铜材接触线扩展挤压成形的三维有限元数值模拟

文章编号：１６７２—０１２１（２００７）０３—００６５～０３　Ｆｏ　田　

锥齿轮挤压成形弹塑性有限元数值模拟　

李传彪，胡建华。朱彦生，秦建军　（武汉理工大学材料科学与工程学院，湖北武汉４３００７０）　

摘要：利用Ｐｒｏ／Ｅ的三维实体造型与模具设计模块进行直齿圆锥齿轮的造型及模具设计，然后导入到　

ＤＥＦＯＲＭ中，在ＤＥＦｏＲＭ中建立三维挤压有限元模型。采用三维大变形弹塑性有限元法对齿轮挤压的塑性　成形过程进行了模拟，分析了成形过程中齿轮齿形的填充情况、金属流动速度场以及等效应变与等效应力　

分布，获得了直齿圆锥齿轮的挤压变形规牮与参数。　关键词：机械制造；挤压；直齿圆锥齿轮；数值模拟　

中图分类号：ＴＧ３７６．３　文献标识码：Ｂ　

１　引言　直齿圆锥齿轮是重要的机械传动零部件，被广　

泛的应用于汽车、船舶等各类机械设备和机械相关　

行业领域，起着传递运动和动力的作用，齿轮质量的　好坏直接影响到相关产品的性能…。冷挤压技术具有　

生产效率高，省材料，成本低，产品强度、精度高，表　面质量好等特点，在各种中、小型齿轮加３２中得到广　泛的应用。目前，随着模具技术水平的提高，特别是　

先进制造技术如ＣＡＤ／ＣＡＭ技术、精密加工技术、特　

种加工技术以及坐标测量技术的应用，现已能生产　高精度的模具以满足中、小模数齿轮的成形要求　。　

本文利用Ｐｒｏ／Ｅ对小模数锥齿轮零件进行三维　造型和模具设计，并将其导入ＤＥＦｏＲＭ，建立了齿　轮挤压模型。采用弹塑性有限元法和基于应变梯度、　

表面曲率的网格自适应技术，对齿轮挤压的塑性成　

形过程进行了数值模拟分析。再现ｌ　『齿轮冷挤压的　成形过程，使变形瞬间状态及力学量场可视化，得出　

型腔充填规律，并反映成形过程中的内部缺陷与型　腔角隅充填性。数值模拟所得出的变形力学参数及　成形性分析结果为实用化工艺研究与设计提供了有　

效的信息和技术支持。　

２零件及工艺分析　锥齿轮零件如图１所示，其齿形参数：齿数　２０，大端模数ｍ＝０．５，齿斜角　＝０，直齿压力角　＝　

３２　材料工程／２０１３年３期　分流模挤压非对称断面铝型材　有限元数值模拟分析　ＦＥＭ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｎ　Ａ１——ａｌｌｏｙ　Ｐｒｏｆｉｌｅ　ｗｉｔｈ　Ｎｏｎ—－ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ　Ｃｒｏｓｓ　Ｓｅｃｔｉｏｎ　Ｄｕｒｉｎｇ　Ｐｏｒｔｈｏｌｅ　Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ　黄东男　，于洋　，宁宇。，马　玉　（１内蒙古工业大学材料科学与工程学院，呼和浩特０１００５１；　２北京航空材料研究院，北京１０００９５；３中汇国际钢铁冶金部，北京１０００２０）　ＨＵＡＮＧ　Ｄｏｎｇ—ｎａｎ　，ＹＵ　Ｙａｎｇ　，ＮＩＮＧ　Ｙｕ。，ＭＡ　Ｙｕ　（１　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｉｎｎｅｒ　Ｍｏｎｇｏｌｉａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｏｈｈｏｔ　０１００５１，Ｃｈｉｎａ；２　Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００９５，Ｃｈｉｎａ；３　Ｉｒｏｎ　Ｓｔｅｅｌ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｚｈｏｎｇｈｕｉ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｉｎｓｕｒａｎｃｅ　Ｂｒｏｋｅｒｓ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００２０，Ｃｈｉｎａ）　摘要：采用了一种基于Ｄｅｆｏｒｍ－３Ｄ结合Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ的对分流模挤压过程中焊合面相互穿透网格进行重构的技术，并　对空心型材分流模挤压过程中金属的流动行为、温度场及模芯受力情况进行了模拟分析。结果表明，网格重构技术对于　空心型材挤压的数值模拟具有可行性，可实现焊合面与对称面不一致（非流动对称面）空心型材的分流、焊合及成形的挤　压全过程的仿真，从而为研究挤压全过程（尤其是焊合过程）的金属流动行为、模具结构的合理性、变形体的温度场分布　情况、焊合阶段模具的受力等提供了一种新的计算分析方法。　关键词：分流模挤压；网格重构；数值模拟；Ｄｅｆｏｒｍ一３Ｄ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—４３８１．２０１３．０３．００７　中图分类号：ＴＧ３７９　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—４３８１（２０１３）０３～００３２—０６　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｍｅｓｈ—ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｗｅｌｄｉｎｇ—ｐｌａｎｅ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｄｅｆｏｒｍ一３Ｄ　ａｎｄ　Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ　ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ａｐｐｌｙｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ　ｍｅｔａｌ　ｆｌｏｗｉｎｇ　ｂｅｈａｖｉｏｒｓ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄｓ　ａｎｄ　ｍａｎｄｒｅｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ　ｏｆ　ｔｗｏ　ｈｏｌｌｏｗ　ｐｒｏｆｉｌｅｓ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．　Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ，ｔｈｅ　ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｆｏｒ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｄｉｖｉｄｉｎｇ，ｗｅｌｄｉｎｇ　ａｎｄ　ｆｏｒｍｉｎｇ）ｏｆ　ｈｏｌｌｏｗ　ｐｒｏｆｉｌｅｓ　ｗｉｔｈ　ｉｒｒｅｇｕｌａｒ　ｃｒｏｓｓ　ｓｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｍｅｓｈ—ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ａ　ｎｅｗ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ　ｔｈｅ　ｍｅｔａｌ　ｆｌｏｗｉｎｇ　ｂｅｈａｖｉｏｒ，ｄｉｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｇｏｔ，ｄｉｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｄｕｒｉｎｇ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｓｔａｇｅ　ｏｆ　ｐｏｒｔｈｏｌｅ　ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｏｒｔｈｏｌｅ　ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ；ｍｅｓｈｅｓ　ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；Ｄｅｆｏｒｍ一３Ｄ　铝合金空心型材分流模挤压成形时，由于金属　在高温且密闭的模具中流动，通过物理模拟方法较　难获得准确全面的金属流动变形规律，而采用有限　元数值模拟技术对整个挤压过程进行仿真，通过对　变形体和模具所受的温度场、速度场、应力场、应变　场等物理量的分析，预测制品成形质量，进而减少甚　至替代传统模具设计过程中的反复试模工作，对提　高生产效率和产品质量、降低生产成本具有重要意　义　卜　。　国内外大学通过有限元法对圆管、方管、冷凝器　管、口琴管的分流模挤压过程进行了模拟分析，获得了　挤压过程金属流动行为、死区分布、挤压力变化、温度　场、模具受力及焊合质量等信息［５　］。然而以上的模　拟分析只能针对型材断面具有对称性，同时焊合面可　简化为刚性对称面，从而可采用ｌ／２或１／４几何模型　进行计算的空心型材。而对于非对称断面型材由于无　法采用ｉ／２或１／４几何模型进行计算，模拟时存在焊　合面网格的穿透与分离的缺陷，最终导致挤压过程模　拟无法完成，因此不能分析此类空心型材挤压过程的　金属流动变形行为，无法准确获得分流孔配置等对焊　合面位置、焊合质量、型材成形质量的影响，难以为合　理的模具结构尺寸设计提供足够的信息。

