求不规则压延件展开毛料的热传导模拟法.pdf

锻压技术?韶年第 期冲压求不规则压延件展开毛料的热传导模拟法序卫献梁炳文摘要本文提出了求不规则压延件展开毛料的热传导模拟法,通过计算机数值求解,得到了任意形状不规则压延件的毛料外形。由典型零件的压延实验和实际生产零件毛料的对比分析证明,热传导模拟法是合理的,可行的。本文还提出了确定多次不规则压延件过渡形状的合理方法。!#%&()#%+(!(,#.#%/)+(0,(12#3#,45#(%6766#,6268&9:;+:%#%!/#%#)?%+(,#5#%/)?9%686)6)#%#65+(%抽,(1#(%6+66#,6#你!466 5.0;&:#)(%/#+(+%#,#5#(%5#%/)/:加#(#,6%#)6%/+:9 64:#8+%/%96#:+(+(6+%6即#/:#(阳+(%(%/#(%6#63#,%/#59%#68+,伴6 65%/#?,#;一,%+(%5%+#,(%+,96#:+(#)96#(%#96#+:+(/:#(%+()6%/#656#+%?:/8(6/%/#5#%口%/#%5(:+#(%阳6%:/4#:+(5,%+一:%#)6 8+(6#,+:%/#65,:()#(#,)6 8(:+(%/#.0;&/#,(1?(%6:)6 8(%/+:8:/8)#(65+%8+%/%/#=氏6+(、#(%一、引言毛料的外形是影响不规咖压延件成形的一个重要因素,它直接影响着变形过程中的应力应变分布及金属的流动。合理的毛料外形可以改善应力应变分布,得到口部平齐,厚度比较均匀的高质量 产品,提高经济效益。一个有效的确定合理毛料外形的方法,特别是对于不规则压延件,可以大大减少甚至避免这方面的工艺试验,缩短生产准备周期,满足产品更新换代的要求,提高产品的竞争能力。以往的非圆形压延件毛料展开方法,都是依据经验,主要用来确定矩形压延件的毛料外形以几五十年代提出,最近还有发展的滑移线法及近年来先后提出来的电模法,。,流体模拟法川,考虑了塑性变形的应力应变情况这些是直接从理论上出发,得到的用来求任意形状压延件的合理毛料外形的方法。本文提出的热传导模拟法,是模拟法中的又一新的分支,用其求出的毛料外形连续光滑,较好的解决了任意形状、平底直壁压延件的毛料外形自动绘制问题。二、物理模型与假设参照前人的研究“。”,本文在物理方面假设?板料在变形中厚度不变材料各向同性 不考虑摩擦的影响材料为理想刚塑性。在上述假设条件下,文献比导得压延凸缘金属流动的协调微分方程为甲口?式中一平均应力,场,由此求出毛料外形。对于单值条件式,在热传导中男沿边界等温的条件,即可以育散醚迷单值条件的相似性要求。由相似理论,可以建立起相对于凸缘应力场的温度场模拟模型外边缘?为无限大,内边缘是与压延件轮廓相 同的几何曲线,。,且?,在乙上、&,在?上俨尹一、甲二二一一一,是拉普拉斯算子口分沙沪二曰二,开同时证明了用合理毛料压延时,凸缘内边缘7及外边缘乙上应力条件图?满足?,在?上在,上负、,则 必可以由单值条件定义的场域中找到某一等温线八,相应于平均应力场中的等值线,即是相对于某一高度的压延件展开毛料外形。压延成形中,随着工件高度的增加,其展开毛料逐渐接近一个圆八。由式及上述两类现象的相似性可知,在相应的模拟温度场中,八是一条等温线,即二&,在玛上这样,如果采用单值 条件丁&,在,上二&,在“上求解方程,所得到的温度场与 采用单值条件所得到的温度场在?,月之间的温度分布是相同的。这里赵是半径为无限大的圆,其圆心即是 曲线,的重心。具有对称性的区域几何对称轴与边界条件对称轴重合,流过对称轴的热流,即图,压延凸缘应力状态刁 一万,叮口(在传热学中,二维无内热源稳态热传导微分方程是电甲 式中温度方程,与 在数学上具有相同的形式。根据相似理论,只要做到 几何相似和边值相似,就可以用热传导温度场来模拟板金在压延中凸缘金属流动的 平均应 力上述对称性条件在本文的问题中弱化为,的几何对称性。对称性可 用来减少数值计算工作。