基于ANSYS的拉絲過程有限元仿真研究

梁瑞，馬春翔

(上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240)

0 引言

拉絲是絲材生產的主要方式，在鋼絲的拉絲加工過程中，需要進行模具的設計，其中模具的入口角度、定徑帶長度、出口角度和拉絲的拉拔力與質量有密切關系。超聲波拉絲是超聲波在塑性加工中的一個運用，前人的研究表明，加入超聲波后，平均拉拔力明顯降低，拉拔質量明顯提高，傳統拉絲工藝難以加工的材料可以在超聲波拉絲工藝中加工，因此受到了國內外各界的廣泛關注[1-2]。用實驗的方法進行研究需要大量的成本，而有限元仿真可以節省物力、人力和時間，已經成為非常重要的研究手段[3]。

1 建立有限元模型

1.1 建立三維模型

根據某企業中的一個具體拉絲產品建立三維模型，模型尺寸如圖1所示。由于模型是對稱的，取實體的1/4進行仿真[4]。

1.2 簡化與假設

拉絲過程非常的復雜，而ANSYS計算能力有限，對拉絲過程的仿真必須進行一定的合理簡化與假設：1) 拉絲模由硬質合金制成，相對于要加工的鋼絲硬度非常高，所以假設拉絲模為剛體[4]；2) 拉絲模和鋼絲之間的摩擦符合庫侖定律[5]；3) 不考慮溫度對拉絲的影響；4) 鋼絲為均勻連續的各向同性材料，且滿足體積不變定律[6]。

圖1 拉絲模型的二維剖視圖

1.3 建立材料模型

鋼絲的彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3，密度為7.81×10-6kg/mm3，拉絲模和鋼絲之間的摩擦因數為0.05。材料采用MISO多線性等向強化模型[7]。

1.4 定義單元類型

根據實際情況，鋼絲選用的單元類型為SOLID185；目標面單元類型為TARGE170，接觸面單元類型為CONTA174[8]。

1.5 劃分網格

對鋼絲劃分網格時，采用掃掠的方式進行網格劃分，任何單元的任何邊長≤0.1mm，網格劃分如圖2所示。鋼絲有限元模型共有單元1550個，節點2142個。

圖2 網格劃分

1.6 定義接觸對

拉絲加工中的接觸屬于剛體與柔體接觸，又屬于面和面接觸[9]。

1.7 約束條件

不加超聲波時，拉絲模的所有自由度為0；加超聲波后，拉絲模和鋼絲只有沿軸向的自由度，其他方向的自由度被約束。

1.8 添加載荷

不加超聲波時，拉絲模的所有自由度為0，只需在鋼絲的前端面上添加位移載荷。拉絲速度設定為V=100mm/s，仿真開始時鋼絲在軸向的速度為0，如果第1個載荷步的速度就設為100mm/s的高速，由于速度突然跳躍太大，最后仿真的結果完全失真。鋼絲前端面從0移動到0.5mm的過程，速度從0開始進行勻加速加載。

V=at

(1)

(2)

其中：速度V=100mm/s；位移S=0.5mm。通過式(1)、式(2)可以求出鋼絲前端移動到0.5mm時的時間t=0.01s，加速過程的加速度a=10000mm/s2。

超聲波是正弦波，但為了添加方便，減少計算量，采用同頻率、同振幅、同相位的三角波來代替[10]，超聲波的頻率為20kHz[4]，振幅為0.008mm。

不加超聲波和加超聲波的區別在拉拔到0.5mm，即進入正常拉拔狀態以后，不加超聲波則拉絲模固定不動，加了超聲波則拉絲模要以超聲波的頻率和振幅振動。鋼絲前端面從0mm移動到0.5mm的過程，每隔0.001s添加1個載荷步，共10個載荷步。仿真拉拔過程有11個載荷步。本次仿真采用的是瞬態動力學分析的完全法，使用“同步加載，多步求解”的方法[4]，具體的載荷加載如表1所示。

