靜液擠壓及普通擠壓過程數(shù)值模擬對比研究（下）

文/張潤輝，杜晟強，昝祥·合肥工業(yè)大學材料科學與工程學院

靜液擠壓及普通擠壓過程數(shù)值模擬對比研究（下）

文/張潤輝，杜晟強，昝祥·合肥工業(yè)大學材料科學與工程學院

《靜液擠壓及普通擠壓過程數(shù)值模擬對比研究（上）》見2016年第7期

結(jié)果及分析

模角對普通擠壓和靜液擠壓過程擠壓壓力的影響

擠壓壓力隨著模角變化主要是受凹模內(nèi)壁和坯料之間的摩擦力及凹模入口處切向變形力兩種因素影響。模角越小，坯料在入口初始變形量越小，因此克服切向滑移變形力所做的功越??；但隨著模角的減小，凹模內(nèi)壁和坯料之間接觸面積會增大，因此克服摩擦力所做的功也會增大。在兩種擠壓的過程中由于兩個因素同時存在會產(chǎn)生擠壓壓力最小的最佳模角。不同模角對普通擠壓和靜液擠壓擠壓力的影響如圖5所示。

圖5 擠壓壓力隨模角變化規(guī)律

由圖5可知，隨著模角變大，兩種不同擠壓工藝所需擠壓力均出現(xiàn)先減小后增大的趨勢，在模角2α=40°時均有最小擠壓壓力。但隨著模角繼續(xù)增大到2α=60°，普通擠壓所需擠壓壓力急速上升，可知模角過大對普通擠壓工藝有較大影響。相同模角下靜液擠壓過程所需擠壓壓力均明顯小于普通擠壓，可知摩擦系數(shù)的降低會減小擠壓過程中所需的擠壓壓力。

擠壓比對靜液擠壓和普通擠壓過程應力應變場影響

當凹模模角2α=40°及摩擦因數(shù)（0、0.05）不變時，對不同擠壓比（λ=4，6，9）下靜液擠壓過程進行數(shù)值模擬，不同擠壓比對坯料靜液擠壓過程應力應變影響如圖6所示。

圖6 不同擠壓比對靜液擠壓過程應力應變影響

從圖6軸向應力圖中可以看出，坯料所受軸向應力、徑向應力、周向應力均逐漸從入口壓應力過渡到出口拉應力，坯料出口外表面和中心部分均存在拉應力區(qū)，隨著擠壓比增大，拉應力區(qū)有不斷減小的趨勢。同時隨著擠壓比增大，軸向壓應力值不斷增大、軸向拉應力值不斷減小，由此可見增大擠壓比可以降低裂紋產(chǎn)生的幾率。從徑向應力圖可看出隨著擠壓比增大，同樣出現(xiàn)壓應力值不斷增大、拉應力值不斷減小的現(xiàn)象，凹模入口變形區(qū)域壓應力梯度變化也隨之增大。從周向應力圖可看出，出口端面處拉應力區(qū)域及拉應力最大值均隨著擠壓比增大而減小，壓應力最大值隨著擠壓比增大而增大。由以上分析可知在相同的模角和摩擦因數(shù)條件下，增大擠壓比有助于防止表面和中心裂紋的產(chǎn)生。從等效應變圖中可看出，隨著擠壓比增大，等效應變逐漸增大，當擠壓比λ=9時，出口拐角處應變梯度變化最大。

當凹模模角2α=40°及摩擦因數(shù)為（0.2、0.1）不變時，對不同擠壓比（λ=4，6，9）下普通擠壓過程進行數(shù)值模擬，不同擠壓比對坯料普通擠壓過程應力應變影響如圖7所示。由圖7可知，與靜液擠壓相似，普通擠壓情況下坯料在入口段所受三向壓應力逐漸過渡到出口三向拉應力，且隨著擠壓比增大呈現(xiàn)出壓應力不斷增大、拉應力不斷減小的趨勢，但拉應力區(qū)域隨擠壓比增大而減小現(xiàn)象不明顯，等效應變的最大值及其梯度變化均隨著變形量增大而增大。

由圖6、圖7比較可得，在相同擠壓比情況下，普通擠壓過程中產(chǎn)生拉應力區(qū)域相較于靜液擠壓增大較為明顯，靜液擠壓工藝因摩擦系數(shù)大幅度降低而減少了裂紋現(xiàn)象的產(chǎn)生。此外，普通擠壓過程中變形區(qū)壓應力值的顯著提高會導致應力分布更加不均勻。

圖7 不同擠壓比對普通擠壓過程應力應變影響

擠壓比對普通擠壓和靜液擠壓過程擠壓壓力的影響

當凹模模角2α=40°時，擠壓比對擠壓壓力的影響規(guī)律為兩種擠壓工藝所需擠壓壓力均隨著擠壓比增大而增大，且普通擠壓增大趨勢更為明顯。在相同模角情況下，靜液擠壓所需擠壓壓力均小于普通擠壓所需擠壓壓力。

結(jié)論

⑴由于靜液擠壓過程坯料與筒壁不直接接觸及高壓介質(zhì)在凹模處的動力潤滑作用使得擠壓過程摩擦因數(shù)大幅度降低，從而減少了表面及心部裂紋產(chǎn)生的幾率，有助于提高材料表面質(zhì)量。

⑵擠壓壓力隨著擠壓比的增大不斷提高，隨著凹模模角增大出現(xiàn)先減小后增大現(xiàn)象，并存在一個最佳模角使得擠壓壓力最小。

⑶相同模角、擠壓比情況下，靜液擠壓所需擠壓壓力均小于普通擠壓。