摩擦因數(shù)與模角對扭轉(zhuǎn)擠壓模具影響的研究

南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院 南京 210094

1 研究背景

大塑性變形工藝可以大幅度提高材料在常溫下的變形量，從而獲得晶粒尺寸較小的超細晶材料。超細晶材料具有高硬度、高強度、耐腐蝕等優(yōu)良性能，這些性能使其成為制備高鐵接觸線、地鐵接觸線的首選材料。因此，研發(fā)新大塑性變形工藝和模具是國內(nèi)外材料和機械工程領(lǐng)域的熱門課題之一［1-3］。經(jīng)查閱文獻，筆者發(fā)現(xiàn)對扭轉(zhuǎn)擠壓模具的研究很少，基于純銅材料的研究更少。筆者以T2純銅材料為坯料，改變模具的摩擦因數(shù)和模角［4］，通過Deform-3D軟件分析模具模角和扭轉(zhuǎn)速度對成形過程中擠壓桿載荷、等效應(yīng)變和模具磨損的影響［5］，為扭轉(zhuǎn)擠壓模具的設(shè)計及參數(shù)優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

2 扭轉(zhuǎn)擠壓模具有限元模型

扭轉(zhuǎn)擠壓工藝涉及的零件模型有坯料、擠壓桿、上模及下模。扭轉(zhuǎn)擠壓成形原理如圖1所示，擠壓桿向下正向擠壓，正向擠壓速度為V，出料口出料速度為V0，同時擠壓模進行扭轉(zhuǎn)運動，其扭轉(zhuǎn)速度為ω。此過程中坯料會受到擠壓扭轉(zhuǎn)變形。模具模角結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中ψ為模角。

2.1 建模

由于Deform-3D軟件不具有幾何模型的創(chuàng)建功能，因此使用Pro/E軟件對坯料、擠壓桿、上模及下模進行三維建模，將幾何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成.STL格式導(dǎo)入Deform-3D軟件［6-7］。筆者主要分析坯料的變形情況，不需要考慮擠壓桿、上模和下模的變形，因此將坯料定義為塑性體，其它定義為剛性體。對扭轉(zhuǎn)擠壓模具進行網(wǎng)格劃分，得到的有限元模型如圖3所示。

▲圖1 扭轉(zhuǎn)擠壓成形原理

▲圖2 模具模角結(jié)構(gòu)

▲圖3 扭轉(zhuǎn)擠壓有限元模型

2.2 模擬參數(shù)

本次模擬原始坯料采用經(jīng)退火處理的T2純銅棒料，坯料尺寸為φ12 mm×45 mm，棒料模具出口尺寸為φ9 mm。由于Deform-3D軟件的材料庫中沒有T2純銅的材料數(shù)據(jù)，因此需要自行定義。將應(yīng)變率為0.1和0.01的材料的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)輸入軟件的自定義材料庫中，得到如圖4所示材料的流動應(yīng)力應(yīng)變特性曲線［8］。

▲圖4 材料流動應(yīng)力應(yīng)變特性曲線

因為是常溫下進行扭轉(zhuǎn)擠壓，所以模具和坯料的初始溫度都定為20℃。 擠壓桿的行程為 30 mm，模角分別為 60°、80°、100°、120°，擠壓桿擠壓速度 V 為 3 mm/s，下模扭轉(zhuǎn)速度ω為0.5 rad/s。

2.3 摩擦條件

研究塑性變形過程，一般有兩種摩擦模型：剪切摩擦模型和庫倫摩擦模型。因為庫倫摩擦模型只適用于正壓力不太大、變形量較小的變形，而扭轉(zhuǎn)擠壓工藝坯料變形量很大，所以采用剪切摩擦模型［9］。μ為摩擦因數(shù)，0≤μ≤1，本次模擬時摩擦因數(shù) μ 取 0、0.3、0.6。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 不同摩擦因數(shù)

選模角為 120°，摩擦因數(shù)為 0、0.3、0.6，其它參數(shù)條件不變，對成形過程中擠壓桿載荷、坯料應(yīng)變、坯料溫度及模具磨損進行分析對比。

3.1.1 載荷和位移

從圖5中可以看出，擠壓桿載荷隨摩擦因數(shù)的增大而增大，變化幅度很大，并且摩擦因數(shù)越大，載荷穩(wěn)定性越差。因此，在增大摩擦因數(shù)的同時，應(yīng)當(dāng)注意擠壓桿載荷的變化，避免擠壓桿強度不足。

▲圖5 擠壓桿載荷位移曲線

3.1.2 坯料溫度

T2純銅溫度達到200℃以上時，坯料發(fā)生晶粒再結(jié)晶，會影響坯料的強度和硬度。模擬初始溫度為常溫，分析坯料的溫度［10］。如圖6所示，坯料的最大溫度隨摩擦因數(shù)的增大而升高，溫度分別為115℃、157℃、184℃，增幅較大。因此，在實際情況下應(yīng)當(dāng)注意溫度的變化，盡量減小摩擦因數(shù)。

