汽车用镁合金零件的成形工艺模拟分析

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欢迎访问e展厅 展厅 10 锻压/冲压/轧制设备展厅 压力机, 空气锤, 锻压机床, 单柱液压机, 四柱液压机, ... 1．引言 镁合金是工业应用中最轻的金属结构材料之一，具有较高的比强度、比刚度以及良好的铸造、切削加工和尺寸稳定性等性能，在航空工业和汽车工业中得到广泛应用。近年来，镁合金冶炼技术的发展使材料质量不断提高，成形技术的进步使生产成本得以下降。变形镁合金所具有良好综合性能，得到了汽车工业、电子等行业的青睐，随着成形技术的日趋完善，其应用前景十分看好。同时，全球各国的大型企业、研究机构大都使用了不同的模拟软件对所要研究和开发的产品、新技术等进行预先的模拟。数值模拟已经成为塑性成形必不可少的一个重要分析方法，为金属塑性成形研究的成功打下了坚实的基础。 2．刚塑性有限元的理论基础 刚塑性有限元法的理论基础是刚塑性材料变分原理，它认为：在所有动可容的速度场中，使能量泛函取得驻值的速度场就是真实的速度场。用刚塑性材料模式进行变形分析时，为了克服体积不可压缩条件θ=0所引起的应力计算困难，一般采用在泛函式中引人Lagrange乘子或一个惩罚项来消除体积不可压缩条件。拉格郎日乘子法利用乘子将体积不可压缩条件引入位能泛函，采用修正的罚函数法，即在罚函数法的基础上，将要求体积应变速率在单元内处处很小的条件，放松成单元内的平均值很小，因此，具有较好的稳定性。用刚塑性有限元求解大变形问题时，材料应满足下列假设：①忽略材料的弹性变形；②材料的本构关系为Levy-Mises方程；③材料均质且各向同性；④材料变形过程中体积不变；⑤不计体积力和惯性力；⑥加载条件（加载面）给出刚性区与塑性区的界限。 3．挤压工艺的确定及有限元模拟分析 3.1成形的数值模拟 由挤压件图（图1）分析，零件为轴对称盘类零件，为了提高生产效率，降低成本及能源消耗，拟采用正、反和镦挤同时进行的一次挤压成形工艺。本文采用Superform软件对此工艺的可行性加以验证，分别对摩擦系数、凹模圆角、成形温度、变形速度进行了模拟分析。由于工件是轴对称件，所以选取零件的一半进行模拟分析（图2）。 3.2模拟分析 3.2.1摩擦系数对成形的影响 在其他变形条件相同的情况下，摩擦条件的改变对工件内等效应变的分布情况影响不显著，但是随着摩擦系数的增大，与模具相接触的工件区域大小基本不变，工件内部大变形区域随着摩擦条件的恶化而扩大，工件内变形不均匀的趋势加剧（图3）。这是因为工件表面摩擦条件的恶化导致工件表层金属的流动性能下降，模具型腔的充填完全依赖工件内部的金属流动来实现。但是由于等温挤压工艺中工件内部金属的流动性能较好，随着表面摩擦条件的恶化，工件内部具有最大等效应力的区域，虽然也随着摩擦因子的增大而扩大，但整体上摩擦的影响不显著。 3.2.2凹模圆角对成形的影响 根据现有设备及条件，采用在400℃下，摩擦系数0.15，凸模运动速度0.6mm/s的条件下，对AZ31材料挤压进行模拟，发现凹模如图2中所列出的三个圆角R1，R2，R3是影响成形的主要因素。当R2取值≤5mm时，向③区域流动金属的缝隙过小导致在③区域内发生填充不满现象，当R2取值>6mm时，则盘形部分成形过早完成同样导致③区域填充不足；当R3取值>4mm时在①区域发生金属叠加现象（图4），这是因为③区域为最后充满的区域，当其他区域充满时，向③区域流动的金属会突然加速，由于R2取值过大导致①区域金属流动速度大于⑥区域的流动速度，流人①区域的金属少于流出的金属，这样一来在R1处的金属和模具俩次分离流向③区域，随着③区域金属不断增加，金属流动速度降低，⑥区域的金属慢慢填补①区域流走金属所留下的空隙，从而发生了金属叠加现象；当R3取值<4mm时，流向③区域的金属流动速度过慢，导致成形困难；当Rl取值>5mm时，会在②区域发生金属叠加现象（图5），这是因为当其他区域充满时，向③区域流动的金属会突然加速，由于R1取值过大，金属流动速度增加得太快，导致④区域金属向②区域流动与⑥区域流进来的金属发生叠加，当R1取值<5mm时，③区域成形困难。通过模拟发现当RI取5mm，R2取6mm，R3取4mm时工件成形比较均匀，是凹模的最佳取值方案（图6）。 3.2.3变形温度的影响 在200℃、300℃、350℃、380℃、400℃五种不同温度下，采用相同参数对其进行挤压模拟（摩擦系数0.15、凸模运动速度为默认值）。由图7可知当温度从200℃升高到300℃时，挤压力降低很大；温度从300℃到400℃范围内挤压力变化不大。但从图8可知随着温度的升高，挤压时的等效应力有明显的降低，那么挤压时所做的功就少，当温度在380℃-400℃范围内时，等效应力也不再发生变化。总体来看，温度升高对变形是有利的。 3.2.4凸模运动速度（变形速度）的影响 变形速度在1mm/s，5mm/s，8mm/s，10mm/s，15mm/s下，采用相同参数对其进行了挤压模拟（摩擦系数0.15、温度380℃）。由图9可以看出，随着变形速度的增加，挤压力抗力没有发生明显变化，但是当变形速度超过10mm/s时，变形抗力会突然增加，这说明镁合金不适合在较高速度下变形。只要保证在一定的速度范围内，提高变形速度可以有效地提高生产效率。 4．结论 （1）对摩擦系数的模拟表明，摩擦系数每降低或增加0.1，挤压时所需的最大挤压力降低或增加5%-10%，因此，良好的润滑能极大的降低挤压力。 （2）在成形过程中，凹模圆角半径为R1=5mm，R2=6mm，R3=4mm时，能保证模腔完全充满，内壁不会出现缩颈现象，凸模台阶式结构能够降低挤压力，同时改善挤压效果。 （3）在成形过程中，在其他条件相同的情况下，随着变形温度的升高，变形趋于均匀化，等效应力随之减小，其分布也趋于均匀化。随着变形速度的增大，可以使变形趋于均匀化，但变形速度过大会加剧变形的不均匀性，等效应力随之增大，而且分布的不均匀性加大。 （4）通过模拟可知一次挤压成形是可以实现的，同时了解了在成形全过程的金属流动情况，为实际生产提供了有利的技术条件，起到了指导生产的作用。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (8/21/2006)