空心坯料反挤压省力成形方法及应用研究

1、空心坯料反挤压省力成形方法及应用研究引 言 在挤压变形中金属处于强烈的三向压应力状态 , 能耗、模具消耗均较大 , 对设备的要求高。 近些年 , 各种理论方法 ,如工程近似法、滑移线法、初等能量法、上限法、变分法、有限元法以及模拟试验法等 , 已应用于金属挤压成形的分析 , 极大促进了金属挤压加工理论。 本文提出的空心坯料反向挤压省力成形方法 ,采用主应力法分析挤压接触面上的应力分布 ,利用数值模拟方法分析挤压力变化规律 ,为底部带中心孔的大型薄壁筒形类零件的成形 ,提供了新思路。 挤压是对放置在容器(挤压筒)内的金属施加压力 , 使之从特定的模孔中流出 , 获得所需断面形状和尺寸的一种塑性加

2、工方法。 分为正挤压、反挤压、复合挤压。 本文针对大型薄壁筒形零件挤压力大的问题 , 结合挤压变形的特点 , 研究并提出了空心坯料反挤压省力成形方法 , 即采用带有芯轴的凸模反挤压空心坯料成形方法 。1、 空心坯料反挤压方法及分析图 1 带芯轴反向挤压示意图 根据塑性成形原理 , 用主应力法计算反挤压单位挤压力时 , 可认为反挤压单位挤压力由两部分组成： 迫使金属流入环状间隙所需的力 ； 处于凸模下的圆柱形金属被镦粗所需的力。 空心坯料挤压基元板块受力分析如图 所示。 挤压变形第一阶段包括 , 已变形 的出口部分 、塑性变形区 、; 挤压变形第二阶段 ,变形区 、 合为一体(记为 区) , 在

3、该变形 阶段 挤压力达到最大 , 凸模作用的挤压力包 括变形区 中金属材料的变形抗力及所 有各区中金属材料接触摩擦的影响。采 用主应力法计算各区域单位变形力。1、 空心坯料反挤压方法及分析图 2 a 空心坯料挤压基元板块受力分析1.1筒形出口部分( 区)的单位变形力该区是挤压件出口区 , 金属不发生变形 , 对挤压变形力有影响的 , 是与凸模工作带接触的高度为h0 的材料。 由（2式）可以看出, 区单位变形力不但与材料性能摩擦有关, 还取决于变形程度与凸模工作带的尺寸,而与芯轴直径 d1 无关, 即对于筒形出口部分( 区)的单位变形力、空心坯料挤压与实心坯料挤压的单位变形力相同。Z轴方向的平衡

4、条件：迫使金属流入环状间隙所需施加的单位变形力为：图 2b（1）（2）镦粗时, 处于凸模下的毛坯内的应力之间的关系可表示为： 当 r = d/ 2 时, 位于已变形区 和变形区 边界, 由 z1 = z2 = p1 计算出待定系数值, 从而确定 区接触面上的轴向应力为：1.2圆环形金属( 区)镦粗单位变形力由（4）式可知 在常摩擦条件下镦粗, 正应力分布曲线为线性关系, 同时还可以看出, 采用空心坯料挤压时, 去除了圆柱体镦粗接触面上的中间高应力区。图 2c（3）（4） 可以看出, 处于凸模下的金属被镦粗所需的力与芯轴直径 d1 有关。当芯轴直径 d1 = 0 时,K = 1 , 即实心坯料挤

5、压圆柱形金属被镦粗的单位变形力为： 区单位变形力大小：式中：1.2圆环形金属( 区)镦粗单位变形力（5）（6）模拟模型条件：为验证主应力分析结果 , 掌握成形力变化规律 ,对空心坯料反挤压成形过程进行数值模拟。采用基于热力耦合的刚塑性有限元法 , 将工件视为刚塑性体, 凸模、凹模均视为刚性体。变形材料选择AZ80 镁合金 , 引入热模拟获得的应力-应变数据。模拟软件采用塑性成形有限元分析软件DEFORM2D , 试样看作轴对称问题 , 有限元网格划分如图3 所示。2 空心坯料反挤压数值模拟芯轴直径芯轴直径 d1 与坯料与坯料外径外径 d0 比比R1 = d1 / d0坯料内径坯料内径 d2 与

6、坯料与坯料外径外径 d0 比比R = d2 / d0凸模无芯轴00 ,0. 3 ,0. 4 ,0. 5 ,0.6,0.7凸模带芯轴0 ,0. 3 ,0. 4 ,0. 5 ,0. 60图 3 数值模拟网格示意图 由图4可知空心坯料与实心坯料( R = 0) 相比 , 两者挤压力的变化趋势有所不同 。实心料挤压时 , 成形力很快达到最大 , 之后趋于平稳。而空心坯料挤压时 , 其压力行程曲线为“凸-凹”型 , 挤压力的变化经历 3 个阶段 。 图5可看出, 随着 R1 (即芯轴直径)的增大 , 最大挤压成形力明显减小。这一结果与主应力分析结果相一致。图 4 无芯轴时 空心配料挤压模拟曲线图 5 带

7、芯轴时 空心配料挤压模拟曲线结论 1) 主应力法分析结果表明 , 与实心坯料反挤压相比 , 空心坯料挤压筒形出口部分单位变形力不变;但凸模下镦粗部分由于中间部位高应力区的去除 ,单位变形力减小; 数值模拟结果表明 , 空心坯料挤压相对单位压力随芯轴直径的增大 (接触面积的减小) 而减小。 2) 空心坯料挤压减小了单位变形力 , 同时减少了接触面积 , 降低了挤压成形力。铝合金轮辋成形应用表明 , 空心坯料挤压可实现减小设备吨位、提高模具寿命、降低生产成本的目标 , 为底部带中心孔大型薄壁零件的成形提供了新思路。 1、主应力法假设变形体处于应力平衡的状态，但实际挤压是一个动态的过程。主应力法难以反映挤压过程中挤压力的变化。 2、由挤压数值模拟可以观察到，当空心坯料较高时，在坯料被镦粗的过程中，塑性变形主要发生在坯料两端，并且过高的空心坯料较实心坯料更易失稳，使得坯料内外表表面金属易于进入坯料内部，形成产品缺陷。思考与讨论参考文献 1 王 强, 张治民. 空心坯料反挤压省力成形方法及应用研究 J .