铜管游动芯头拉拔过程应力、应变场的数值模拟.

1、铜管游动芯头拉拔过程应力、应变场的数值模拟林鹏张世英辽宁工程技术大学材料科学与工程系，辽宁阜新（123000E-mail :摘要:采用国际上通用的非线性有限元软件 Marc对铜管游动芯头拉拔 过程进行了数值模拟和分析研究。通过模拟分析，清楚的再现了游动芯头拉拔过程 中铜管的塑性变形过程，得出了应力、应变分布并进行了分析，同时合理的揭示了 拉拔过程中铜管缺陷产生的原因，对提高铜管质量有指导意义。关键词:铜管游动芯头拉拔 数值模拟marc0.引言随着空调、冰箱市场的逐年扩大，对铜管的需求增多的同时对铜管的质量要求 也越来越 高。由于现场条件与观测条件的限制，人们很难实时、定量地把握金属成 形过程，

2、也就很难 找出在拉拔过程中产生缺陷的真正原因，为能有效的解决拉拔过程 中出现的问题，对游动芯头拉拔过程进行数值模拟分析研究具有非常重要的意义 1-3。本文采用国际上通用的非线性有限元软件 Marc对铜管游动芯头拉拔过程进行 了数值模 拟和分析研究。通过模拟分析，清楚的再现了游动芯头拉拔过程中铜管的 塑性变形过程，得出了应力、应变分布并进行了分析，同时合理的揭示了拉拔过程 中铜管缺陷产生的原因，对提高铜管质量有指导意义。1.有限元模型的建立根据其轴对称性，可将铜管模型简化为二维轴对称模型，模型都用四边形表示。 铜管单元体可取长15mm，宽等于实际加工的铜管初始壁厚 1.65mm的平面单元,将 其

3、划分720个四边形四节点单元，总节点数819。铜管材料为磷脱氧铜，牌号为TP2, 弹性模量为1.172 K011N/m，泊松比为0.33。模具的模型建立通常是把它建成刚性 接触体（不变形接触体。本文为了也能够体现模具的应力、应变情况,所以将模具 也设置为单元体（可变形接触体，模具的外形并不十分规整，在Marc中用AUTOMESH （通用的自动划分面网格和体网格的 工具对其划分为外模，162个四节 点单元，总节点数207;芯头，132个四节点单元 总节点数172。模具的材料为硬质合 金（YG8 ,弹性模量为7 X011N/mm2,泊松比为0.21。整 体模型如图图1整体模型材料的物理性能（热传导

4、系数、热容及热膨胀系数是随温度变化的，变形抗力是 热力学参数（变形程度,变形速度和变形温度的函数，这些数据均可在MARC的材 料库中读取4-5。为了能够得出更加准确的模拟结果，本文将采用Marc软件的热 机耦合分析方法，即温度场的求解和应力场的求解合在一起的大变形热弹塑性有 限元来分析。对于接触摩擦问 题的处理，在接触计算中采用了直接约束法，为能保 证精度采用了修正的剪切摩擦模型：t r V m v r f ? - arctan 2n表示发生相对滑动时接触体之间的临界相对速度等效应力f切向摩擦应力rV管与模具的相对滑动速度向量m摩擦因子t相对滑动速度方向上的切向单位向量2.模拟结果及分析通过数

5、值模拟可以使铜管在拔制过程中应力场分布可视化 ，找出其变形规律，并 反映出实际生产和应用过程中铜管产生的缺陷，为铜管失效提供预测。以下是对铜 管拉拔过程中应 力、应变分布规律的具体分析。2.1轴向应力、应变分布分析图2轴向应力由图2看出，在外模的锥面处铜管受的轴向应力是拉 -压应力的混合，在外模的锥面与 定径带的过渡圆角区域铜管受轴向拉应力，内表面与外表面受的轴向应力值 大，中间部分受 的轴向应力值小，定径区上大部分受到均匀的轴向拉应力，在定径区 的出口处铜管外表面的 区域受到最大轴向拉应力，相应的内表面受到轴向压应力， 在此部位因为铜管的外表面受拉 应力内表面受压应力，所以在此处铜管的外表面

6、容 易产生横向裂纹，严重时会在此处发生断 管。可以注意到在拉拔的出口处，铜管与芯 头接触的内表面受拉-压-拉的应力变化，这也会影响铜管的内表面质量，在整个拉 拔过程中，在变形区的断面上铜管中轴向应力的分布也是 不均匀的。可见传统的简 单解析法的平截面假设与实际情况存在很大差异。F面来分析铜管在拉拔方向的轴向应变分布，其轴向应变分布如图3。图3轴向应变分布从图3中可看出，铜管在拉拔过程中受到的轴向应变为拉应变，在端部应变分布 不均匀,但不影响铜管的表面质量，因为实际生产中拉出的铜管的端部都要剪掉的。锥面区域的 轴向应变几乎不变，说明在此区域壁厚变化的非常小，在过渡圆角 的区域轴向应变变化激烈，因

