等径角挤压有限元模拟模具应力分析
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收稿日期:2006-08-24;修订日期:2006-09-18基金项目:内蒙古自治区自然科学基金资助项目(200408020707);内蒙古自治区高等学校科学研究项目(NJ03002)作者简介:张建军(1979-),男,内蒙古工业大学硕士研究生。
等径角挤压有限元模拟模具应力分析张建军1,白朴存1,2,田春雨2,张秀云1(11内蒙古工业大学材料科学与工程学院,内蒙古 呼和浩特 010051;21包头202厂,内蒙古 包头 014000)摘 要:本文利用非线性有限元软件M S C 1Marc 模拟了等径角挤压(Equal Channel Angular Extru 2si on,ECAE )过程中模具的应力分布。
结果表明:模具拐角处承受的应力较大;摩擦力对等径角挤压过程中模具应力有显著影响。
关键词:等径角挤压;有限元模拟;模具应力中图分类号:TG37613 文献标识码:A 文章编号:1001-196X (2006)06-0046-03D i e stress FE M ana lysis of equa l 2channel angul ar extrusi onZ HANG J ian 2jun 1,BA I Pu 2cun1,2,TI A N Chun 2yu 2,ZHANG Xiu 2yun1(11School of Material Science and Engineering,I nnerMongolia University of Technol ogy,Hohhot 010051,China;21Baot ou 202Plant,Baot ou 014000,China )Abstract:D istributi on of die stress in equal channel angular extrusi on (ECAE )is si m ulated with non 2linear fi 2nite 2ele ment s oft w are M S C .M arc .The results show that the largest die stress occurs on the corners of the die,and die stress is influenced re markably by fricti on .Key words:equal channel angular extrusi on;finite ele ment si m ulati on;die stress1 前言等径角挤压(Equal Channel Angular Extru 2si on,ECAE )是由前苏联科学家Segal[1]等在1981年提出,后在R 1Z 1Valiev [2]等的发展和完善下,成为一种加工块状超细晶材料的新方法。
超细晶材料由于具有高强度、高塑性、高扩散系数等许多优良的物理、化学和力学性能[3],受到许多科学家的关注。
ECAE 工艺是在一个特定的模具中进行,其原理如图1所示。
模具中的两个通道横截面完全相同,并成一定交角<。
<称为模具内角,ψ称为模具外角,与ψ成一一对应关系的是模具内拐角处圆角半径R 。
试样在冲头压力的作用下,从模具的进入通道压入,在模具的拐角处发生强烈的剪切变形后,从退出通道挤出,变形后试样的横截面形状和面积不变。
图1 ECAE 工艺示意图材料可以通过多道次的挤压获得高的累积应变。
I w ahashi [4]提出了一个计算累积应变的公式:ε=2N 3(cot (<2+ψ2)+ψcsc (<2+ψ2))(1)式中,N 表示挤压次数,<为模具内角,ψ为模・64・重型机械 2006No 16具外角。
与其它加工超细晶材料的方法相比,ECAE 工艺简单,生产成本低,且克服了其它工艺制备的试样中有空隙、致密性差、以及大尺寸坯体难以生产等缺点,因而日益受到国内外科学家的关注,是一种十分有工业前景的工艺。
然而,通过试验研究ECAE需要大量的时间和费用,因此许多学者采用有限元技术对ECAE 过程进行模拟。
通过有限元模拟技术可以全面掌握ECAE变形过程材料的流动规律和应力场的大小和分布。
但是,大部分的学者在ECAE有限元模拟中把试样看做是变形体,把模具视为刚性体,只研究试样的ECAE变化,少有人研究模具在ECAE变形过程中的应力场的大小和分布。
然而,模具应力场的大小和分布是模具设计的重要依据,关系着模具的使用寿命,对生产的效率和成本有着重要的意义。
因此,有必要研究模具在ECAE变形过程中的应力变化,为模具的设计和优化提供理论依据。
本文采用大型有限元软件MSC1Marc对ECAE变形过程模具应力场进行模拟分析。
由于沿厚度方向应变为零,因此可以用二维平面模型来模拟ECAE变形过程。
2 ECAE有限元模型ECAE过程是大位移、大应变过程,本文采用更新拉格朗日参考系描述和弹塑性有限元法计算。
图2是ECAE的有限元模型。
内角<为90°,外角ψ为37°。
为了同时研究试样和模具的应力,把试样和模具都看做变形体,都采用弹塑性模型。
图2 ECAE有限元模型试样网格划分采用四边形单元,单元数为20×80=1600。
