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2013-08-14 by:廣州Ansys中心 來源: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,獲得所需零件的過程。凹模是擠壓模具的關鍵部件,金屬冷擠壓時模具受到的單位擠壓力很大,目前工程上常采用預應力組合凹模來提高模具承載能力。很多學者在預應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,新型結構也相繼出現。但其所做工作均是針對平端面組合凹模的,在斜端面凹模研究方面涉及甚少。本文旨在通過平端面組合凹模和斜端面組合凹模對比分析來研究斜端面組合凹模應力規(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 組合凹模參數化模型的確定
這里以自行車倒牙鋼碗(三層組合凹模)為例進行研究,已知參數有:承受內壓Pi=1609MPa,凹模內直徑d1=40mm,內層凹模材料W6Mo5Cr4V2,許用應力[σ1]=2400MPa、預應力圈材料30CrMnSi,許用應力[σ2]=[σ3]=900MPa,彈性模量E=2.1x10*5MPa,泊松比r=0.3。根據結構等強度優(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盈量的大小。
根據以上參數,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在內的參數化軸對稱有限元模型在其內層與中層、外層與外層之間分別建立了面面接觸的接觸對,使用增廣拉格朗日法施加接觸協(xié)調條件。
3 平端而組介凹模有限元分析
預緊狀態(tài)是凹模未受工作內壓作用時的狀態(tài),即預應力狀態(tài);合成狀態(tài)是凹模工作時受預應力和工作內壓聯合作用的狀態(tài)。平端面組合凹模預緊與合成兩種狀態(tài)下各層變形量與應力情況。
3 預緊時組合凹模的變形位移及應力
從表2可以看出,預應力對內層凹模的壓縮作用是它產生-X方向位移的原因,其變形最大位移出現在內層凹模外壁處;中間層的內壁受到擴張的力,而外壁受到壓縮的力,故其位移從內壁到外壁逐漸從0.037511mm過渡到-0.007624mm;外層凹模的受力相當于只受內壓的厚壁圓筒,它的徑向位移沿著+X方向,最大值在外層凹模的內壁處.
預應力狀態(tài)下組合凹模徑向應力為壓應力,徑向最大壓應力的值出現在內層外壁與中間層內壁接觸處;從最大值處向凹模內壁與外壁擴展,其徑向應力基本上有逐漸減小的趨勢,直至為零。
預緊狀態(tài)下組合凹模的切向應力出現兩個較大值,其中一個是最大壓應力,出現在內層凹模內壁處;另一個是最大拉應力,出現在外層凹模內壁處。中間層的切向應力自內壁到外壁從壓應力逐漸過渡到拉應力。
上述分析結果與理論規(guī)律完全吻合,也說明了有限元分析的可靠性。
3.2 合成時組合凹模的變形位移及應力
同樣地,從表2可以看出凹模工作時受內壓影響,其位移整體向+X方向偏移.凹模位移最大值仍出現在外層的內壁處,但就預緊與合成狀態(tài)的比較來看,凹模內壁處的徑向位移由負變?yōu)檎?且正值達到0.122043mm,故在模具設計中應考慮內壓和預緊對其整體變形位移的影響,尤其是凹模內壁處的變形量,以保證擠壓工件的尺寸精度。
凹模內層受內壓作用后的應力變化較為顯著。內層凹模的徑向壓應力驟然升高,從-3.361MPa升至-1605MPa;經預應力抵消一部分切向應力后,組合凹模內壁的切向應力從壓應力-808.374MPa變?yōu)槔瓚?85.363MPa。另外中間層內壁和外層內壁處的切向拉應力有顯著升高。
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,預緊與合成兩種狀態(tài)的應力情況,各應力值見表3。為更容易看出端面傾角對凹模應力的影響,通過Matlab程序畫出了內層凹模隨端面傾角變化的主應力差曲線fsinv(α)、軸向應力曲線fsy(α)和切向應力曲線fsz。
(1) 預緊狀態(tài)下內層凹模存在端面傾角的切向壓應力比無端面傾角時大,且隨端面傾角的增加,切向壓應力的值不斷增大。這就是說,在相同過盈量的情況下,斜端面組合凹模的預緊程度比平端面的要高,能夠抵消更多的由工作內壓產生的切向拉應力。
(2) 合成狀態(tài)下斜端面各層凹模的等效應力seqv、主應力差sinv、切向應力sz均比平端面的小,而其徑向應力sx變化不大.
(3) 端面角度在4°~8°時,合成狀態(tài)下內層凹模主應力差比較小,繼續(xù)增大傾角則主應力差增大。
(4) 合成狀態(tài)下切向拉應力隨端面角度的增大而減小,但切向應力曲線斜率在逐漸減小,繼續(xù)增大端面角度,其切向壓應力的值減小幅度不大。
(5) 隨著角度的增加,內層凹模有害的軸向拉應力在增大。
圖4給出了合成狀態(tài)下5°傾角組合凹模等效應力、徑向應力、切向應力和軸向應力的分布云圖。比較圖2和圖4可知,合成狀態(tài)下平端面、斜端面組合凹模應力分布有如下特點:
(1) 切向壓應力和徑向應力最大值均出現在凹模內壁,且內層等值線從內層向外逐漸減小。
(2) 平端面的應力分布為一系列平行的直線。這是因為,組合凹模結構上具有對稱性,且內壓在整個高度上是均布的緣故。而與之相對應的斜端面的應力的等值線也類似于曲線平行,只是在同一徑向位置處,上部等效應力、徑向應力均比底部小,但最大值也均比平端面的小,尤其是內層切向應力下降了12%。
(3) 內層凹模切向應力受端面傾角的影響較為明顯,內壁處下端部位為拉應力,外壁上部為壓應力。
(4) 軸向拉應力的最大值出現在內層外壁和中層外壁,而且隨著角度的增大,軸向拉應力的值也增大。而較大的軸向拉應力是凹模產生橫向裂紋失效的主要因素,因此,凹模端面角度存在一個合適的值。
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