模型形狀對(duì)稱(chēng),為節(jié)約時(shí)間,提升模擬效率,采用全模型的1/4模擬[14-15]。擠壓模型如圖1所示。由于DEFORM-3D軟件自帶的材料庫(kù)中沒(méi)有ZSnSb11Cu6材料,因此需要導(dǎo)入材料數(shù)據(jù),見(jiàn)表1。擠壓模擬最重要的數(shù)據(jù)是材料的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn),對(duì)材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn),材料的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)如圖2所示。

▲圖1 擠壓模型▲圖2 材料真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)

表1 材料數(shù)據(jù)

錫基巴氏合金坯料為圓棒,直徑為98 mm,長(zhǎng)為60 mm。坯料假設(shè)為塑性體,模具設(shè)置為剛性體,進(jìn)行冷擠壓時(shí)設(shè)定擠壓溫度為20 ℃。錫基巴氏合金的摩擦因數(shù)有油時(shí)為0.005,無(wú)油時(shí)為0.28,設(shè)置坯料和上下模具之間的摩擦因數(shù)為0.005[16]?？偰M步數(shù)設(shè)置為100,按照最小網(wǎng)格尺寸的1/5來(lái)確定步長(zhǎng),為0.412 mm[17]。用相對(duì)尺寸進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)為12 000,節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 255,最小網(wǎng)格尺寸為2.06 mm。

3 仿真結(jié)果

3.1 擠壓速度

坯料擠壓速度的選擇對(duì)冷擠壓過(guò)程尤其重要,通常速度過(guò)快或者過(guò)慢都會(huì)對(duì)模具壽命及產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生影響[18]。筆者通過(guò)五組擠壓速度0.5 mm/s、1 mm/s、3 mm/s、5 mm/s、7 mm/s來(lái)模擬擠壓過(guò)程,探究不同擠壓速度時(shí)模具受載情況及坯料等效應(yīng)力應(yīng)變的變化情況[19]。不同擠壓速度下坯料的受載行程曲線(xiàn)如圖3所示,載荷峰值如圖4所示?？梢钥闯?隨著擠壓速度增大,模具所受載荷隨行程的變化越來(lái)越劇烈,載荷峰值隨速度的增大呈現(xiàn)先減小后增大。最佳擠壓速度為3 mm/s,此時(shí)擠壓件所受載荷較小,模具受力較小。速度的增大導(dǎo)致坯料與模具之間接觸變得頻繁,使兩者之間存在的摩擦變得劇烈,擠壓力會(huì)相應(yīng)增大,所以模具受載也會(huì)相應(yīng)增大。在擠壓過(guò)程中,最大等效應(yīng)力、應(yīng)變見(jiàn)表2。當(dāng)擠壓速度為3 mm/s時(shí),坯料所受的最大等效應(yīng)力較小,為87.1 MPa,此時(shí)的最大等效應(yīng)變?yōu)?.08。不同擠壓速度下的等效應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D分別如圖5、圖6所示。可以看出,擠壓速度增大,坯料表面的等效應(yīng)變分布變得越來(lái)越不均勻,這是因?yàn)殡S著擠壓速度增大,坯料與凹模在擠壓過(guò)程中的摩擦變得越來(lái)越劇烈。通過(guò)對(duì)比五組不同擠壓速度下的最大等效應(yīng)力、應(yīng)變可以看出,當(dāng)擠壓速度設(shè)置為3 mm/s時(shí),應(yīng)力分布均勻,坯料表面的最大等效應(yīng)力、應(yīng)變較小。綜合比較,當(dāng)擠壓速度設(shè)置為3 mm/s時(shí),成形較好。

▲圖3 不同擠壓速度下坯料受載行程曲線(xiàn)

▲圖4 坯料載荷峰值

▲圖5 不同擠壓速度下等效應(yīng)力云圖▲圖6 不同擠壓速度下等效應(yīng)變?cè)茍D

▲圖7 不同擠壓模角下坯料受載行程曲線(xiàn)