28 轻合金加工技术2010,Vo.l38,l5 LIGHTALLOYFABRICATIONTECHNOLOGY

收稿日期:2009-12-22 基金项目:广西自然科学基金资助项目(桂科青0832006);广西新材料与有色金属重点实验室开放基金(GXKFJ-17);广西大学科研基金资助项目(X071041)。 第一作者简介:赵小莲(1972-),女,内蒙古赤峰人,博士,副教授。圆形挤压件等径角挤压过程有限元模拟赵小莲1,温石坤1,沈冰洁2(11广西大学有色金属及材料加工新技术教育部重点实验室,广西南宁530004;21广西南南铝业股份有限公司,广西南宁530031)摘要:等径角挤压(ECAP)是一种利用纯剪切变形获得块状超细晶材料的方法。利用非线性有限元软件对纯铝的ECAP变形过程进行了数值模拟,获得了等效应变和等效应力分布规律,为今后的研究打下基础。关键词:等径角挤压;有限元模拟;超细晶材料中图分类号:TG146121;TG339 文献标识码:A 文章编号:1007-7235(2010)05-0028-06Finiteelementsimulationofequalchannelangularpressingforround-workpiecesZHAOXiao-lian1,WENShi-kun1,SHENBing-jie2(11KeyLaboratoryofNewProcessingTechnologyforNonferrousMetalsandmaterials,MinistryofEducation,GuangxiUniversity,Nanning530004,China;21NanningNannanAluminumCo.,Ltd.,Nanning530031,China)Abstract:Equalchannelangularpressing(ECAP)isamethodforfabricationbulkultra-finegrainedmaterialsbywayofsimpleshardeformation.Inthispaper,non-linerfiniteelementsoftwareisusedtosimulatethedeformationprocessofpurealuminumundergoingECAP.Thedistributionofequaleffectivestrainandequaleffectivestressisobtainedthroughnumericalsimulation.AndtheexistentproblemofECAPisalsoanalysed.Keywords:ECAP;finiteelementsimulation;bulkultra-finegrainedmaterials 等径角挤压工艺(ECAP)最早是由苏联科学家Segal在20世纪80年代提出的[1],这是一种基于强塑性成形理论制备超细晶材料的方法。由于其具有工艺简单,生产成本低,试样形状基本保持不变,通过多道次变形可以产生很大的应变,并且能够加工大体积试样等优点已成为材料科学研究的热点[2-3]。但由于ECAP法细化大尺寸铝棒材晶粒组织变形的机制还很不清楚[4-5]。同时,在挤压过程中各工艺路线的实现也涉及三维变形问题。因此,开展ECAP工艺挤压过程三维数值模拟,研究ECAP对挤压件最终变形分布的影响,具有重要的理论价值和工业应用前景。1 模拟过程1.1 等径角挤压原理等径角挤压模具内有两个截面相等、以一定角度相交的通道,两通道的内交角为5,外接弧角为7。在等径角挤压过程中,与模具中的通道尺寸紧密配合并与模壁润滑良好的试样在冲头压力P的作用下向下挤压,当经过两通道的交截处时,试样产生近似理想的剪切变形。由于不改变材料的横截面形状和大小,故可反复挤压,使各次变形的应变量累积叠加而得到相当大的总应变量,从而细化晶粒组织,LIGHTALLOYFABRICATIONTECHNOLOGY 2010,Vo.l38,l529 轻合金加工技术得到超细晶材料。等径角挤压原理如图1所示。图1 等径角挤压原理1.2 计算机模拟对工业纯铝棒等通道挤压过程进行数值模拟研究。