高强度异形件温挤成形数值模拟

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1、高强度异形件温挤成形数值模拟周波*，张宝红，张治民(中北大学材料科学与工程学院山西太原　030051)摘要：采用MSC/superform软件对典型高强度异形件温成形进行数值模拟，分析金属的变形过程，在难成形部位设置飞边，形成开放式挤压成形，有效降低成形载荷，提高成形工件的质量。关键词:高强度异形件数值模拟开放式成形NumericalsimulationonwarmextrusionformingofIrregularPartswithhighstrengthZhoubo,Zhangbao-hong,Z

2、hangzhi-min(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China)Abstract：warmextrusionformingofatypicalirregularpartswithhighstrengthwasnumericalsimulatedwithMSC/superform.Onthebaseofanalyzingextrusionprocess,slotsweresetonf

3、ormingdifficultpositiontoconstituteopened-dieformingwhichcanevidentlydecreasetheformingforceandimprovethequalityoftheformedparts.Keywords:IrregularPartswithhighstrength;Numericalsimulation;opened-dieforming1引言高强度异形零件材料强度较高，形状不规则，加工成形比较困难。传统上采用热锻工艺,虽然塑性变形

4、过程较为容易,但生产效率低，能源消耗大，原材料浪费严重。温挤压成形高强度异形件，可以减少机加余量,节省原材料，降低能耗，而且由于保留了金属成形流线及细化晶粒,零件机械性能有较大提高[1-3]。温挤压成形高强度异形零件，需要较高的成形载荷，而且某些部分是变形死区，如果单靠力的增加使之完全成形,单位挤压力会变得很大,使模具难以承受。本文采用MARC／superform软件对如图1、2所示的材料为40Cr的典型高强度异形件温成形进行数值模拟，分析零件难以充型的区域，从而指导模具结构的合理设计，在较低的成形载荷

5、下得到充型良好的零件。图1零件图Fig.1　Partdrawing图2三维造型Fig.2　3Dmodel2成形方案的确定零件中间部分截面积较大，两端截面积较小，且一端为￠32的圆柱形。考虑用￠32棒料进行镦挤成形，这样可以减少变形量，降低镦粗比。根据体积不变原理，用ProE计算坯料体积：V=72876.2mm3则取坯料尺寸为￠32×93。因为零件长度为22的一端挤压过程中不变形，则：镦粗比=（93－22）/32=2.28〈2.5，符合不失稳的条件，坯料直径选择是合适的。3成形过程的数值模拟[4-5]由于

6、零件形状的复杂不规则性，二维的轴对称和平面模型都不能对其准确描述，而且考虑到温度的非恒定性，因此，采用热—机械耦合的三维模型对其模拟分析。毛坯材料为软件库中的41Cr4，初始温度为850℃；模具为刚体,初始温度为400℃，毛坯与模具间为剪切摩擦,摩擦系数为0.2，热传导系数为0.4；成形设备为液压机,压力机速度16mm/s；模拟时将毛坯划分为最大边长为3.2mm的六面体单元。3.1闭式温镦挤如图3所示是闭式无飞边镦挤方法成形时坯料的变形过程。零件的两个突耳充型比较容易，等效应变主要集中在凸台成形部分。由

7、于凸台两侧面的摩擦力和冷却效应的影响，凸台两侧金属较中间部分金属流动缓慢。凸台末端的四个角是金属最后充型的部分，也即是金属最难流动的区域，容易因为充型不完全造成比较大的塌角，而且使成形后期的挤压载荷较大。因为金属向这四个角流动时受到三个面的摩擦力和冷却效应的影响。第65步第80步第95步第122步图3闭式温镦挤等效应变图Fig.3equivalentstrainofclosed-dieforming3.2开放式温镦挤根据闭式镦挤成形数值模拟的分析结果，在难成形的凸台两侧设置厚为3～4mm飞边，用于改善凸

8、台末端四个角的充型条件，即开放式镦挤成形。图4所示是带飞边的开放式镦挤成形终了时的等效应变图，零件各个部分充型完整，凸台末端四角充型饱满，多余金属形成飞边。图5、6所示是开放式和闭式温镦挤载荷行程曲线。开始阶段载荷上升平缓，随着金属向凸台内流动，坯料与模具的接触面逐渐增大，造成摩擦力增大，金属冷却的加剧，工件表层金属的流动性能下降，挤压载荷上升幅度加大。由图可知开放式成形的最大载荷比闭式成形低15%左右，这是因为开放式成形挤压终了阶段金属自