外文翻译--通过倾斜样品镦粗加工实现成形压力机加载 中文版

1 通过倾斜样品 镦粗加工实现 成形压力 机加载 K. Chodnikiewieza*, S.B. Petersenc, R.Baiendrab, P.A.F. Martinsc a 波兰华森、 85.02-524、那巴特科技大学 b 斯特拉斯克莱德大学 ， 格拉斯哥 ， 蒙特罗斯大街 75 号 ， 英国 c.葡萄牙 Lisboa Codes1096 号 Rorisco Pais 大街、 专科高等教育 学院 摘要： 对 倾斜样品 进行 鐓粗 是 加 载成形压力 机 的一个途径，而通过垂直和水平施力进行鐓粗加工是一种可行的方法。然而，由于样品界面的条件分配不均 ， 需要对 该方 法 的使用 范围 进行量化。 倾斜样品的塑性 形变 通过使用一种 名为 PAST2 的 FE 代码进行分析。通过分析，本文提出了 试验样品选择及试验 范围 的 指导 方针 。 很明显 ，润滑条件、样品的减少、及垂直与水平力度比，在 变形 的整个过程中并非恒定不变。因此，当 研究这些统一特性的范围时， 有 对压力特性进行分 必要 析 。 关键词： 成形压力 ,鐓粗 ,样品 ,有限元法 1.引言 鐓粗也许是最常用的金属成形方法 。 实践中，鐓粗用于单独的成形工序，或用于 更加复杂成形工序 的初期阶段。在机械测试中，鐓粗用于提取流变曲线 、 摩擦 参数 及可加工性。 鐓粗 试验还常用于确定 分析方法和数值方法 的 可靠 性 ，以描述与金属流 等 有关 的具体现象。 为了 便于评估压力弹性，对平行表面的金属样品进行鐓粗，从而产生一种与压型压力 （通常是垂直的）轴相平行的压力。 这种通过对压型压力 的弹性偏向进行测量的方法，引申出 成形 压力 的一个垂直的和两 角的刚性系数 1,2。 尽管如此 ，在许多情形中，成形 压 力的加载来自垂直和水平两个方向 。水平方向的压力 FH和垂直方向的压力 FV的比例构成了成形压力 F，其值可高达 0.2； 因此，在压力弹性检测的过程中，须对这些加载条件进行模拟实验。可以通过在两个斜垫圈（图 1（ a）之间的 液压千斤顶进行加压 ，但活塞与气缸的摩擦力会使得该方法有失准确。通过最近提出的另一方法能获得更具代表性的加压条件，这种方法建立在鐓粗倾斜样品的基础上（图 1（ b） 遗憾的是，这种鐓粗方法并不常见：其流程的某些方面 Ramaeker 和 Kals4已进行过报道。两人 皆 考虑到了 2 材料流动的不稳定性是因工具角度 未对准 造成的。然而， Ramaekers 和 Kals 并未对此流程进行 详述。因此，在使用鐓粗倾斜样品进行压力弹性实验之前，需要加以更全面的分析。 2. 求解方法 对倾斜样品的鐓粗可使用 2-D有限元程序 PLAST2 进行模拟。该程序 建立在变分原理的基础上， 由 葡萄牙里斯本技术专科高等教育学院开发 。该原理要求所有 容许速度 uj能满足兼容性和不可压缩性条件，并能 使如下函数成立： 在这个表达式中， 是 有效应力 ，而 是有效应变 率， Tj是表面牵引力， SF是牵引力作用的表面， V是 体积 。 有效应力 和有效应变 率分别 做如下定义 ： 其中 和 分别表示 偏应力和偏应变率。若函数 的值不变， 其 一阶变分 消失；即 =0.不可压缩性的定义 如公式： 其中， 是体积应变率。为将其 考虑在内，使用了补偿函数，这要求对函数 进 3 行修改 5。 修改后的函数 的公式如下： 其中， K 是一个大的正罚常数。若 函数 的第一个 变分 消失，得到 ： 那么，平衡 方程 式 和体积固定性约束 将会同时得到满足 （ 5） 。公式 （ 6） 对以上变分方程进行了描述。 忽略样品 及模具 的弹性形变， 则 有效应变率和偏应力之间的关系可通过Levy-Mises 公式 进行 表达： 其中， 代表塑性 区，与 屈服应 力 相等； 的公式如下： 其中， C 和 n 表示材料常数， 表示有效张力 ： 其中， 表示张力。 另外，使用了 Wanheim 和 Bay7提出的摩擦力模型。