ANSYS斜端面組合凹模CAE分析

2013-08-14 by:廣州Ansys中心來(lái)源:仿真在線

ANSYS斜端面組合凹模CAE分析

1 前言

金屬冷擠壓成形就是在室溫下以強(qiáng)大的壓力和一定速度把放入模腔里的金屬坯料擠出,獲得所需零件的過(guò)程。凹模是擠壓模具的關(guān)鍵部件,金屬冷擠壓時(shí)模具受到的單位擠壓力很大,目前工程上常采用預(yù)應(yīng)力組合凹模來(lái)提高模具承載能力。很多學(xué)者在預(yù)應(yīng)力組合凹模研究方面已做了不少有益的工作,工藝革新持續(xù)不斷,模具新鋼種推陳出新,新型結(jié)構(gòu)也相繼出現(xiàn)。但其所做工作均是針對(duì)平端面組合凹模的,在斜端面凹模研究方面涉及甚少。本文旨在通過(guò)平端面組合凹模和斜端面組合凹模對(duì)比分析來(lái)研究斜端面組合凹模應(yīng)力規(guī)律,指出在其他條件相同的情況下,采用斜端面組合凹模能提高其承載能力。

2 組合凹模參數(shù)化模型的確定

這里以自行車(chē)倒牙鋼碗(三層組合凹模)為例進(jìn)行研究,已知參數(shù)有:承受內(nèi)壓Pi=1609MPa,凹模內(nèi)直徑d1=40mm,內(nèi)層凹模材料W6Mo5Cr4V2,許用應(yīng)力[σ1]=2400MPa、預(yù)應(yīng)力圈材料30CrMnSi,許用應(yīng)力[σ2]=[σ3]=900MPa,彈性模量E=2.1x10*5MPa,泊松比r=0.3。根據(jù)結(jié)構(gòu)等強(qiáng)度優(yōu)化理論,利用拉美公式優(yōu)化得出凹模各層尺寸及層間過(guò)盈量的大小。

根據(jù)以上參數(shù),本文基于通用有限元軟件ANSYS建立了包含組合凹模端面傾角α在內(nèi)的參數(shù)化軸對(duì)稱(chēng)有限元模型在其內(nèi)層與中層、外層與外層之間分別建立了面面接觸的接觸對(duì),使用增廣拉格朗日法施加接觸協(xié)調(diào)條件。

3 平端而組介凹模有限元分析

預(yù)緊狀態(tài)是凹模未受工作內(nèi)壓作用時(shí)的狀態(tài),即預(yù)應(yīng)力狀態(tài);合成狀態(tài)是凹模工作時(shí)受預(yù)應(yīng)力和工作內(nèi)壓聯(lián)合作用的狀態(tài)。平端面組合凹模預(yù)緊與合成兩種狀態(tài)下各層變形量與應(yīng)力情況。

3 預(yù)緊時(shí)組合凹模的變形位移及應(yīng)力

從表2可以看出,預(yù)應(yīng)力對(duì)內(nèi)層凹模的壓縮作用是它產(chǎn)生-X方向位移的原因,其變形最大位移出現(xiàn)在內(nèi)層凹模外壁處;中間層的內(nèi)壁受到擴(kuò)張的力,而外壁受到壓縮的力,故其位移從內(nèi)壁到外壁逐漸從0.037511mm過(guò)渡到-0.007624mm;外層凹模的受力相當(dāng)于只受內(nèi)壓的厚壁圓筒,它的徑向位移沿著+X方向,最大值在外層凹模的內(nèi)壁處.

預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下組合凹模徑向應(yīng)力為壓應(yīng)力,徑向最大壓應(yīng)力的值出現(xiàn)在內(nèi)層外壁與中間層內(nèi)壁接觸處;從最大值處向凹模內(nèi)壁與外壁擴(kuò)展,其徑向應(yīng)力基本上有逐漸減小的趨勢(shì),直至為零。

預(yù)緊狀態(tài)下組合凹模的切向應(yīng)力出現(xiàn)兩個(gè)較大值,其中一個(gè)是最大壓應(yīng)力,出現(xiàn)在內(nèi)層凹模內(nèi)壁處;另一個(gè)是最大拉應(yīng)力,出現(xiàn)在外層凹模內(nèi)壁處。中間層的切向應(yīng)力自?xún)?nèi)壁到外壁從壓應(yīng)力逐漸過(guò)渡到拉應(yīng)力。

