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摩擦系數對不同高徑比坯料鐓粗鼓的影響規律

2022-11-22 02:07邱媛媛
鍛壓裝備與制造技術 2022年5期
關鍵詞:高徑坯料摩擦系數

邱媛媛

(中國船舶重工集團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生滑動過程中,由于接觸表面發生嚴重的變形與損傷,進而產生阻礙滑動的力[1-3]。摩擦是一個復雜的過程,其中,摩擦系數大小是表示摩擦材料特性的主要參數之一。摩擦影響著零件的表面質量、熱量產生和分布,因此,摩擦系數在金屬塑性成形中占據重要位置。

有限元模擬作為金屬塑性成形優化和預測方式,其中摩擦條件會影響到模擬結果的準確度。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對坯料成形的影響規律至關重要[4]。

本文運用有限元法,建立鐓粗熱力耦合模型,對形變溫度1050℃,壓下量60%,不同摩擦系數不同高徑比的方案進行模擬,總結摩擦系數對不同高徑比坯料鐓粗鼓的影響規律。

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,運用牛頓法進行具體的耦合計算,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為結構殘余增量;RT為溫度殘余增量。

1.2 鐓粗有限元模型

本文采用Deform 有限元模擬軟件進行摩擦系數對鐓粗鼓影響規律的研究,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為5N·s-1·mm-1·℃-1,設置上模下壓速率為1mm/s;試樣與模具的摩擦因數有0.1、0.3、0.5,坯料高徑比分別為0.8、1.2、1.6。進行模擬,所建的有限元模型如圖1 所示。

圖1 鐓粗有限元模型

2 有限元模擬結果及分析

2.1 不同摩擦系數對不同高徑比坯料應力的影響

圖2 顯示在不同高徑比0.8、1.2、1.6 不同摩擦系數0.1、0.3、0.5 時42CrMo 鐓粗試樣的分數應力分布情況。同一摩擦系數下,坯料的高徑比由小到大,最大的應力先減小后增大。以摩擦系數為0.3 為例,高徑比為0.8、1.2、1.6,最大拉應力分別為403、229、365MPa,說明塑性變形過程中合理的坯料尺寸設計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力。觀察同一摩擦系數下,坯料的高徑比由小到大應力的分布情況,在心部的為壓應力,鼓形的外側和上下接觸面區域為拉應力,鼓形外側易出現拉裂紋,隨著高徑比的增加,也可以得到壓應力區域占比逐漸減小,而拉應力區域逐漸增大。綜合同一摩擦系數不同高徑比下坯料應力的變化規律,可以得到高徑比在1.2 時,鐓粗的應力分布更均勻且數值最小。再次觀察圖2 中同一高徑比下不同摩擦系數的圖片,以高徑比1.2 時,不同摩擦系數的方案為例,摩擦系數從0.1~0.5,壓應力和壓應力分布區域類似,但數值大小有區別,摩擦系數越小,應力分布越均勻,摩擦系數越大,拉應力和壓應力區域的應力數值相差越大,這種情況會導致坯料變形中易出現內部裂紋。綜合均勻性來說,摩擦系數越小,坯料變形時內外應力相差越小。在所有的模擬圖中,試樣的鼓形外側均為拉應力,但摩擦系數越小,拉應力數值越小,開裂風險越小。

圖2 不同高徑比鐓粗鼓應力隨摩擦系數變化

2.2 不同摩擦系數對不同高徑比坯料應變的影響

圖3 顯示在不同高徑比0.8、1.2、1.6 不同摩擦系數0.1、0.3、0.5 時42CrMo 鐓粗試樣的分數應變分布情況。同一摩擦系數下,坯料的高徑比由小到大,可以得到坯料中心是應變最大的區域,即變形最大的區域。坯料高徑比越大,中心區域的等效應變數值越大,如摩擦系數為0.3 時,高徑比0.8、1.2、1.6 時,最大等效應變數值為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,從而導致了坯料成形后力學性能的不均勻性。同一高徑比下,摩擦系數由小到大,坯料中心區域的等效應變數值由小到大,在坯料上下接觸面上,摩擦系數越大,坯料的應變趨于零,說明上下端面的變形由于摩擦的作用幾乎不產生塑性變形。摩擦系數由小到大,應變分布區域變化不大,始終都是坯料中心為最大等效應變區域,鼓形區域次之,上下端面最小。綜合來說,摩擦系數越大,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 不同高徑比鐓粗應變隨摩擦系數變化

3 不同高徑比鼓度隨摩擦系數變化規律

采集模擬結束時坯料的最大直徑、最小直徑,計算并統計不同高徑比、摩擦系數方案的鼓度。圖4 為不同高徑比不同摩擦系數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增加幅度上升。且同一摩擦系數,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下鼓度變化曲線

4 結論

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

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

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

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