热推弯管成形过程材料本构模型.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.收稿日期:19980316热推弯管成形过程材料本构模型250014济南山东建筑工程学院鹿晓阳史宝军100084北京清华大学徐秉业吉林化建公司金属结构厂李奎摘要在热推弯管成形过程实验研究基础上,综合考虑加热温度、应变速率、变形程度、应力状态与含碳量等因素对碳钢弯管成形过程材料力学性能的影响,兼顾准确性和计算简单性建立了碳钢弯管成形过程材料本构模型。Material constitutive model of axis-thrust tube bendingBased on experimental research of axis-thrust bending by considering factors,such as heat2ing temperature,strain rate,deformation degree,stress state and carbon content,which effect tomaterialmechanical property of carbon steel during bending.叙词热推弯管塑性成形本构模型1引言不同变形条件下材料产生塑性变形的应力强度是不同的。材料产生塑性变形后,应力应变关系也因变形条件不同而有所差异。对金属塑性加工过程进行力学分析,必须根据实际变形条件研究金属力学性能、建立相应的材料本构模型。采用中频感应加热在牛角形芯棒上将直管坯一个接一个推制成弯管的工艺过程,是现有各种弯管工艺中最为经济有效的一种。它可避免传统弯管工艺成形时管壁凸边受拉减薄、凹边受压增厚而造成的弯管壁厚不均现象。并可推制出壁厚均匀的小半径(RD)、薄壁(t?D01015)、回弯头(180)。这是其他弯管工艺无法实现的。为了研究该工艺金属流动规律、塑性变形机理及其区别于其他弯管工艺的本质特征,进而为各种工艺参数的确定奠定理论基础,通过实验建立弯管成形过程材料本构模型是一项重要的基础工作。2宏观定性分析通常分析金属塑性加工过程,采用刚塑性材料本构模型会给计算带来很大方便。热推弯管成形过程是否可以采用刚塑性材料本构模型描述呢?先分析一下它在不同变形阶段各部位金属的变形。热推弯管成形过程可以分为三个变形阶段:未进入牛角芯棒变形区的直管坯阶段。此时管坯处于室温下向前推进,只产生弹性小变形。试件上环向各部位5mm5mm单元网格(图1a)基本无变化,故此时管坯可视为刚性材料。进入牛角芯棒变形区的变形阶段。此时,管坯通过感应区的一瞬间被加热到700900,在高温下同时产生较大的弯曲变形和扩径变形。但管坯环向不同部位金属的变形程度有明显差别。弯管凹边金属变形量最大,原5mm5mm正方形网格逐渐变成矩形(图1b)。弯管凸边金属基本不变形,直至推出牛角芯棒弯管凸边正方形网格仍基本保持原有的形状和大小(图1a、b),处于弹性变形状态。图1(a)凹、凸边网格变形情况(b)成形后的弯管变形后的整形阶段。这时牛角芯棒的曲率半91成形技术热推弯管成形过程材料本构模型 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.径和横截面直径不再发生变化,不再产生新的变形,主要是实现高温定形并完成恢复再结晶过程。因此,为了全面了解热推弯管成形过程中环向各部位金属的应力、应变状态及其演化过程,应该采用弹塑性材料本构模型。3基于实验的定量描述根据热推弯管成形时的工艺条件和有关实验数据1,2,综合考虑各种因素的影响建立弯管成形过程材料本构模型。(1)应变速率(工程中又称变形速度,指单位时间内的应变)多数金属材料的力学性能均对应变速率敏感。常用的应变速率公式为:=ddt=dLLdt=VL(s-1)(1)式中d应变增量dt时间增量,sL试件长度,mmdL长度增量,mmV夹头运动(弯管机推制)速度,mm?s工程中常用平均应变速率:=?t(s-1)(2)式中某一变形过程的总应变t完成变形的时间,s在文献2中,我们曾采用试验优化方法得到热推弯管工艺的理想推制速度为V41166mm?s。若加热温度设计合理,推制速度在3135mm?s范围内都可保证推出的弯管质量达到国际标准1。