上述分析結(jié)果與理論規(guī)律完全吻合,也說(shuō)明了有限元分析的可靠性。

3.2 合成時(shí)組合凹模的變形位移及應(yīng)力

同樣地,從表2可以看出凹模工作時(shí)受內(nèi)壓影響,其位移整體向+X方向偏移.凹模位移最大值仍出現(xiàn)在外層的內(nèi)壁處,但就預(yù)緊與合成狀態(tài)的比較來(lái)看,凹模內(nèi)壁處的徑向位移由負(fù)變?yōu)檎?且正值達(dá)到0.122043mm,故在模具設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮內(nèi)壓和預(yù)緊對(duì)其整體變形位移的影響,尤其是凹模內(nèi)壁處的變形量,以保證擠壓工件的尺寸精度。

凹模內(nèi)層受內(nèi)壓作用后的應(yīng)力變化較為顯著。內(nèi)層凹模的徑向壓應(yīng)力驟然升高,從-3.361MPa升至-1605MPa;經(jīng)預(yù)應(yīng)力抵消一部分切向應(yīng)力后,組合凹模內(nèi)壁的切向應(yīng)力從壓應(yīng)力-808.374MPa變?yōu)槔瓚?yīng)力785.363MPa。另外中間層內(nèi)壁和外層內(nèi)壁處的切向拉應(yīng)力有顯著升高。

4 斜端面組合凹模有限元分析

本文分別分析了斜端面組合凹模不同端面傾角下,預(yù)緊與合成兩種狀態(tài)的應(yīng)力情況,各應(yīng)力值見(jiàn)表3。為更容易看出端面傾角對(duì)凹模應(yīng)力的影響,通過(guò)Matlab程序畫(huà)出了內(nèi)層凹模隨端面傾角變化的主應(yīng)力差曲線fsinv(α)、軸向應(yīng)力曲線fsy(α)和切向應(yīng)力曲線fsz。

(1) 預(yù)緊狀態(tài)下內(nèi)層凹模存在端面傾角的切向壓應(yīng)力比無(wú)端面傾角時(shí)大,且隨端面傾角的增加,切向壓應(yīng)力的值不斷增大。這就是說(shuō),在相同過(guò)盈量的情況下,斜端面組合凹模的預(yù)緊程度比平端面的要高,能夠抵消更多的由工作內(nèi)壓產(chǎn)生的切向拉應(yīng)力。

(2) 合成狀態(tài)下斜端面各層凹模的等效應(yīng)力seqv、主應(yīng)力差sinv、切向應(yīng)力sz均比平端面的小,而其徑向應(yīng)力sx變化不大.

(3) 端面角度在4°~8°時(shí),合成狀態(tài)下內(nèi)層凹模主應(yīng)力差比較小,繼續(xù)增大傾角則主應(yīng)力差增大。

(4) 合成狀態(tài)下切向拉應(yīng)力隨端面角度的增大而減小,但切向應(yīng)力曲線斜率在逐漸減小,繼續(xù)增大端面角度,其切向壓應(yīng)力的值減小幅度不大。

(5) 隨著角度的增加,內(nèi)層凹模有害的軸向拉應(yīng)力在增大。

圖4給出了合成狀態(tài)下5°傾角組合凹模等效應(yīng)力、徑向應(yīng)力、切向應(yīng)力和軸向應(yīng)力的分布云圖。比較圖2和圖4可知,合成狀態(tài)下平端面、斜端面組合凹模應(yīng)力分布有如下特點(diǎn):

(1) 切向壓應(yīng)力和徑向應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在凹模內(nèi)壁,且內(nèi)層等值線從內(nèi)層向外逐漸減小。

(2) 平端面的應(yīng)力分布為一系列平行的直線。這是因?yàn)?組合凹模結(jié)構(gòu)上具有對(duì)稱(chēng)性,且內(nèi)壓在整個(gè)高度上是均布的緣故。而與之相對(duì)應(yīng)的斜端面的應(yīng)力的等值線也類(lèi)似于曲線平行,只是在同一徑向位置處,上部等效應(yīng)力、徑向應(yīng)力均比底部小,但最大值也均比平端面的小,尤其是內(nèi)層切向應(yīng)力下降了12%。

(3) 內(nèi)層凹模切向應(yīng)力受端面傾角的影響較為明顯,內(nèi)壁處下端部位為拉應(yīng)力,外壁上部為壓應(yīng)力。

(4) 軸向拉應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在內(nèi)層外壁和中層外壁,而且隨著角度的增大,軸向拉應(yīng)力的值也增大。而較大的軸向拉應(yīng)力是凹模產(chǎn)生橫向裂紋失效的主要因素,因此,凹模端面角度存在一個(gè)合適的值。

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