按照该模型，摩擦应力 的公式是 ： 当 比例小于 1.5，工作界面的 摩擦力 和 正应力 p 成比例 ；当 大于 3时，相对摩擦应力 =fa 接近一个恒定值，该值等于 f（图 2）。为了消除在中心处摩擦应力突变，得出如下近似值： 其中， j是单位矢量，其方向与模具的工作材料速度 Us 的方向相反；并且与 Us 相比， V0是一个小的正数 （ 6） 。 4 8中提供了 PLAST2 的有关具体信息。使用 PLAST2 进行的金属流动分析结果与实验结果吻合。 3. 假设 本分析采用了如下假设： （ i）具备平面应变鐓粗条件 （ ii）当工作材料相对上模进行运动时，在下模样品界面上主要以黏着摩擦为主。这种假设与实验条件相符，即下模粗糙，而上模及样品较光滑，润滑良好。 （ iii）低碳钢的抗屈强度和有效应变速率质检的关系假设为： （ iv）样品的初始几何关系可通过 Ho/Bo 的比例体现，其中 Ho 是沿着样品中心线测得的原始平均高度， Bo是样品原始宽度，而 是模具和样品构成的角度（详见图 1） 。 （ v）如下比例 用于确定样品高度的减少量，其中 H是样品在中心线处的当前高度。 5 （ vi）分析采用了如下基本参数： Ho/Bo = 0.5, f= 0,5, = 10 。对于该分析，在其它参数保持不变的时候，每个参数都会与规定值有所差异。 4. 实验结果 平形及倾斜样品的变形中，后者的特点可从图 3 的基本参数及相对压力 p/ o在样品上表面的分部可以看出。样品与上模之间的间隔受到接触面的摩擦力的影响。倾斜样品的变形描述如下： （ i）流变模型并不关于中心线对称。 （ ii）流向楔形样品较厚一边的金属体积比流向其较薄的一边的金属体积大。 （ iii）中点 N向样品较薄一边位移。在该点上，物质流没有 相对于上模的正切分量。 （ iv）在样品较厚一边处，产生了上模与倾斜样品之间的间隔。倾斜样品的变形是减值 e、摩擦力 f，角度 及 Ho/Bo 比例 的一个复变函数。对于不同减值 e 及当常数 f=0.5, = 10 和 Ho/Bo=0.5 时，样品的对应形状如图 4（ a）所示。 N-N线代表了中点在鐓粗过程中所处的位置，而 R-R 则代表了由于成形力的加载而产生的位移。对于一个较小的减值，中点的相对坐标 XN/Bo 会保持不变（如图 4（ b）， 6 但是对于较大的减值， XN/Bo 比值会明显改变。变形在不同截面的值与上模和样品之间的间隔相 关：这种关系在图 4（ a）中得到明显体现。由于间隔改变样品与上模的接触面积，中点会向样品较薄一边偏移。当 e = 20%, = 10 及 Ho/Bo = 0.5时，对于各种摩擦因子的样品形状如图 5所示。进行了如下观察： （ i）间隔取决于摩擦因子：当 f= 0 时，在变形初期间隔较大；而当 f= 1.0 时，则不会产生间隔。 图 7 比 FA/ FV 作为过程 参数的函数： (a）（ FA / FV）（ FL）为 E和 f= 0.5 不同的值， f= 0.5；（ b） (FH / fvxe）为和常数 f = 0.5 的值不同， f= 0.5；（ C）（ FH / fvxe）为 F和 FL =常数 10 f 的不同值 =0.5；（ d）（ FH / FV）（ E）不同 Fm / Fv= 10， F = 0.5 （ ii）摩擦因子对中点位置的影响比对样品形状的影响大。相对于常数 e、 f 及Ho/Bo 比例的实际线性函数 XN( )/Bo 如图 6（ b）所示。所得的结论与前一种情况类似：即角度 影响到中点的位置，而非样品变形后的轴 向截面的形状。 7 鐓粗合力 F（ FH, Fv）倾向中线。因为工作材料从上表面滑向样品的薄边和厚边，其结果是，合力的倾斜角度会比上模的倾斜角度 小，即： 相 对于不同的 e，常数 f 及 Ho/Bo 比值的函数 (FH/Fv) () 如图 7（ a）所示。其中可见 FH/Fv 比率并不受 e的水平的影响。这种情况中，可使用如下的等式： 这种特点符合压型弹性实验，因为它简化了对力比相关数据的使用。所选的 及常数 f和 Ho/Bo 的函数 (FH/Fv)(e)（如图 7（ b）所示）证 实了如上特点。