三、数值计算本文用有限元法数值求解温 度场方 程 及,采用三节点三角形单元 计算方法。为了便于有限元计算,综合式,和,将热传导微分方程及边界条件写成以下形式6=,【#6#?式中【,一形状函数硬、,呱【司尸#6 ;了、飞6少、飞?在等温边界&%上,在,的对 称轴线上由伽辽金 _,#61+(式中、。,二会“设权函数为炜,澎的有&1+,5【峨李里工禅华、,=)=沙设三角形单元三顶点标号 为+,5图,在元素内任一点 的温度由下式确定+=。一=砂+一。#+=5一=了?吸,、二合,。,一,。是单元的面积。根据伽辽金法,从式可推得粗六、舟气一,6百;,十”二,?式中材划分 的单元总数,丽断十日+#+?,+扬#+#。对称#扬十?,气品品?”“了,贬?夕,边界上两节点,5间的距离。式,是一个大型线性方程组,求解此方程组,可以得到模型温度场上各个 节点处的温度值,即温度分布。之后,先初步给定外形上的一点=,找出过=,的等温线,业计算出此等温线所包围的面积!,将!,值与工件表面 积月进行比较,看是否满足下式?月月。?记卜大于零的一个小数。当计算结果不能满足式?的要求时,重新调整二,、的位置,再重复上述步骤,直到满足式?的要求为止。根据上述思想,作者编制了一个 计算程序.0;&,在该 程序中,取。当然也可取的其他任意值,得到基本相 同的相应程 序。在程序中,开始点 戈,为 的设置,也是 由计算机自动完成的,使用者只需输入压延件的必要几何参数,即可由计算机按规定的准确度自动给出合理毛料外形来。图 是主程序框图,图是在3!=一 机上运行该程 序得到的几个典型结果开开辟效据区区艳艳人压廷件件几几何今致致给给定,长解区区城城及又又红界条件件有有 限元计算算抽抽人零件高度度计计葬零件面积积月月盆石月 7 7 7给给定初始献=找找等沮线线离离散曲线排序序计计算离曲线图图的的面积月 月 舔舔盆护护 了之9 9 9 图四、方法的验证?数值计算的正确性.0;?程序适用于包括圆形在内的各种形状的压延件,为了验证该程序的正确性,举一种形状的压延件就可以了。图是直径相同,有两种不同高度用.0;&程序所求得的毛料 外形。可以看出,数值计算得到的毛 料外形“十”都落在同一圆周上,说明热传导模拟理论和程序都是正确的。图 .0;&主程序框图图用.0;?得到的圆形压延件毛料外形 一 压 延实验求毛料夕随的方法是否可行与合理,最说明问题的检验是实际压延实验。作者在 吨万能材料试验机上对方形、矩形和三角形的压延件,进行了实验,材料是厚?55的 月,和;7。压延得到的零件直边部分平直,只是拐角部分有高出的凸耳,这与材料各向异性、所作的理想刚塑性假设和不考虑摩擦等与事实有出入有关。拐角部分多余材料实际上业不能完全转移,该处外 边变厚,压边力基本上都加在该处,将其压薄,因而提高该处的高度。由于修边工作主要限于拐角部分,该部分略为高些,对修边是有利的。满足这个要求,这是它比较更符合节约材料这个原则的主要原 因。就口部平齐这个要求来看,.0;&和2!.两者效果相近。表?.0;&法与拚合门门门/,/?/,八入/,=#=6,=义?材料!7%?注拐角半径,凸模 圆角半径表.0;&法与 2!.二二二人、/6 6 6?念/刃飞/二 厂盈?/一?一 声 班材0;&法一一一一拼合法乏斟三月火二=6,二=?=材料!7,6二?乙歹全了司偿一彗,上述压延实验表明,本文方法是合理的,可行的。作者还用.0;&程 序求出了如图所示 的不规定压延件毛料外形。图是某厂的一个实际压延件及其生产用毛料外形图从成形后零件不平齐的情况来看,说明计算毛料可获得更好的质量效果。而用计算毛料于实际生产,还可以大大地缩短确定毛料外形的生 产准备时间。了%?卜?!一熟士 刊少图#%&(法)实线与拼合法)皮线压延件口部形状)几何参数见表+作者还在同等条件下对拼合法+,流体模拟法),.%/与0%&(法绘制的毛料外形,进行比较压延实验,结果见表+和表1,可以看出,由拼合法得到的零件有效高度2。小于由 0%&(得到的有效高气,这是因为拚合法毛料在拐角处缺料的缘故,这说明 0%&(是更节约材料的方法,.