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开式反挤压测定模型的建立及其上限元分析解读
1 绪论
1.1引言
在塑性加工过程中,由于摩擦的存在,造成塑性变形中金属流动的不同时性和不均匀性[1],使模具产生磨损,降低了工件的质量。摩擦力的阻碍作用在整个成形功率中占有相当大的比重,对产品的质量和模具的寿命产生严重的影响。随着科技的不断进步,人们对产品的要求日益增高,因此对模具也提出更加苛刻的要求,这就需要对塑性加工中的摩擦进行更细致的研究以及提供更好的润滑手段来改善模具成形的工作环境[2] [3],但是在摩擦研究与润滑效果评定的过程中,摩擦因子的测定是一个必不可少的步骤。另外,由于计算机技术的飞速发展,数字化制造技术也得到了快速的发展,现行的大多数数值体积成形模拟软件都使用摩擦因子作为摩擦的标准参数,因此,摩擦因子的评定关系到数值模拟结果的准确性[4]。然而到目前为止,还没有一种精确有效的手段能够定量地测定摩擦因子。
本章论述了摩擦因子的国内外研究现状,总结了研究工作中存在的问题,明确了研究目的和研究意义,介绍了研究的主要内容和技术路线。
1.1.1国内外关于塑性成形中摩擦因子测定法的研究现状
塑性成形过程中的摩擦受诸多因素的影响,包括变形方式、金属的化学成分、模具的表面粗糙度、变形速度、单位面积上载荷的大小和变形温度等等因此,要模拟试验法针对不同的成形工艺,设计出与成形过程相近似的模拟试验装置,对该成形过程的摩擦进行测试,因而得到了比较广泛的运用各国学者在这方面做了大量的研究工作C.И.古勃金Sofuoglu以及Petersen等人对摩擦系数的测定方法进行了细致的研究[6] ~[9],这些都为摩擦因子的测定方法的发展奠定了基础。20世纪90年代,由于金属塑性成形技术和数值模拟软件的发展需要,国外学者开始对摩擦因子的测定方法进行研究。1994年,美国俄亥俄州大学沈钢树、A.Vedhanayagam、E.Kropp、T.Altan等对圆块的反挤型锻造进行了研究,运用了有限元数值模拟的方法,并结合了试验数据,对圆环墩粗和圆块的反挤进行比较,得出了圆块的反挤更加适合接触压力高、新生面积大的冷挤压工艺中的摩擦因子的测定[10]。在1999年,Pawelski针对一般锻造过程摩擦测试只能用于较小的应变速率的情况,设计出一种适用于高速自由锻非对称变形过程摩擦测试的模拟实验装置该方法对估算应变速率高达~2000的塑性成形过程摩擦具有重要的实际意义。1.1.2 现行的塑性成形摩擦因子测定方法的优缺点
综合国内外的研究成果,各种测定方法中都有其特定的测定参变量,使参变量成为摩擦因子影响的主要变形因素,摩擦因子的变化明显地反映到参变量的变化上,最终通过测定参变量的定量变化达到测定摩擦因子的目的,例如圆环镦粗法中的内外直径与柱形圆片平台挤压法的形状比等。这种类型的测定方法简单易行且测量直观,但是它们忽略了金属塑性变形的复杂性和影响摩擦因子因素的复杂性,最终的测量结果都会与真实情况产生相当大的偏差。因此,探寻摩擦对金属塑性变形影响的内在规律,并找出规律性的特定参变量,才是今后摩擦因子测定方法的研究方向[20]。下面就常用的几种塑性成形中的摩擦因子测定方法展开探讨:
a.圆环镦粗法测定摩擦因子的优缺点 圆环镦粗法是在锻造加工中经常采用的摩擦因子测定方法,无论是其中的曲线标定法还是模拟试验对比法,都很容易得到摩擦因子的值。但是,通过对圆环镦粗的速度场分析,镦粗时下模面接触的金属存在有大量的刚性区,摩擦状态表现为静摩擦,而与上模面接触部分的金属表现出明显的流动行为,摩擦状态为动摩擦,上下模面摩擦状态的不同决定了圆环镦粗法测定摩擦因子方法存在着相当大的误差。另外,对于相同的工件几何形状来说,圆环镦粗法的载荷相对较小,试验工件的几何形状简单,因此在接触面压力较高,几何形状复杂且新生面积增加较大的加工情况下就不太适用。
b.开式反向挤压法的优缺点 开式反向挤压法是根据底厚与挤压力的耦合关系来测定摩擦因子的大小。摩擦因子相对大时,相同的挤压力就会成形出较大的底厚,同时成形相同的底厚就需要较大的挤压力。此种测定方法在接触面积大、挤压力大的成形环境时有一定的反映现实摩擦情况的能力,但不能普遍地应用。因为,在反挤的过程中,底厚中的金属相当大的一部分由于受到冲头和模具的限制作用,处于粘着的状态,形成大量的刚性区,模具底部与侧壁的摩擦状况就不能够真实的反映出来,造成最终测定结果的失真。
c.柱形圆片法的优缺点 柱形圆片法摒除了圆环镦粗测定摩擦因子法中的诸多不利因素,而且试验工件成形过程中几乎不存在刚性区,能够通过几何形状直观地反映出摩擦因子的影响,但是测量圆柱片的长度和宽度,并不能测定摩擦因子的细微差别,测定结果的分辨率并不高,难以达到预期的精度。
综上所述,测定摩擦因子的方向是研究如何避开金属刚性区的负面影响,探寻出金属在摩擦的影响下处于流动状态的成形方
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