7、为此区是产生塑性变形的主要区域，进入定径区后轴向 应变基本不变，符合定径区的条件，说明铜管已进入稳态。2.2周向应力、应变分布分析图4周向应力分布由图4可看出在模具的锥面处铜管受到周向拉应力和周向压应力的混合，外模的锥面与 铜管的过渡圆角区域为周向压应力，而且此处的周向应力的绝对值为最大 在定径区的大部 分受周向压应力且绝对值逐渐减小，在定径区的出口端铜管的外表 面受周向最大拉应力而与 它相对应的内表面受周向压应力，所以在此处铜管容易产 生纵向裂纹。铜管拉出定径区后外 表面受周向拉应力，中间部分受周向压应力和周 向拉应力的混合区，内表面受拉-压-拉的变 化。通过分析说明金属的纵向流动是不 均匀

8、的,在拉拔过程中周向应力在变形区的断面上的 分布是不均匀的。这再次看到 了传统工程法的缺陷所在。下面来分析铜管的周向应变分布，其应变分布如图5,从图5可看出，铜管在拉拔 过程中受到的周向应变为压应变，在端部应变分布不均匀，但不影响铜管的表面质 量,因为实际生产中拉出的铜管的端部都要剪掉的。在锥面区域周向应变在持续增加,可推断铜管此时处 于持续的减径状态，到定径带区域时，减径已完成处于拉拔的 稳态,所以其周向应变几乎不 变。图5周向应变分布2.3径向应力、应变分布分析图6径向应力分布由图6可看出，外模的锥面处铜管受到径向的压应力，外模的锥面与定径带的过 渡圆角 处铜管受的是高压应力区，由图6,此

9、处的变形最为剧烈，所以外模在其过渡圆 角附近磨损 较快。定径区中部为径向应力的部分为拉 -压的混合区，定径区出口处 为径向拉应力，可见径向应力在其断面上的分布也是不均匀的，从而又一次看到了传 统工程法的缺陷所在。 下面来分析铜管的径向应变分布，其应变分布如图7,从图7 可看出，铜管在拉拔过程中受到的径向拉-压应变的混合，在端部应变分布不均匀，但 不影响铜管的表面质量，因为实际生产中拉出的铜管的端部都要剪掉的。在锥面区域由于铜管的内表面和芯头没有接触相 当于空拉,其壁厚在径向略有增加，所以在 此区域的径向应变为拉应变，进入到过渡圆角区 域时由于其壁厚开始减薄，其径向 应变为压应变，在定径区到拉出

10、由于此段拉拔的稳态，所以径向应变为压应变且几 乎不发生变化。图7径向应变分布3.结论(1通过对拉拔过程中铜管的应力分布分析，发现铜管内表面的轴向应力在出口 处受拉-压-拉应力的变化，其压应力对应的外表面的区域为最大轴向拉应力区；铜管 内表面的周向 应力在出口处也受拉-压-拉应力的变化，其压应力对应的外表面的区 域为最大的周向拉应力 区，得出了铜管容易在此处产生横向、纵向裂纹和断管。(2通过对拉拔过程中铜管的应变分布分析，发现锥角区域及其过渡圆角处是铜 管最激 烈的塑性变形区；在定径区,铜管处于稳态拉拔阶段，应变几乎不发生变化；而 在端部应变 分布不均匀，实际生产中应该剪掉。参考文献李尚健，金属

11、塑性成形过程模拟，机械工业出版社，1999。1 温诗铸 黄平,摩擦学原理，清华大学出版社,2002.112 孟凡中弹塑性有限元变形理论和有限元法,清华大学出版社，19853 樊立奎 游动芯头在管材加工上的应用，塑性工程学报,2(8, 2001, 19-244 游动芯头拉伸铜管，洛阳铜加工厂编，北京冶金出版社，1976Numerical Simulatio n of Stress and Strain field for Copper Pipe Drawi ng Process with a Float ing PlugLin peng, zha ngshi ying(Departme nt o

12、f Materials Science and Engin eeri ng,Lia oning Tech ni calUn iversity,Fuxi n12300,L iao ningAbstractBy applying nonlinear FEM analyzing software Marc which is widely used in the world, the numerical simulation of the drawing with floating plug process is analyzed and researched. By means of stimulatio n an alyz ing, the plastic deform process of the coppery pipe in the drawing with floating plug is reappeared clearly; the state of stress and strain distributi on is obta ined and an alyzed; mean while the reas on to bring on disfigureme