輕量型食品裝備多界面管材塑性成型工藝有限元模擬

朱成俊ZHU Cheng-jun 王 景

(1. 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473009；2. 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，食品工業(yè)進(jìn)入到一個(gè)蓬勃發(fā)展的階段，食品工業(yè)的發(fā)展也帶動(dòng)了食品機(jī)械工業(yè)的發(fā)展。隨著大眾生活水平的提高，越來(lái)越多的食品加工設(shè)備來(lái)到了人們生活中，榨汁機(jī)、豆?jié){機(jī)、面條機(jī)等。許多設(shè)備設(shè)計(jì)之初是為了工業(yè)化量產(chǎn)，不符合家用需求，但設(shè)備原理不變，用更為輕便的材料將工業(yè)設(shè)備小型化成了研究熱點(diǎn)，設(shè)備管件塑性方法近幾年得到了大量的關(guān)注[1]。

在創(chuàng)通領(lǐng)域中，管材塑性工藝研究需要數(shù)次重復(fù)，直至產(chǎn)品完全定型，研發(fā)時(shí)間長(zhǎng)、成本高、難度大，不適用于現(xiàn)階段機(jī)械設(shè)備高速發(fā)展的需要[2]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)階段主要采用有限元模擬的方式重復(fù)管材塑性研究，能夠大幅度縮短研發(fā)時(shí)間，降低研發(fā)成本[3]。本研究擬采用DEFORM數(shù)值模擬軟件對(duì)多界面管材的塑性成形工藝進(jìn)行研究，對(duì)輕量級(jí)食品裝備管材性能的研發(fā)過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的介紹，方便同類型研究者進(jìn)行參考，為加速中國(guó)高端裝備制造業(yè)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

1 多界面塑性成型方法

1.1 工藝方案的確定

此次模擬是對(duì)家用食品機(jī)械軸頭進(jìn)行研究，軸頭由錐形連接多個(gè)不同直徑的階梯管組成。加工的原料是由矩形與圓形共同組成的圓管，見圖1。

圖1 軸頭所用的毛坯

Figure 1 The blank used for the shaft head

溫?cái)D壓，冷整形，是本研究所用的成形工藝。溫?cái)D壓的目的是按照主要尺寸成形出軸頭的形狀，這一步主要是分配材料的體積。其后再通過(guò)冷整形對(duì)軸頭形狀進(jìn)行細(xì)致的處理[4]。經(jīng)過(guò)細(xì)致處理后，軸頭的精度可以達(dá)到單用冷擠壓工藝成形所能達(dá)到的精度。并且該工藝后序加工步驟少，且可直接應(yīng)用到食品機(jī)械產(chǎn)品中，所選用的設(shè)備噸位低，適用于大批量生產(chǎn)[5]。

1.2 軸頭擠壓常見問(wèn)題及解決方案

材料折疊、飛邊、堆積缺陷，見圖2。形成該缺陷的原因可能是模具尺寸設(shè)計(jì)不合理、溫度較高或者摩擦系數(shù)偏大，金屬不能及時(shí)向自由端流動(dòng)，從而導(dǎo)致缺陷的產(chǎn)生。本研究主要通過(guò)修改模具尺寸來(lái)解決該問(wèn)題。

圖2 溫?cái)D壓常見缺陷Figure 2 Warm extrusion common defects

擠壓件與模具定徑區(qū)充不滿，有間隙，見圖3。材料的屈服強(qiáng)度、磨具的摩擦系數(shù)和錐角都會(huì)影響間隙的大小。本研究通過(guò)改進(jìn)優(yōu)化溫?cái)D壓模來(lái)解決該問(wèn)題[6]。

圖3 溫?cái)D壓間隙充不滿Figure 3 Warm squeezed gap

固定端鐓粗現(xiàn)象的出現(xiàn)，見圖4。圖4是經(jīng)過(guò)冷整形處理后的軸頭。但是其并未與磨具完全貼合，擠壓的過(guò)程還未達(dá)到要求，從而導(dǎo)致鐓粗現(xiàn)象在固定端的出現(xiàn)。因此，對(duì)于擠壓件的溫?cái)D壓變形量設(shè)置，要盡量貼近最終的尺寸要求，這樣才能夠達(dá)到較好的成形效果。