%法及其他所有先假定外边上一点通过其求毛料外形 的方法,实际上都不能保证面积 不变的原则,表1所示的 情况是,.%所选的点偏 外,使毛料偏大,过份地增加了压延件高度。0%&(可以保证图3任意形状压延件的毛料外形过 渡形状为,的零件,再 由八压延成为所要求的零件形椒,即是说,在多道压延工序中,各道过渡形状,都是一个导热场 中的等温线。.0;&计算毛料外形/二?,下。计算外形亡互料外形笙件夕卜形生产零件的毛料外形图五、多次压延过渡形状的确定图?二次压延毛料 外形和过渡形状示愈图多次压延的过渡形状,和毛料外形一样,也 都是等温线,可以用.0;&一次全部自动绘制出来。这一点可用图?所示的两道压延成形件来加以说明。压延件轮廓纫,是一定平面导热场 中的一条既定的等温线,其 外面的所有等温线如,?,都可以用作毛料外形,压延出高度不等而轮廓都是,的零件。如卿伽,那样作为零件轮廓线,则,以外的等温 线,也都可以作为其毛料外形线。这就是说,所有脚,?到,的等温线,都可以作为零件外形线,业以其各自外 围的等温线作 为毛料外形线。这说明,当毛神 不能一次直接压延 成为轮廓为的零件时,可以先压延成六、结论基于压延凸缘变形区金属流动协调方程与二维无内热源热传导温度场控制方程的数学相似性,得到了求不规则压延件展开毛料外形的热传导模拟法。对典型零件的压延实验和与其他方法的比较实验证明,本文所提方法是合理的,可行的。根据热传导模拟模型编制的.0;&程序,可不必像一般求毛料 外形那样,先设一个外形线上的点。由计算机根据所输入的压延件几何尺寸,可以自动按所定精度要求,绘制出合理毛料外形。多道 压延的过渡形状 外形,也都是等温、锻压技术?年第 期增加危险断面强度的拉深支海波江苏盐城标准计量局科研所众所周知,在零件拉深的过程 中,影响拉深过程顺利进行的主要因素有二个起皱和拉裂。而拉裂又是更主要的因素,在拉深中,零件的起皱往往又转化为拉裂问题,可见,拉裂的防止对拉深过程的顺利进行是起着重要作用的。影响危险断面拉裂的因素是很多的,如材料本身的机械性能、压延条件、材料的相对厚度等。总的来说,凡是能够使筒壁传力区的最大拉应力减小,使危险断面强度增加的因素,都能有效地避免危险断面的拉裂,使拉深过程能得以顺利进行。某产品零件口盖座,是一个凸缘由非对称圆柱曲面组成的典型拉深件,由于产品设计的需要,零件的筒底部圆角半径和筒壁与凸缘相连处的圆角半径均为一个料厚,而且凸缘形状为非对称圆柱曲面,所以在成形中,凸缘材料流动困难,增加了筒壁传递的拉应力,加之筒底部及筒壁与凸缘相连处的圆角半径太小,这就给拉深成形带来了极大的困难。零件拉深后,在底部圆角处产生明显的拉 伸细颈,表面成一浅沟,如图?局部剖面所示,一部分零件甚至拉裂,剖面局部最小厚度只有一 5 5。有关标准中给出拉伸件最小壁厚计算公式为5+(:。一式 中。为坯料厚度为板料负偏差的绝对值。据此得口盖座零件的最小厚度应为5+(?=一?55线,可以一次连同毛料的外形绘制出来。从理论上,编程上及实验证明各方面看,本文所提出的确定不规则压延件毛料外形和多道压延过渡形状的热传导模拟法,是一个节约生产准备时间和材料,可以获得质量高的压延件的有效方法。参考文献,0.9.。,。?,。,#(4。,。,一。几“以丁.(#,?【.巾楚达列夫主编,梁炳文等译金属深压延的研究国防工业出版社?张召桃梁炳文,锻压技术,3,、?、,?魂吕雪+,梁炳文,锻压技术3,、?、?。_?#1,。;(#,96#,%飞!.&,?9。,5(,#%6(:#6,.?_6 8一+,?李之光,相似与模化理论与应用,国 防工业出版社,?#(#%/#(#66,!/6(%(,/#+(+6#,#5#(%.#%/)#6(一(#6:()#),/(,(1:/阵6)68+(+66#,?9:+(#,#%6+#,(,#5#6/),7(%.#/。?+,。,49?一 ,?;#:/(,;+(只0+(8#(.?)#,(,(只#)#65%+(让6#,6)68(二%一饰:?(,+)(,7(%.#/#一丫?一4?一?,?。