按弯管试件和相应牛角芯棒给定的几何尺寸计算,弯管成形时间为:t=SV=RV=56156(s)(3)式中S弯管成形过程所经历的弧长,mmR芯棒变形区曲率半径(=225mm)芯棒变形区圆心角(3)因此,弯管成形时的最大平均应变速率为:max=T再(再结晶温度)、应变速率 emax,变形程度对材料塑性流动应力(又称真应力)的影响就可忽略不计。由于弯管变形时环向不同部位金属的变形程度差别较大,直至变形结束弯管凸边仍有相当一部分材料没有进入塑性状态emax。因此,研究热推弯管成形过程各部位金属的力学行为,不能忽视变形程度的影响。另外,金属在高温下发生再结晶也需要有一定的变形程度,即变形体内要有一定量的应变能储备。使金属发生再结晶的最小变形程度称为临界变形程度,钢的临界变形程度为6%10%。因此,加热温度再高,弯管凸边也将有一部分金属不发生再结晶。从研究变形后弯管金相组织的角度考虑,也不可忽略变形程度的影响。由图2可见,当温度一定时,变形程度越大,再结晶后晶粒越小;当变形程度一定时,温度越高,再结晶后晶粒越大。在低变形程度时出现一个晶粒尺寸非常大的区域,这是由于临界变形程度造成的。为获得高强度的细晶组织,在制定塑性加工工艺时应避开临界变形区。但是,热推弯管成形时环向不同部位金属的变形程度是从=0至=69%连续变化的,要避开临界变形程度是不可能的。因此,为避开临界变形区,只能采用据变形程度局部调整加热温度的方法来保证弯管获得均匀细化的高强度组织。图2低碳钢加工变形量、加热温度适当选择变形温度、应变速率及变形程度不但可以得到理想的材料本构模型,还可以调整和控制被加工件的晶粒大小与强度。(4)应力状态古布金按照应力状态对金属塑性发挥的有利程度提出了主应力状态图的概念及排序(图3)。热推弯管成形时,主要承受环向拉伸和轴向压缩两向应力状态(图3-4),其塑性和变形抗力低于单向压缩应力状态(图3-3),高于单向拉伸应力状02锻压机械4?1998 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.态(图3-5)。应力状态对变形抗力的影响可用屈服条件来解释:材料塑性变形时,必须满足塑性条件1-3=Ks,因奇号主应力状态(1=-3)易满足塑性屈服条件,故材料的塑性和变形抗力相应降低。图3主应力图4建模时的综合考虑由上述分析,可以认为:(1)热推弯管成形时,环向不同部位金属的变形程度差别很大。沿弯管环向从凸边向凹边应变在069%范围内连续变化,直至变形结束,弯管凸边仍有相当一部分材料未进入塑性状态。为全面描述弯管成形过程中不同部位金属的应力、应变状态及其演化过程,应采用弹塑性材料本构模型。(2)碳钢弯管成形时的理想加热温度为750,高于材料再结晶温度。因此,只要应变速率适当,金属可以发生充分的动态再结晶。从而保证加工硬化过程与恢复再结晶软化过程相抵消,使材料处于理想塑性状态。(3)弯管成形时理想推制速度下的应变速率,远小于工程中规定的静态应变速率。故热推弯管成形过程可视为静态变形过程,分析时可采用静载实验得到的材料力学参数。(4)弯管成形的理想加热温度为720780,避开了碳钢再结晶时晶粒特别粗大的温度范围。5建立材料本构模型图4给出了低碳钢不同温度下由静载压缩实验图4低碳钢不同温度下静载压缩应力对数应变曲线得到的应力对数应变曲线。据图示曲线,综合考虑上述各因素建立弯管成形时的材料本构模型:(1)由图4可见,当T为450时,由低碳钢静载压缩实验得到的材料屈服后的应力应变曲线已近似为水平线。当T750时,应力应变曲线完全可以用理想弹塑性模型描述。(2)当T为750时,材料的屈服点 s约为100M Pa;其抗拉强度 b也近似为100M Pa。因此在某一温度范围和变形程度范围内,有 s=b=Con2st,此时材料变形处于理想弹塑性状态。(3)工程中分析静载变形时,若加热温度高于材料再结晶温度下限,一般就用 b代替 s。(4)考虑到上述实验数据多是在静载压缩条件下测得的,而弯管成形时主要承受环向拉伸和轴向压缩两向奇号主应力状态,由主应力图3可知,其塑性和变形抗力都低于单向压缩应力状态。故确定热推弯管材料屈服强度时,应将压缩实验测得的低碳钢平均屈服强度适当下调。(5)在塑性理论中确定低碳钢和某些铝合金材料屈服强度时,通常采用材料在室温下产生012%塑性应变所对应的应力作为材料的屈服强度,记作012,称为名义屈服强度。由于弯管变形是在高温下进行的,所以设750条件下低碳钢材料屈服流动时对应的 emax为0125(图4)。实验表明,对于低碳钢材料拉伸变形和压缩变形所对应的 emax是一致的。