圖4 固定端鐓粗Figure 4 Fixed end upsetting

1.3 有限元模擬

有限元模擬過(guò)程中涉及2個(gè)模型，分別為模具和管坯[7]。模具所用的材料為5CrNiMo，在對(duì)稱邊界條件設(shè)置時(shí)選擇剛形體。管坯所用的材料為SAE1527，在對(duì)稱邊界條件設(shè)置時(shí)選擇塑性體。對(duì)于模擬部位的選取，是根據(jù)軸頭的對(duì)稱性特征和圓管來(lái)選擇的[8]。本研究在有限元模擬中選取圓管及模具的1/4進(jìn)行模擬，按照成形方式設(shè)定擠壓速度為30 mm/s，摩擦系數(shù)為0.05，管坯和擠壓模熱傳遞系數(shù)為模擬默認(rèn)值。

由于DEFORM沒(méi)有建模功能，為了能在短時(shí)間內(nèi)模擬出來(lái)，本研究在前處理中將模具與管坯在CATIA中配置好，調(diào)整好定位。然后把管坯和擠壓模分別以STL格式儲(chǔ)存，最后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入至DEFORM，其中擠壓模擬的起始定位情況見圖5。

2 試驗(yàn)過(guò)程和數(shù)據(jù)分析

模擬參數(shù)影響著模擬的結(jié)果和最終效果，因此對(duì)模擬參數(shù)的研究十分必要。在塑性成形過(guò)程中有3個(gè)主要的模擬參數(shù)，擠壓速度、加壓時(shí)加熱溫度以及摩擦系數(shù)。其中擠壓速度對(duì)于成形的影響并不顯著，但另外2個(gè)參量都會(huì)嚴(yán)重影響模型成型。為了讓軸頭成形的結(jié)果更為準(zhǔn)確，本研究對(duì)溫度和摩擦系數(shù)進(jìn)行了具體研究。

圖5 有限元模型Figure 5 Finite element model

2.1 溫度對(duì)擠壓成形效果的影響

在溫度對(duì)擠壓成形的效果模擬中，分別取500，600，700，800 ℃作為研究對(duì)象，其他條件和參數(shù)保持一致。

圖6為溫度對(duì)壁厚增量的影響。從圖6中可以看出，隨著溫度的升高，管坯壁厚也隨之增加。并且在500～700 ℃時(shí)，管壁厚度的增加速度并不劇烈，但在700～800 ℃時(shí)，厚度增加的速度急劇上升。由于管坯內(nèi)徑處于自由狀態(tài)，在500～800 ℃時(shí)鋼的塑性隨溫度升高而增加，金屬在徑向加速流動(dòng)，從而引發(fā)管壁厚度的劇烈變化。

圖6 溫度對(duì)壁厚增量的影響Figure 6 Influence of temperature on wall thickness increment

圖7為分析端部翹曲受溫度影響的變化情況。從圖7中可以看出，隨著溫度的增加，端部?jī)?nèi)徑的數(shù)值有微小下降，但是變化并不明顯。由此可以說(shuō)明端部翹曲受溫度影響很小。

圖8為溫度對(duì)載荷的影響。從圖8中可以看出，載荷隨著溫度的升高而顯著降低。

圖7 溫度對(duì)端部?jī)?nèi)徑的影響Figure 7 Temperature effect on the inner diameter of the end

圖8 溫度對(duì)載荷的影響Figure 8 Temperature effect on the load

考慮到較小的載荷可以減少模具的磨損降低生產(chǎn)成本，但溫度過(guò)低金屬材料的塑性不好，溫度過(guò)高可能會(huì)使金屬材料發(fā)生堆積，嚴(yán)重的可能會(huì)導(dǎo)致折疊。所以依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出：溫度的增加會(huì)使管壁厚度增加，載荷降低，但對(duì)端部?jī)?nèi)徑無(wú)影響，選取溫度700 ℃作為最終成形模擬的參數(shù)。