表2 不同擠壓速度下最大等效應(yīng)力、應(yīng)變

3.2 擠壓模角

擠壓模角這一參數(shù)在坯料冷擠壓中十分重要,當(dāng)擠壓比一定時(shí),擠壓模角增大,金屬流動(dòng)變得不均勻,使擠壓力增大[18]。筆者設(shè)置擠壓速度為3 mm/s,選用五組擠壓模角40°、45°、50°、55°、60°進(jìn)行模擬[20],然后進(jìn)行分析。不同擠壓模角下的坯料受載行程曲線(xiàn)如圖7所示?？梢钥闯?當(dāng)擠壓模角增大時(shí),凹模承受的載荷也在增大。這是因?yàn)閿D壓模角增大,在塑形變形區(qū)域?qū)饘俚牧鲃?dòng)限制變大,從而導(dǎo)致阻力和載荷增大。當(dāng)擠壓模角為45°時(shí),峰值載荷相對(duì)較小,增大或者減小擠壓模角都會(huì)使載荷增大。坯料表面在不同擠壓模角下受到的最大等效應(yīng)力、應(yīng)變見(jiàn)表3?？梢钥闯?擠壓模角為40°～60°,坯料受到的最大等效應(yīng)力在87 MPa～91 MPa之間;當(dāng)擠壓模角為45°時(shí),最大等效應(yīng)力為87.1 MPa,最大等效應(yīng)變?yōu)?.08,均為最小。不同擠壓模角下的等效應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D分別如圖8、圖9所示?？梢钥闯?坯料所受等效應(yīng)變較小,且分布均勻的擠壓模角為45°,可以初步作為本次模擬的最佳擠壓模角。

▲圖8 不同擠壓模角下等效應(yīng)力云圖▲圖9 不同擠壓模角下等效應(yīng)變?cè)茍D▲圖10 不同擠壓速度下凹模等效應(yīng)力云圖

表3 不同擠壓模角下最大等效應(yīng)力、應(yīng)變

4 模具應(yīng)力分析

為驗(yàn)證最優(yōu)工藝參數(shù)的準(zhǔn)確性,筆者對(duì)不同擠壓速度和不同擠壓模角的凹模所受應(yīng)力進(jìn)行分析。應(yīng)用DEFORM-3D軟件,可以通過(guò)兩種方法進(jìn)行模具應(yīng)力分析。第一種是將模具視為變形體,計(jì)算效率低。第二種是在坯料擠壓成形時(shí)將模具視為剛性體,完成擠壓成形后將模具視為彈性體,再選取分析步,用插值法將成形結(jié)束最后一步的力映射到模具節(jié)點(diǎn),得到模具的應(yīng)力分布情況[21-22]。筆者采取第二種方法。模具材料為H-13鋼,容差值設(shè)為0.1,不同擠壓速度下凹模受到的等效應(yīng)力云圖如圖10所示?？梢钥闯?當(dāng)擠壓速度為3 mm/s時(shí),凹模受到的等效最大應(yīng)力為389MPa,在五組擠壓速度中最小,模具的使用壽命相對(duì)更長(zhǎng)。設(shè)定擠壓速度為3 mm/s,不同擠壓模角下凹模的等效應(yīng)力云圖如圖11所示?？梢钥闯?擠壓模角為45°時(shí)凹模的最大等效應(yīng)力最小。模具應(yīng)力分析表明,設(shè)定最優(yōu)工藝參數(shù)擠壓速度3 mm/s、擠壓模角45°,具有一定的準(zhǔn)確性,對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)有一定參考意義。

▲圖11 不同擠壓模角下凹模等效應(yīng)力云圖

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者應(yīng)用DEFORM-3D軟件對(duì)ZSnSb11Cu6錫基巴氏合金的冷擠壓過(guò)程進(jìn)行模擬,對(duì)不同擠壓速度、不同擠壓模角下的模具載荷和等效應(yīng)力、應(yīng)變分布進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明,隨著擠壓速度的增大,模具載荷增大;隨著擠壓模角的增大,模具載荷同樣增大。等效應(yīng)力幾乎不受擠壓速度的影響,而當(dāng)擠壓速度增大時(shí),等效應(yīng)變分布變得不均勻。當(dāng)擠壓模角增大時(shí),等效應(yīng)力不斷增大,等效應(yīng)變變化不大。對(duì)凹模進(jìn)行受力分析,并且綜合考慮模擬中的模具載荷和等效應(yīng)力、應(yīng)變,可以得到當(dāng)擠壓速度為3 mm/s,擠壓模角為45°時(shí),ZSnSb11Cu6錫基巴氏合金的冷擠壓成形效果較好,擠壓模具使用壽命較長(zhǎng)。