模具通道直径为20mm,通道转角为90b,被挤压件材料选取为工业纯铝,长度为120mm,直径为20mm,室温挤压,并且忽略变形时的温度效应,摩擦因数为0.2,压下速度为5mm/s。2 等径角挤压过程的有限元模拟结果2.1 挤压力-行程曲线 图2是作用在试样上的挤压荷载-行程曲线,从图中可以清楚地看到,在等径角挤压过程中,挤压力是不断变化的。开始时挤压力为零,随着挤压件与模具外拐角接触,挤压力快速增加,试样端部到达主要变形区时挤压力达到最大值,然后挤压荷载呈现相对稳定状态。随着被挤压材料的不断增加,挤压过程中的摩擦力逐渐下降,挤压荷载也缓慢下降直至挤出终止。由于试件表面网格节点和模具拐角接触的不连续性,使得挤压力产生波动。最大挤压图2 挤压荷载-行程曲线力约92kN,与试验结果基本相符。2.2 挤压过程等效应力分布规律图3为挤压过程挤压件等效应力等值线图。从图中可以看出,挤压件各处的等效应力是不均匀的,挤压件通过模具转角后略向上翘,挤压上模模壁,模具拐角靠近上模壁区域等效应力最大,为140.7MPa。材料经过一次挤压后其内部晶粒大小的分布是不均匀的,因此,为获得理想的细化效果必须进行多次挤压。图3 等效应力分布图2.3 挤压过程等效应变分布规律图4为挤压件在挤压过程中等效应变分布图。挤压件在开始挤压时变形是不均匀的,模具转角处的等效应变最大。但随着材料逐渐被挤出通道,其变形越来越均匀。而且在通道的转角处,等效应变是层状分布的,并且梯度非常大,表明此处的变形近似于纯剪切变形。2.4 挤压过程中挤压件的变形过程挤压件变形过程分为三个阶段:料头部分最先挤出,变形分布极不均匀,应变分布梯度大;主要变形部分约占挤压件长度的3/4,应变分布梯度小,且整个截面约1/2部分金属应变分布较高;料尾部分正处于变形阶段,变形不完全。挤出通道后整体挤压件略向上翘,与试验结果基本相符,如图5所示。30 轻合金加工技术2010,Vo.l38,l5 LIGHTALLOYFABRICATIONTECHNOLOGY图4 等效应变分布图3 结束语目前,采用ECAP工艺已成功制备了部分纯金图5 挤压变形图属及合金、金属间化合物、陶瓷基复合材料等的亚微米晶、纳米晶结构,而且投入了实际应用并获得了认可。因此,采用计算机模拟和ECAP工艺相结合,模拟试验条件和试验过程,获得任意时刻应力场、应变场的大小和分布,实现计算机的仿真分析和优化设计,为ECAP奠定理论基础。参考文献:[1] SEGALVM,REZNIKOVVI,DROBYSHEVKIYAE,eta.lPlasticworkingofmetalsbysimpleshear[J].Metally,1981,1:115-123.[2] 刘英,李元元,张大童.金属材料的等径角挤压研究进展[J].材料科学与工程,2002(4):613-617.[3] 郑艳霞,赵西成,杨西荣,等.等径弯曲通道变形的有限元模拟现状[J].材料导报,2007(3):97-100.[4] 刘祖岩,王尔德,王忠仁.等径侧向挤压变形荷载的有限元分析[J].塑性加工学报,1999(3):7-11.[5] 毕见强,孙康宁,刘睿,等.等径角挤压过程的计算机模拟[J].塑性工程学报,2005(4):85-87.2008年中国出口铝箔最多的15家企业据海关的统计资料,2008年中国出口铝箔402.762k,t进口铝箔46k,t净出口256.762kt。出口量前15家企业的出口量见下表,它们的出口量占总出口量的44.8%。序号出口者 类别数量/kt比例/%1厦顺铝箔有限公司双零箔38.2179.52镇江鼎胜铝业有限公司单零箔29.4757.33山东鲁丰铝箔工业有限公司单零箔14.3373.64渤海铝业有限公司单零箔12.9233.25龙口市东海贸易有限公司双零箔11.3362.86中基复合材料有限公司双零箔9.8972.57华北铝业有限公司各种箔8.2382.08爱邦铝箔制品有限公司单零箔7.7331.99华源复合新材料有限公司单零箔7.7301.910南南铝箔有限责任公司双零箔7.5541.911江苏常铝业股份有限公司单零箔7.3261.812神火铝箔有限公司双零箔7.0341.713杭州鼎胜进出口有限公司单零箔6.8011.714首龙铝业有限责任公司双零箔6.0461.515上海恩远实业有限公司各种箔5.5601.4总 计 180.20744.8