2.2 摩擦系數(shù)對(duì)擠壓成形效果的影響

在摩擦系數(shù)對(duì)擠壓成形效果的模擬中，分別取0.00，0.05，0.10，0.15作為研究對(duì)象，其他條件和參數(shù)保持一致。

圖9與圖10分別為摩擦系數(shù)對(duì)壁厚增量以及延伸量的影響。隨著摩擦系數(shù)的增加，管壁厚度增加十分明顯，同時(shí)導(dǎo)致伸長(zhǎng)量明顯減小。這是由于管坯內(nèi)壁沒(méi)有模具的限制，金屬的徑向流動(dòng)不受摩擦系數(shù)影響，從而壁厚增加。但金屬的軸向流動(dòng)受摩擦系數(shù)的影響，摩擦系數(shù)增大，流動(dòng)受阻也增大，從而使得延伸量減小。

圖9 摩擦系數(shù)對(duì)壁厚增量的影響Figure 9 Influence of friction coefficient on wall thickness increment

圖10 摩擦系數(shù)對(duì)延伸量的影響Figure 10 Effect of friction coefficient on elongation

圖11為端部?jī)?nèi)徑受摩擦系數(shù)影響的變化曲線。由圖11可知，隨著摩擦系數(shù)的增加，端部?jī)?nèi)徑也隨之增大，從而使得翹曲程度加劇，可能是金屬的徑向和軸向流動(dòng)受摩擦系數(shù)的影響不一致導(dǎo)致的。管材翹曲會(huì)因材料內(nèi)外部流動(dòng)的不均衡而變化明顯。雖然管坯前部是翹曲出現(xiàn)的主要部位，材料內(nèi)外流動(dòng)不均，管材的翹曲程度會(huì)非常明顯。雖然翹曲出現(xiàn)的區(qū)域位于管坯前部，且出現(xiàn)范圍較小，對(duì)于軸頭成形并沒(méi)有太大影響，但是還是應(yīng)該盡量避免翹曲的出現(xiàn)，減少摩擦，選擇性能較好的潤(rùn)滑劑對(duì)管坯表面進(jìn)行處理。

圖11 摩擦系數(shù)對(duì)端部?jī)?nèi)徑的影響Figure 11 The effect of friction coefficient on the inner diameter of the end

圖12為摩擦系數(shù)對(duì)載荷的影響。從圖12中可以看出，載荷隨著摩擦系數(shù)的增大而增大。較小的載荷可以減少模具的磨損，降低生產(chǎn)成本，因此在成形過(guò)程中應(yīng)盡量控制摩擦力，減小阻力。

圖12 摩擦系數(shù)對(duì)載荷的影響Figure 12 Effect of friction coefficient on load

考慮到摩擦系數(shù)的增大，會(huì)使得管壁厚度、端部?jī)?nèi)徑和載荷都依次增加。因此，在管壁厚度可以達(dá)到要求的情況下，應(yīng)在成形過(guò)程中盡量減小摩擦系數(shù)，從而減少管材翹曲程度和模具的磨損。

3 結(jié)論

以輕量小型食品裝備中的機(jī)械軸頭為研究對(duì)象，確定了軸頭多界面管材的塑性成形工藝，即溫?cái)D壓和冷整形。研究了軸頭在成形中常見的三類缺陷問(wèn)題，分別對(duì)三類問(wèn)題產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的解決方案。最后，通過(guò)有限元模擬技術(shù)，分別研究了溫度和摩擦系數(shù)對(duì)軸頭擠壓成

形效果的影響。研究表明，管坯的壁厚隨著溫度的增加而增加，隨著摩擦系數(shù)的增大而增加；翹曲程度隨著摩擦系數(shù)的增大而增加；載荷隨著溫度的增加而降低，隨著摩擦系數(shù)的增大而增大。本研究提出針對(duì)食品機(jī)械多界面管材的塑性成形工藝，管件設(shè)備能夠同時(shí)滿足加工工藝中冷擠壓與溫?cái)D壓結(jié)合的特點(diǎn)，材料本身質(zhì)量輕，成本低，便于加工，可滿足家用面條機(jī)、和面機(jī)、食物料理機(jī)等食品機(jī)械需求。

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