錫基巴氏合金冷擠壓仿真研究

陳 明 張修慶

華東理工大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院 上海 200237

1 研究背景

冷擠壓技術(shù)是一種高精、高效、優(yōu)質(zhì)、低消耗的先進加工技術(shù),在許多工業(yè)國家得到廣泛應(yīng)用[1-2]。隨著現(xiàn)代科技的飛躍發(fā)展,有限元模擬技術(shù)備受青睞,極大提高了工藝設(shè)計的效率和質(zhì)量。目前,DEFORM-3D軟件作為一款成熟的有限元仿真軟件,在金屬塑性成形領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3-4]。錫基巴氏合金具有優(yōu)異的滑動軸承特性,時至今日仍是一種較為理想的軸承材料[5-6]。然而,近些年來隨著機械設(shè)備朝著重載、高速、大型化方向的發(fā)展,錫基巴氏合金在工作過程中逐漸表現(xiàn)出一些不足,如高溫軟化、低速重載潤滑失效、高速變載變形等,在一些特殊條件下已不能完全滿足工業(yè)需求[7-8]。有關(guān)錫基巴氏合金微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能的研究有很多,塑性成形方面的研究則較少[9]。為了使錫基巴氏合金的性能滿足工業(yè)需求,有關(guān)學(xué)者對錫基巴氏合金的擠壓成形進行了研究。Zainulabdeen等[10]探究了錫基巴氏合金在不同壓力下的微觀組織和性能變化,發(fā)現(xiàn)細(xì)化Cu5Sn6硬質(zhì)相可以提升錫基巴氏合金的硬度性能。Yuan等[11]開發(fā)了一種往復(fù)擠壓新工藝,合成精細(xì)、均勻微觀結(jié)構(gòu)的Pb-50 vol.-%Sn合金。戴國水等[12]研究了等通道直角擠壓制取錫碲中間合金和擠壓錠坯、反向擠壓等技術(shù),使錫基巴氏合金晶粒得到充分細(xì)化,組織均勻化,由此具有良好的柔韌性。進行錫基巴氏合金擠壓,可以細(xì)化中間硬質(zhì)相,使組織變得更加均勻,因此,研究錫基巴氏合金的擠壓成形過程及工藝對于錫基巴氏合金的塑性性能提升十分有必要。

筆者運用DEFORM-3D軟件模擬錫基巴氏合金的冷擠壓成形過程,對比不同擠壓速度、不同擠壓模角擠壓工藝下的仿真結(jié)果,得出錫基巴氏合金冷擠壓的最優(yōu)工藝參數(shù),并對不同工藝參數(shù)的凹模進行模具應(yīng)力分析,驗證最優(yōu)工藝參數(shù)的準(zhǔn)確性,為延長冷擠壓模具的壽命提供了依據(jù)。

2 建模

材料牌號為ZSnSb11Cu6,是一種鑄造成型具有減摩特性的錫基巴氏合金[13]。擠壓模型通過Unigraphies NX軟件建立。由于模型形狀對稱,為節(jié)約時間,提升模擬效率,采用全模型的1/4模擬[14-15]。擠壓模型如圖1所示。由于DEFORM-3D軟件自帶的材料庫中沒有ZSnSb11Cu6材料,因此需要導(dǎo)入材料數(shù)據(jù),見表1。擠壓模擬最重要的數(shù)據(jù)是材料的真實應(yīng)力應(yīng)變曲線,對材料進行拉伸試驗,材料的真實應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示。

▲圖1 擠壓模型▲圖2 材料真實應(yīng)力應(yīng)變曲線

表1 材料數(shù)據(jù)

錫基巴氏合金坯料為圓棒,直徑為98 mm,長為60 mm。坯料假設(shè)為塑性體,模具設(shè)置為剛性體,進行冷擠壓時設(shè)定擠壓溫度為20 ℃。錫基巴氏合金的摩擦因數(shù)有油時為0.005,無油時為0.28,設(shè)置坯料和上下模具之間的摩擦因數(shù)為0.005[16]。總模擬步數(shù)設(shè)置為100,按照最小網(wǎng)格尺寸的1/5來確定步長,為0.412 mm[17]。用相對尺寸進行模型網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)為12 000,節(jié)點數(shù)為2 255,最小網(wǎng)格尺寸為2.06 mm。

3 仿真結(jié)果

3.1 擠壓速度

坯料擠壓速度的選擇對冷擠壓過程尤其重要,通常速度過快或者過慢都會對模具壽命及產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生影響[18]。筆者通過五組擠壓速度0.5 mm/s、1 mm/s、3 mm/s、5 mm/s、7 mm/s來模擬擠壓過程,探究不同擠壓速度時模具受載情況及坯料等效應(yīng)力應(yīng)變的變化情況[19]。不同擠壓速度下坯料的受載行程曲線如圖3所示,載荷峰值如圖4所示。可以看出,隨著擠壓速度增大,模具所受載荷隨行程的變化越來越劇烈,載荷峰值隨速度的增大呈現(xiàn)先減小后增大。最佳擠壓速度為3 mm/s,此時擠壓件所受載荷較小,模具受力較小。速度的增大導(dǎo)致坯料與模具之間接觸變得頻繁,使兩者之間存在的摩擦變得劇烈,擠壓力會相應(yīng)增大,所以模具受載也會相應(yīng)增大。在擠壓過程中,最大等效應(yīng)力、應(yīng)變見表2。當(dāng)擠壓速度為3 mm/s時,坯料所受的最大等效應(yīng)力較小,為87.1 MPa,此時的最大等效應(yīng)變?yōu)?.08。不同擠壓速度下的等效應(yīng)力、應(yīng)變云圖分別如圖5、圖6所示。可以看出,擠壓速度增大,坯料表面的等效應(yīng)變分布變得越來越不均勻,這是因為隨著擠壓速度增大,坯料與凹模在擠壓過程中的摩擦變得越來越劇烈。通過對比五組不同擠壓速度下的最大等效應(yīng)力、應(yīng)變可以看出,當(dāng)擠壓速度設(shè)置為3 mm/s時,應(yīng)力分布均勻,坯料表面的最大等效應(yīng)力、應(yīng)變較小。綜合比較,當(dāng)擠壓速度設(shè)置為3 mm/s時,成形較好。