由于模具和试样的接触区网格相差不大才能获得较高的精度,但如果模具采用和试样同样的网格密度,势必会造成计算缓慢甚至有可能造成收敛困难,因此,模具网格划分采用四边形单元和三角形单元混合单元。
在和试样接触部分模具采用密度较大的四边形网格,在和试样不接触的部分采用密度较小的四边形网格,两种网格中间则采用三角形网格过渡,模具单元数为2140。
ECAE变形属于大塑性变形,为了防止单元过渡变形导致模拟停止,试样采用网格重划分技术,模具的网格则在ECAE过程中不发生重划分。
试样材料选用纯A l(99199 ),其尺寸为10mm×10mm×60mm;模具材料选用H13模具钢,弹性模量为120GPa;在室温下挤压,冲头的压下速度为5mm/s;摩擦因子m分别取0105、012、014;应力应变关系为 σ=Cε(C= 170MPa,n=0124)[5];当挤压速度较低(1～10mm/s)时,试样与模具之间的摩擦导致挤压过程中变形温度的升高忽略不计,变形过程可看作等温过程,在模拟结果中将不考虑温度场的分布状态[6]。
3 结果和讨论311 模具等效应力分析图3是摩擦因子m=012时的模具和试样在109步等效应力图。
从图中可以清楚的看到模具在ECAE过程中的等效应力场分布沿ECAE通道向外逐渐减少,在通道的内拐角处的等效应力远图3 模具等效应力图・74・2006No16 重型机械远大于模具的其它部位,明显出现了应力集中,这对模具来说是十分不利的,会减少模具的使用寿命。
因此,可以在内拐角处通过适当的圆角过渡来减少应力集中。
为了反映模具在整个ECAE 过程中的应力场,分别在模具通道处取6个节点进行研究,如图2所示。
图4是以上各个节点的等效应力-时间曲线。
从图中可以看出,节点2的等效应力要远远大于其它5个节点,这说明节点2处出现了应力集中。
从图中还可以看到节点3的等效应力也大于节点1、4、5、6,这是由于试样在发生剪切变形后,和模具上壁接触使得模具上壁受到的等效应力也较大。
节点5的等效应力大于节点1、4、6,这说明模具拐角处承受的的等效应力较大。
从这6个节点的等效应力值来看都没有超过模具材料的屈服强度,这说明模具材料的选取是合适的。
图4 模具各节点等效应力-时间曲线312 摩擦对模具的影响在ECAE 变形过程中,摩擦对挤压力有显著的影响,而挤压力又关系着ECAE 模具的使用寿命。
多数情况下,ECAE 模具的磨损、开裂是由于挤压力过大造成的,因此减少挤压力可以延长模具的寿命。
本文在v =5mm /s 时,摩擦因子m 分别取0105,012,014。
图5是这三种摩擦条件下的挤压力-时间曲线。
1、2、3分别代表的摩擦因子是0105、012和014时的挤压力-时间曲线。
从1、2、3可以看出随着摩擦系数的增加挤压力增加,说明摩擦力增大会使挤压力增加,从而会影响模具的使用寿命。
因此,改善润滑条件,可以减少摩擦力,也就可以减少挤压力,从而实现模具的优化。
图5 挤压力-时间曲线4 结论(1)通过对ECAE 模具的有限元模拟可以看到内拐角处承受的应力较大,可以通过适当的圆角过渡来减少应力集中;模拟结果可以为模具设计时提供强度校核的依据。
(2)随着摩擦系数的增大,挤压力增加,从而使得模具的寿命减少,因此要尽可能的减少摩擦。
参考文献:[1] V M.Segal,V I .Reznikov,A E .D r obyshevkiyet al .Plastic working of metals by si m p le shear[J ],Russian 1981,115.[2] R Z .Valiev .U ltrafine -grained materials p repared bysevere p lasic def or mati on [J ].Annales des Chi m ieSCRE NCE DES materiaux .1996,21(Specialissue ):369.[3] Valiev R Z .,Isla mgaliev R K .,A lexandr ov IV.Bulknanostructured materials for m severe p lastic defor ma 2ti on[J ].Pr ogress inM aterial Science,2000,45:103-189.[4] Yoshinori I w ahashi,J ingtao W ang,Zenji Horita,et al .Princi p le of equal 2channel angular p ressing f or the p r o 2cessing of ultra 2fine grained materials [J ].Scri p taMetar .1996,35:143-146.[5] T A ltan,Soo -lk Oh,Har old L Gegel .Fas m,Metalfor m ing funda mentals and app licati ons [J ].ASF M.1983,55-71.[6] 刘咏,唐志宏,周科朝等.纯铝等径角挤压技术(Ⅱ)-变形行为模拟[J ].中国有色金属学报,2003,13(2).・84・重型机械 2006No 16。