图 7（ c）和图 7（ d）表明，在压型机刚性实验的过程中，应确保降低摩擦力和 Ho/Bo 比值。如果这点可以保证， FH/Fv 比值会实际上不受样品减少的影响。当 Ho/Bo = 1.0 时（如图 7（ d）所示），函数 (FH/Fv) 偏离于其它曲线趋势是因为使用的样品太大，后者在形变初期阶段产生了弯曲。单位成形压 力 （与样品长度相关）垂直分量与减值 e 的关系如图 8 所示。在图 8（ b）的基础上，能得出结论：对于相对较小的变形，成形压力的垂直分量实际与模具之间构成的角度无关，包括当 = 0 时。该特点简化了用于压型机弹性测 试的样品选择流程。成形压力的垂直分量可以按照表面平形的样品鐓粗常用的等式计算而得。 合力的第三个特点是作用点 i。该点的位置在图 4（ a）已经以 R-R 线的形式进行了确定。正式的作用点与中点一致。因此，对于中点所得出的结论，同样适用于合力的作用点。 图 8.的关系， C：，：成形力的 Fv L 作为过程参数的函数：（一）皮质部分的 和 P = 10T选定的值 Ho / B O = 0.5；（ b）的选定值 /我和 F = 0.5， H = 0.5. 5. 结论 8 1. 对于样品的固定摩擦和固定相对高度 Ho/Bo，成形压力水平分量与垂直分量的比例 FH/Fv 主要取决于样品对上模的倾斜度。 2. 可以选择一个倾斜样品，以便 FH/Fv 比例不会受到样品的减少的影响。为了达到该目的，应满足如下条件：（ i）样品的减少应保持相对较低，如当 f= 0.5 时，其值不应超过 20 ，而当摩擦较高时，允许较大的减少值；（ ii）样品相对高度 Ho/Bo应小于 0.5；（ iii）样品与上模界面之间的摩擦应保持相对较低。 9 参考文献 I E. Doege, Static and dynamic stiffness of presses and someeffects on the accuracy of workpieces, A,. CIRP, 29 (1980). 2 DIN 55 189, Ermittlu,g ton Kenmrerten fiir Pressen der Blechrer-arbeitung hei stati.sher Belastung, Teil 1,2, 1985. 3 K. Chodnikiewicz, Balendra R. and T. Wanheim, A new conceptfor the measurement of press stiffness, J. Mater. Process. Tech-nol., 44 (1994) 293-299. 4 J.A.H. Ramaekers and J.A.G. Kals. lnstable material flow inextrusion and upsetting, Amt. CIRP, 31 (1992). 51 O.C. Zienkiewicz and K. Morgan. Finite Element and Applica-tip, Wiley, New York. 1983. 6 S. Kobayashi, S.I. Oh and T. Altan, Metal piThing mtd theFinite-Element Method, Oxford University Press, New York,Oxford. 1989. 7 N. Bay and T. Wanheim, Real area of contact and friction stressat high pressure sliding contact. Wear. 38 11976) 201 - 209. 8 P.A.F. Martins, J.M.C. Rodrigues and M.J.M. 8arata Marques,Numerical and experimental simulation of cold forging pro-cesses, XIII SemintJ