▲圖3 不同擠壓速度下坯料受載行程曲線

▲圖4 坯料載荷峰值

▲圖5 不同擠壓速度下等效應(yīng)力云圖▲圖6 不同擠壓速度下等效應(yīng)變云圖

▲圖7 不同擠壓模角下坯料受載行程曲線

表2 不同擠壓速度下最大等效應(yīng)力、應(yīng)變

3.2 擠壓模角

擠壓模角這一參數(shù)在坯料冷擠壓中十分重要,當(dāng)擠壓比一定時,擠壓模角增大,金屬流動變得不均勻,使擠壓力增大[18]。筆者設(shè)置擠壓速度為3 mm/s,選用五組擠壓模角40°、45°、50°、55°、60°進行模擬[20],然后進行分析。不同擠壓模角下的坯料受載行程曲線如圖7所示。可以看出,當(dāng)擠壓模角增大時,凹模承受的載荷也在增大。這是因為擠壓模角增大,在塑形變形區(qū)域?qū)饘俚牧鲃酉拗谱兇?從而導(dǎo)致阻力和載荷增大。當(dāng)擠壓模角為45°時,峰值載荷相對較小,增大或者減小擠壓模角都會使載荷增大。坯料表面在不同擠壓模角下受到的最大等效應(yīng)力、應(yīng)變見表3。可以看出,擠壓模角為40°～60°,坯料受到的最大等效應(yīng)力在87 MPa～91 MPa之間;當(dāng)擠壓模角為45°時,最大等效應(yīng)力為87.1 MPa,最大等效應(yīng)變?yōu)?.08,均為最小。不同擠壓模角下的等效應(yīng)力、應(yīng)變云圖分別如圖8、圖9所示。可以看出,坯料所受等效應(yīng)變較小,且分布均勻的擠壓模角為45°,可以初步作為本次模擬的最佳擠壓模角。

▲圖8 不同擠壓模角下等效應(yīng)力云圖▲圖9 不同擠壓模角下等效應(yīng)變云圖▲圖10 不同擠壓速度下凹模等效應(yīng)力云圖

表3 不同擠壓模角下最大等效應(yīng)力、應(yīng)變

4 模具應(yīng)力分析

為驗證最優(yōu)工藝參數(shù)的準(zhǔn)確性,筆者對不同擠壓速度和不同擠壓模角的凹模所受應(yīng)力進行分析。應(yīng)用DEFORM-3D軟件,可以通過兩種方法進行模具應(yīng)力分析。第一種是將模具視為變形體,計算效率低。第二種是在坯料擠壓成形時將模具視為剛性體,完成擠壓成形后將模具視為彈性體,再選取分析步,用插值法將成形結(jié)束最后一步的力映射到模具節(jié)點,得到模具的應(yīng)力分布情況[21-22]。筆者采取第二種方法。模具材料為H-13鋼,容差值設(shè)為0.1,不同擠壓速度下凹模受到的等效應(yīng)力云圖如圖10所示。可以看出,當(dāng)擠壓速度為3 mm/s時,凹模受到的等效最大應(yīng)力為389MPa,在五組擠壓速度中最小,模具的使用壽命相對更長。設(shè)定擠壓速度為3 mm/s,不同擠壓模角下凹模的等效應(yīng)力云圖如圖11所示。可以看出,擠壓模角為45°時凹模的最大等效應(yīng)力最小。模具應(yīng)力分析表明,設(shè)定最優(yōu)工藝參數(shù)擠壓速度3 mm/s、擠壓模角45°,具有一定的準(zhǔn)確性,對于實際生產(chǎn)有一定參考意義。

▲圖11 不同擠壓模角下凹模等效應(yīng)力云圖

5 結(jié)束語

筆者應(yīng)用DEFORM-3D軟件對ZSnSb11Cu6錫基巴氏合金的冷擠壓過程進行模擬,對不同擠壓速度、不同擠壓模角下的模具載荷和等效應(yīng)力、應(yīng)變分布進行對比分析。結(jié)果表明,隨著擠壓速度的增大,模具載荷增大;隨著擠壓模角的增大,模具載荷同樣增大。等效應(yīng)力幾乎不受擠壓速度的影響,而當(dāng)擠壓速度增大時,等效應(yīng)變分布變得不均勻。當(dāng)擠壓模角增大時,等效應(yīng)力不斷增大,等效應(yīng)變變化不大。對凹模進行受力分析,并且綜合考慮模擬中的模具載荷和等效應(yīng)力、應(yīng)變,可以得到當(dāng)擠壓速度為3 mm/s,擠壓模角為45°時,ZSnSb11Cu6錫基巴氏合金的冷擠壓成形效果較好,擠壓模具使用壽命較長。