因此,热推弯管成形过程无论是以压缩变形为主还是以拉伸变形为主,上述假定都具有普遍意义。综上,设定:在加热温度为750,推制速度为250mm?m in(max=11210-2s-1)的理想变形条件下,低碳钢弯管的材料本构模型是理想弹塑性的。屈服点和用对数表示的最大弹性应变分别为:s=90M Pa,emax=0125。为便于理论分析,将上述理想弹塑性材料本构模型用双曲正切函数表示为(图5):i=sth10i(5)图5双曲正切函数描述的理想弹塑性材料本构模型6结语(1)本材料本构模型仅适用于工业中常用的碳12成形技术热推弯管成形过程材料本构模型 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.钢弯管。若加工其他材质弯管(如不锈钢),只需参考有关实验资料即可建立相应的材料本构模型。(2)由于工艺条件及碳钢管材含碳量的差异,推制不同规格弯管时采用的T和V不可能完全一致。但只要最大平均应变速率(max)小于准静态应变速率(10-1s-1),本文给出的材料本构模型都是适用的。但要根据实际加热温度、管材含碳量、图4确定的相应材料的 s,按式(5)计算。(3)为分析热推弯管成形过程受力变形特点、金属流动规律、塑性变形机理及本工艺区别于其他弯管工艺的本质特征奠定了基础。参考文献1鹿晓阳,徐秉业等.模糊数学在中频热推弯管工艺参数优化设计中的应用.塑性工程学报,1994(4)2鹿晓阳,徐秉业等.中频热推弯管工艺参数优化设计与实验研究.锻压技术,1995(3)3鹿晓阳,李奎,徐秉业.中频热推弯管成形过程与变形机理初探.锻压技术,1994(4)4Lu Xiaoyang,Xu Binye et al.Form ing Process Analysis ofM edi2um Frequency Induction Heated Pushing?Beuding of Tubes.第二届亚太地区工程塑性及其应用进展研讨会议文集.北京:国际文献出版社,1994-063 山西省自然科技基金(951050)资助项目收稿日期:19980130带锥孔大法兰类零件镦挤成形规律研究3030051太原市华北工学院张治民张宝红摘要利用计算机数值模拟技术,研究了不同毛坯对带锥孔大法兰零件镦挤成形时金属流动、变形区分布、变形功等的影响。并将模拟结果与实验结果进行了比较,给出了该类零件镦挤成形时毛坯选择条件,为精密成形工艺的制订提出了科学的参考依据。A study on form ing regularity for large flange parts with tapped hole in process of upsetextrudingBy means of computer numerical simulation,study the influence of different billets to metalflow,deformation zone distribution and deformation work when flange parts w ith tapped hole isbeing upsetextruded.By comparing simulated results w ith experiment,give out the selectingcondition of billets.This provide scientific basis for making precision form ing technology.叙词镦挤数值模拟研究目前,带锥孔大法兰类零件大多采用挤压成形,工艺的关键是毛坯,它不仅对成形过程中的力、金属流动及产品组织性能有影响,而且往往是零件是否能成形的决定因素。本文以摩托车轴套(图1)温挤图1轴套(a)零件图(b)挤压件图成形为例,在计算机数值模拟和实验的基础上,通过改变毛坯外径,对带锥孔大法兰类零件镦挤成形时的金属流动、变形区分布、变形功等的变化规律进行了研究。1镦挤过程的计算机模拟111模型的建立及变形体的离散轴套镦挤的热流量,用如下模型描述:毛坯与环境间:q=0117(T-Te)毛坯与模具间:q=20(T-Tt)式中T毛坯温度Te环境温度Tt模具与毛坯接触部分的温度边界条件:设坯料初始温度750、模具初始温度350、环境温度20,模具与工件间为剪切摩擦(摩擦系数=012),凸模工作速度50mm?s。22锻压机械4?1998