3.1.3 坯料等效應(yīng)變

等效應(yīng)變的大小直接反映了坯料的變形程度，圖7為扭轉(zhuǎn)擠壓完成后，不同摩擦因數(shù)下坯料的等效應(yīng)變云圖。

▲圖6 坯料溫度云圖

▲圖7 坯料等效應(yīng)變云圖

從圖7中可以看出，坯料的等效應(yīng)變隨摩擦因數(shù)的增大而增大，等效應(yīng)變分別為6.01%、11.5%、15.9%，增幅較大，說明增大摩擦因數(shù)可以顯著增大坯料的等效應(yīng)變，提高制品的強度。但是，摩擦因數(shù)增大，坯料的溫度會升高很多，因此，需要綜合考慮溫度的影響。

3.1.4 磨損

模具在工作時，與金屬坯料發(fā)生相對運動，會造成磨損。當(dāng)模具因為磨損而改變表面狀態(tài)或尺寸，進而不能滿足成形要求時，稱作磨損失效［11］。在擠壓成形中，磨損失效是模具主要的失效形式。

在Deform-3D軟件的前處理模塊中勾選工具磨損項，并選擇Archard模型，為后續(xù)的計算提供理論算法［12］。如圖8所示，W 為磨損深度，p為模具截面壓力，v為滑動速度，t為時間，a、b、c為修正因數(shù)，K 為與材料性質(zhì)相關(guān)的常數(shù)，H為模具材料硬度。對于模具鋼而言，一般取 a=1，b=1，c=2，K=0.000 002，H=58。

▲圖8 磨損分析模型

從圖9中可以看出，擠壓模的磨損量隨摩擦因數(shù)的增大而增大，磨損量分別為 1.04×10-5mm、2.26×10-5mm、3.00×10-5mm，變化幅度很大。因此，在增大摩擦因數(shù)的同時需要考慮模具的磨損。

▲圖9 擠壓模磨損云圖

3.2 不同模角

3.2.1 最大載荷

取摩擦因數(shù)為 0.3， 模具模角為 60°、80°、100°、120°進行對比。取最大擠壓桿壓力值，得出最大載荷依次為 150 kN、163 kN、170 kN、175 kN，如圖 10所示。

從圖10中可以看出，擠壓桿的最大載荷隨模具模角的增大而增大，但其變化幅度越來越小。同時，增大模角會使坯料的擠壓死區(qū)變大。

3.2.2 最高溫度

擠壓完成后，得到各個模角下的坯料最高溫度分別為 80.3℃、95.4℃、119.1℃、157℃，如圖11所示。

從圖11中的變化趨勢可以看出，坯料的最高溫度隨著模角的增大而升高，并且升高幅度越來越大。可見，增大模角需要考慮坯料溫度的變化。

▲圖10 擠壓桿最大載荷曲線

▲圖11 坯料最高溫度曲線

3.2.3 等效應(yīng)變

擠壓完成后，得到不同模角下坯料的等效應(yīng)變分別為 3.7%、5.13%、7.25%、11.5%，如圖 12所示。

從圖12中可以看出，增大模角能增大坯料的等效應(yīng)變，這正是筆者研究的目的。在擠壓桿載荷、坯料溫度都在合適的范圍內(nèi)時，通過增大模角來提高坯料的變形量。

▲圖12 坯料等效應(yīng)變曲線

3.2.4 磨損

當(dāng)模角為 60°、80°、100°、120°時，擠壓模磨損情況變化如圖 13 所示，其值依次為 19.3 μm、20.1 μm、21.7 μm、22.6 μm。

從圖13中可以看出，磨損量隨模角的增大而增大，但變化幅度不大，并且有減緩的趨勢。可見，通過增大模角能增大坯料的變形量，而且對擠壓模磨損的影響不是很大。

▲圖13 擠壓模磨損量曲線

4 結(jié)論

筆者模擬分析了扭轉(zhuǎn)擠壓模具在不同摩擦因數(shù)和不同模角的情況下，擠壓桿載荷、坯料應(yīng)變、坯料溫度及模具磨損的變化規(guī)律，得出結(jié)論如下。

（1）增大摩擦因數(shù)會增大擠壓桿載荷、坯料變形量、模具磨損量，升高坯料溫度，并且所有變化幅度都比較明顯。如果通過增大摩擦因數(shù)來增大坯料的變形量，其帶來的溫升和磨損較大，不宜采用。與此同時，模具潤滑條件應(yīng)是良好的。

（2）增大模具模角會增大擠壓桿載荷、坯料溫度、模具磨損量，但上述參數(shù)的上升幅度與坯料變形量相比還是比較小的，同時模角大小容易控制，所以通過增大模角來增大坯料的變形量是可行的。