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    前擠壓工件和模具的溫度分布有限元分析

    前擠壓工件和模具的溫度分布有限元分析

    發布日期:2017-12-04 作者: 點擊:

      前擠壓工件和模具的溫度分布有限元分析(1.大連鐵道學院機械工程系,遼寧大連11程機械熱力偶合有限元模擬,對材料的流動、由于塑性變形和接觸面之間的摩擦所產生的熱量、工件和模具中的熱傳導、工件與模具之間的熱交換、在成形期間和其后冷卻過程中工件和模具中溫度的分布等進行了分析;對工件和模具的機械和熱力學性能和諸如沖頭的速度、摩擦系數等加工條件對溫度在工件和模A中的分布的影響進行了研究。有限元模擬的結果表明,在成形加工中由于熱膨脹和冷卻的影響,工件和模具中溫度的變化將影響工件的成形精度。工件的性能對熱的產生和溫度分布有決定性的影響;加X條件的變化會影響溫度的高低和分布。


      在金屬成形中普遍存在的溫度變化影響工件的成形質量、成形精度、潤滑效果和工具的壽命。雖然,對于熱鍛和溫鍛已經考慮了熱的影響,然而,對于冷鍛卻沒有對熱的影響給予足夠的重視。由于工件的塑性變形和工件與模具之間的摩擦都會產生熱量,所以,對高精密工件的成形加工溫度在工件和模具中的變化必須給予足夠的重視。在一定工件溫度條件下工具的尺寸變化和由于塑性變形和疼卻弓的溫度變化而產生的熱脹和冷縮必將影響近凈成形(NearNetShapeForming)工件的精度。


      本文對前擠壓工件和模具中熱量的產生和溫度變化和分布進行了有限元模擬。通過ABAQUS的機械熱力偶合有限元模擬,對材料的流動、熱量的產生和熱傳導及熱交換、在成形期間工件和模具中溫度的分布等進行了分析。有限元方法不僅可以用于分析由機械力引起的成形加工誤差精度,同樣可以用于分析由于工件和模具溫度變化引起的工件成形誤差。分析工件和模具溫度變化引起的工件成形誤差對于誤差補償方法的研究,乃至近凈成形方法的研究都是必要的。


      1熱的產生和傳導在成形加工中,工件材料所經歷的塑性變形將引起溫度的變化,反過來,溫度的變化又會影響材料的性能和潤滑條件;工件與模具之間的摩擦也會產生熱量。塑性變形產生的熱量取決于工件的流動應力和有效應變率工件與模具之間的摩擦產生的熱量與摩擦剪應力和工件與模具間的滑動速度成正比M由于工件和模具之間的溫度差別,工件與模具之間會產生熱傳導;這個熱傳導的熱流密度取決熱傳導系數和工件與模具之間的溫差(5)。由于位移分布和溫度分布在成形過程中互相依賴,所以必須對工件和模具中的位移場和溫度場同時求解,以保證熱量對材料流動和溫度分布的影響。


      2.1碳鋼的擠壓工況A下碳鋼前擠壓后工件與模具的溫度大小與溫度分布情況工況B下碳鋼前擠壓后工件與模具的溫度大小與溫度分布情況由(b)可見擠壓后工件變形情況。在模具出口端附近工件經受了很大的塑性變形和接觸摩擦;因而在工件的表面產生了較高的溫升。由于工件的塑性變形熱是通過熱傳導傳遞給模具,從而與工件接觸的模具表面雖然溫度也有了較篼的增加,但一般溫度低于工件表面的溫度。給出了在工況A下碳鋼前擠壓后工件與模具的溫度大小與溫度分布情況。工件的Z高溫度大約是167°C,發生在與模具出口的過渡圓弧接觸處。這是因為一方面工件在此處的塑性變形Z為劇烈,塑變形產生的熱量Z大;另一方面是因為在模具尺寸逐漸減小的這個區域剪切應力大而產生的摩擦熱也就多。模具的Z高溫度大約是95‘C,位置與工件Z高溫度點的相對應。


      工況C下碳鋼前擠壓后工件與模具的溫度大小與溫度分布情況工況C下碳鋼前擠壓后冷卻2.5s后工件與模具的溫度大小與溫度分布情況和表示不同的沖頭速度和不同的摩擦系數時工件中溫度分布的情況。比較與可見,沖頭的速度變化后工件和模具的溫度分布規律沒有變化,溫度的大小發生了變化;工件Z高溫度由于沖頭速度的增加而達到約215t,而相應地模具的Z高溫度也增加約128°C.這是因為單位時間產生的熱量與熱擴散的時間發生了變化。比較與可見,摩擦系數的增加引起了擠壓載荷和生成熱量的增加;從而引起接觸區域附近的溫度增高。工件Z高溫度由于摩擦系數的增加而達到約309I:,而相應地模具的Z高溫度也增加到約309°C.值得注意的是,此時工件Z高溫度與模具的Z高溫度相同都是約309t;這說明,在工件與模具材料性能不變的條件下,當塑變形產生的熱量和摩擦熱增加到一定程度,工件Z高溫度與模具的Z高溫度就可能相同。表明了在冷卻2.5s后溫度在工件和模具中的分布。因為工件和模具中的熱擴散,在經歷短暫的時間之后工件和模具的Z高溫度都大大的降低,而且溫度分布趨于均勻。


      2.2鋁材的擠壓為研究材料性能對溫度分布的影響,對鋁材A1 99.5的擠壓進度和摩擦系數條件下進行了分析,給出了在工況E時工件與模具的溫度情況。由圖可知,溫度分布規律與碳鋼時相似,只是溫度的大小發生了很大的變化比較與,在相同的條件下鋁材的Z高溫度大大降低,僅為約。工件和模具中的Z高溫度低于碳鋼時的值,這是由于鋁的較低的流動應和良好的熱傳導性。由表2可知,與碳鋼時相似,沖頭速度和摩擦系數的增加都會起工件和模具溫度的增加;只不過增加的幅度遠小于碳鋼時的值。另外,由于鋁的良好的熱傳導性,工件與模具的Z高溫度相同。


      了有限元模擬。同樣在不同的沖頭速有限元模擬表明在加工和冷卻期間工件和模具中的溫度變化工況E下結材前擠壓后工件與模具是明顯的。工件材料性能對熱量的產生和工件中溫度的分布有著的溫度大小與溫度分布情況決定性的影響;加工條件的變化也對溫度的變化和分布產生影響工件的熱力學性能對冷成形加工工件的精度有著重大影響。


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