表1 載荷加載表

2 求解

在軟件中操作時，先定義一次求解設置，再定義一次載荷，最后存儲1個載荷步，所有載荷步都定義好以后，一次性計算所有載荷步。

3 結果分析

鋼絲的前部分軸向應力均勻，各個節點的應力差異很小，可認為應力是相同的。軸向應力乘以橫截面就是拉拔力，該部位為拉絲完成的部分，橫截面不變，即軸向應力和拉拔力有一個準確的對應關系，為了直觀展示研究結果，所有結果均查看軸向應力的大小和變化。

3.1 無超聲波時3個因素的正交試驗

以模具的入口角度、定徑帶長度、出口角度為3個因素，取5個水平設計正交試驗，選擇L25(56)正交試驗表，只有3個因素，所以只用前面3列。模具的入口角度有7°、9°、11°、13°、15°，定徑帶長度有0.3mm、0.5mm、0.7mm、0.9mm、1.1mm，出口角度有55°、65°、75°、85°、95°。正交試驗排列、試驗結果如表2所示。

表2 無超聲波的正交試驗

從入口角度對應的K1-K5可以看出隨著入口角度的增大，拉拔力先急劇減小，然后趨于穩定，入口角度為13°時，拉拔力最小；從定徑帶長度對應的K1-K5可以看出隨著定徑帶長度的增加，拉拔力增加，定徑帶長度為0.3mm時，拉拔力最小；從出口角度對應的K1-K5可以看出隨著出口角度的增加，拉拔力沒有明顯的變化。所以最佳正交組合為入口角度13°，定徑帶長度0.3mm，出口角度95°。由極差R可知影響拉拔力的順序為入口角度>定徑帶長度>出口角度，入口角度和定徑帶長度對拉拔力的影響很大，出口角度對拉拔力的影響很小。

3.2 加超聲波時3個因素的正交試驗

和沒有超聲波時的正交試驗設置完全一樣。在超聲波拉拔中，由于拉拔力變化幅度太大，很難讀取平均拉拔力的準確數值，所以加入超聲波以后，選擇最大拉拔力為仿真結果來研究。正交試驗排列、試驗結果和結果分析如表3所示。從入口角度對應的K1-K5可以看出隨著入口角度的增大，拉拔力先急劇減小，然后趨于穩定，入口角度為13°時，拉拔力最小；從定徑帶長度對應的K1-K5可以看出，隨著定徑帶長度的增加，拉拔力整體上一直在增加，定徑帶長度為0.3mm時，拉拔力最小；從出口角度對應的K1-K5可以看出，隨著出口角度的增加，拉拔力沒有明顯的變化，出口角度為65°時，拉拔力最小。所以最佳正交組合為入口角度13°，定徑帶長度0.3mm，出口角度65°。由極差R可知影響拉拔力的順序為入口角度>定徑帶長度>出口角度，入口角度和定徑帶長度對拉拔力的影響都很大，而出口角度對拉拔力幾乎沒有影響。

表3 有超聲波的正交試驗

續表3

13號試驗中，鋼絲前部分的軸向應力隨時間的變化關系如圖3所示。從圖3可以看出，加入超聲波后，平均應力約為180MPa，大約是沒有加超聲波時平均拉拔力的一半。

圖3 鋼絲前部分的軸向應力隨時間變化圖

4 結語

1) 無論是無超聲波拉絲還是有超聲波拉絲，模具的入口角度對拉拔力的影響都是隨著模具入口角度的增大，拉拔力先急劇減小，然后趨于穩定，當模具入口角度為13°時拉拔力最小。絲材尺寸、絲的材料、拉拔速度等因素不同，可能最佳入口角度不同，應該根據具體情況重新仿真。

2) 無論是無超聲波拉絲還是有超聲波拉絲，模具的定徑帶長度對拉拔力的影響都是整體上隨著定徑帶長度的增加，拉拔力也在增加，當模具定徑帶長度為0.3 mm時拉拔力最小。模具定徑帶長度過小，會在拉絲過程中損壞模具，所以模具定徑帶長度應該在保證強度的前提下盡可能小。

3) 無論是無超聲波拉絲還是有超聲波拉絲，模具的出口角度對拉拔力幾乎都沒有影響，研究拉拔力以及設計拉絲模具時可以不用關心出口角度。

4) 加入超聲波以后，平均拉拔力相對于沒有加超聲波之前減少了一半，可見超聲波用于拉絲能產生明顯的價值。