作者：陈杰张治民有限元数值模拟在精密塑性成形中的应用　

有限元数值模拟在精密塑性成形中的应用　陈杰　张治民　（１．中北大学材料科学与工程学院，山西０３００５１；２．山西省精密成形工程技术研究中心，山西０３００５１）　摘要：将有限元数值模拟应用于精密塑性成形，可以缩短产品开发周期、降低成本、提高产品质量，从而提高产　品的市场竞争力。本文介绍了精密塑性成形技术和有限元数值模拟技术，以及有限元数值模拟在精密塑性成形中　的国内外应用现状，并指出了该技术进一步的研究和发展方向。　关键词：有限元；数值模拟；精密塑性成形；应用　中图分类号：ＴＦ１２４．３　文献标识码：Ａ　Ｔｈｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｐｒｅｃｉｓｅ　Ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ　ｆｏｒｍｉｎｇ　Ｃｈｅｎ　Ｊｉｅ，Ｚｈａｎｇ　Ｚｈｉｍｉｎ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｒｅｃｉｓｅ　ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ　ｆｏｒｍｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｐｒｅｓｅｎ・　ｔｅｄ，ｄｏｍｅｓｔｉｃ　ａｎｄ　ｏｖｅｒｓｅａｓ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ａｓ　ｗｅｌ１．Ｆｕｒｔｈｅｒ　ｓｔｕｄｙ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｔｒｅｎｄ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｐｒｅｃｉｓｅ　ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ　ｆｏｒｍｉｎｇ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　

１引言　采用有限元分析方法来做金属成形过程的计　算机数值模拟，不仅克服了物理模拟资金消耗大、　实验周期长等缺点，还能够定量描述各个阶段金属　的流动情况，预测变形过程中可能出现的缺陷，从　而在保证工件质量、减少消耗、提高生产效率和降　低成本等方面显示了巨大的优越性…。’　２精密塑性成形技术　塑性成形技术是指包括锻造、冲压、挤压、轧制　及其它以金属材料发生永久变形为特点的材料加　工技术。塑性加工过程是在一定外力（载荷）和边界　条件诸如加载方式、加载速度、约束条件、几何形　状、接触摩擦条件、温度场等作用下对材料进行　“力”处理和“热处理”的过程，从而使材料发生所希　望的几何形状的变化（成形）与组织性能的变化　。　精密塑性成形技术就是使制品最大限度地接近零　件的使用条件，减少后序加工的比重，从而缩短了