鋁擠壓機壓余剪切過程有限元模擬?

邢建斌，王麗薇，解文科

（1.太原重工股份有限公司，山西 太原 030024；2.太重 （天津）濱海重型機械有限公司 技術(shù)中心，天津 300452）

0 引言

在鋁擠壓機上，當一次擠壓終了，擠壓制品同壓余必須分離，這一過程由壓余分離剪（即主剪）來完成［1］。在主剪剪切壓余過程中，受力形式既有擠壓，又有剪切，同時還伴有摩擦。與一般的金屬塑性成形不同，壓余剪切時材料不斷產(chǎn)生分離，其對應(yīng)的數(shù)值模擬求解廣泛采用更新的Lagrange形式，且需有一定的斷裂準則，而斷裂準則只有真實地反映剪切材料的力學(xué)和物理性質(zhì)才能得到合理的結(jié)果，如切口形狀和尺寸、剪切力和應(yīng)力分布等［2］。目前，人們提出的斷裂準則分為兩種類型：幾何準則和物理準則。幾何準則主要是通過變形體的幾何尺寸變化來判斷分離與否；而物理準則主要是基于制定的一些物理量是否達到了臨界值而建立的，如等效塑性應(yīng)變準則、應(yīng)變能量密度準則和斷裂應(yīng)力準則等。Crockroft ＆Latham斷裂準則屬物理準則，其考慮到斷裂與拉伸主應(yīng)力有關(guān)，認為對于一給定材料，在一定的溫度、應(yīng)變速率下，當最大拉伸應(yīng)力－應(yīng)變能達到一臨界值時斷裂產(chǎn)生。由于該準則很容易被有限元代碼實現(xiàn)，因此獲得了廣泛應(yīng)用［3－5］。本文正是基于Forge軟件和Crockroft ＆Latham斷裂準則對壓余剪切過程進行數(shù)值模擬，旨在確定剪切力變化規(guī)律，以及剪切速度和壓余厚度對最大剪切力的影響。

1 建模

1.1 幾何模型

坯料直徑為Φ460mm，壓余厚度為20mm。主剪剪刀與模具間隙1mm。利用SolidWorks軟件建立坯料、模具和主剪剪刀的三維實體模型，將其另存為.STL格式后導(dǎo)入Forge軟件。壓余剪切的三維實體模型如圖1所示。

1.2 有限元模型

選定鋁擠壓機擠壓工況，材料為7075鋁合金，材料特性文件為AlZn5，6Mg2，5Cu1，5.tmf；摩擦文件選為high.tff；斷裂準則文件為Latham ＆Cockroft Normalized.uvf3，觸發(fā)值為0.2；壓余溫度θ0＝400℃，模具溫度為400℃。主剪剪切速度v＝100mm/s，總行程H＝460mm。壓余網(wǎng)格劃分采用四面體單元。由于壓余剪切是典型的局部變形過程，因此剪刀口附近的材料會發(fā)生大變形，為保證計算收斂和提高計算精度，將壓余與剪刀口接觸附近的網(wǎng)格進行局部細化，細化區(qū)間總長度取為壓余厚度的兩倍，即40mm，細化區(qū)間分3段，各段長度分別為10mm、20mm和40mm，對應(yīng)的單元尺寸分別為5mm、10mm和20 mm，如圖2所示。

圖1 壓余剪切的三維實體模型

圖2 壓余網(wǎng)格單元

2 結(jié)果分析

2.1 剪切力變化

在剪切過程中，剪切力變化呈拱形，大體可分3個階段，即上升、穩(wěn)定和下降，如圖3所示。在剪切初始階段，剪切力緩慢上升；接近坯料1/3直徑處，剪切力步入穩(wěn)定階段；至坯料直徑處，達到最大，其值為1MN，隨后至坯料約5/6直徑處，剪切力開始急速下降。

2.2 剪切力影響因素分析

在鋁擠壓生產(chǎn)過程中，壓余剪切速度未占用非擠壓時間，因此，對剪切速度并沒有特殊要求，僅需滿足剪切動作平穩(wěn)即可。通常情況下，壓余剪切速度為100mm/s～150mm/s?；谏鲜瞿Ｐ?，調(diào)整剪切速度分別為110mm/s、120mm/s、130mm/s、140mm/s和150mm/s，模擬結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，隨剪切速度增加，最大剪切力呈現(xiàn)小幅波動，與平均值相比，波動幅值范圍不超過2.4%。

壓余厚度與合金種類、擠壓方法、擠壓筒直徑、制品直徑或厚度有關(guān)，一般根據(jù)經(jīng)驗確定，通常可以沿坯料長度方向取距坯料表層1mm～2mm深的體積對壓余厚度L進行折算。為獲取壓余厚度對最大剪切力的影響，基于上述模型，調(diào)整剪切速度為150mm/s，設(shè)定壓余厚度L分別為30mm、40mm、50mm和60mm，模擬結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，隨著壓余厚度的增加，最大剪切力呈線性增加，壓余厚度每增加10mm，最大剪切力增幅約為15%。

圖3 壓余剪切力

圖4 不同剪切速度下的壓余最大剪切力

圖5 不同壓余厚度時的壓余最大剪切力

3 驗證

剪切力大小取決于被切金屬的性質(zhì)、截面面積和剪切時的溫度。7075鋁合金在400℃時的抗拉強度約為105MPa［6］。對于塑性材料，許用剪切應(yīng)力［τ］與許用拉應(yīng)力［σ］存在如下關(guān)系：

最大剪切力FQmax計算公式如下：

其中：A為坯料橫截面積。通過計算，最大剪切力為1.04MN～1.40MN，而模擬最大剪切力為1.01MN～1.66MN。由此可知，估算壓余最大剪切力時，若壓余厚度較小，許用剪切應(yīng)力取低值，與模擬結(jié)果吻合較好；壓余厚度較大時，許用剪切應(yīng)力應(yīng)盡量取高值，甚至可以用許用拉應(yīng)力代之。

4 結(jié)論

利用Forge軟件，對某規(guī)格7075鋁合金擠壓壓余剪切過程進行了數(shù)值模擬，得到了剪切力的變化曲線，分析結(jié)果表明：隨剪切行程增加，剪切力呈拱形變化；剪切速度在一定范圍內(nèi)變化時，最大剪切力僅存在小幅波動，幾乎保持不變；壓余厚度與最大剪切力呈線性關(guān)系，壓余厚度每增加10mm，最大剪切力增幅約為15%。

［1］魏軍.金屬擠壓機［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

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