压扭成形中优化摩擦条件的研究- .pdf

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1、压扭成形中优化摩擦条件的研究北京科技大学材料科学与工程学院(100083)杨益航大塑性变形工艺即在外力作用下通过特制模具，使~0．75常规粗晶材料内部发生大的塑性变形，从而达到细化晶。粒、改善材料性能的目的。用此方法制备块体纳米材料的研究热点主要集中在等通道角挤压法和高压扭转法。图2齿形截面尺寸．本文主要就改进HPr工艺的摩擦接触条件进行讨论。二、有限元模拟与比较分析压扭复合成形工艺是在工件高度方向施加压力的同1．建模时，使模具相对工件产生扭转运动，是将被动摩擦转化模拟中模具和变形体通过Inventor建立实体模型，成促进金属流动主动摩擦的一种新型工艺。高压扭转为使用STL格式导入Deform

2、一3D(见图3)。前处理模块中追求传递大扭矩主要有两种途径：一是增大轴向的单位设定模具为刚性，自动划分变形体单元网格。变形体材载荷，具体地说就是通过闭式模具或采用极小高径比试料为+lOmm×lOmm的纯铝1100。成形后变形体高度压样，此方法已取得很好的细化晶粒效果，但只能制得很缩为50％。下模为主动模，设定下模垂直压缩运动小高径比试样，制约了其适用性；二是增大摩擦因子，2ram，压缩速度1mm／s，先对试样进行一次预压，之后通过增大模具与工件间接触的摩擦系数来传递扭矩。下模以垂直压缩速度0．15mm／s，同时绕轴向扭转角速本文运用Deform．3D有限元软件，模拟了室温下纯度为1rad／s运

3、动，使变形体在镦粗的同时进行扭转变铝1100的压扭成形过程，发现改善接触摩擦条件在增形，当垂直压缩3mm时停止。摩擦条件设定为剪切摩进变形均匀的同时可改善材料性能。擦，摩擦系数值取0．2。一、模具设计传统镦粗成形中，锤头与工件接触面都设计为光滑平面，这是为了减小摩擦，有利于金属流动。压扭成形则正是利用了压头与工件间的摩擦，因此对锤头表面进行改进，使两者间具有更大接触摩擦以利于扭矩的传递。本文设计在模具上刻齿(见图1)等方式，使模具与工件接触处充分咬合，便于后续整形。以(hlOmm×10mm纯铝1100为对象，模拟优选如下尺寸(见图2)锤头。图3模具及工件2．模拟与分析(1)对应力的影响分别对平

4、面模具和刻齿模具以相同参数压扭成形后，取两变形体轴截面观察等效应力(见图4)。由图可见，由平面模具成形后变形体中心部位应力最大，变形体与模具接触处应力最小，中心部位图1刻齿模具三维效果等效应力最大有105MPa，端面最小处也有100MPa。刻参磊工热加工垫丝堡笪垄呈!生箜!!塑■■WWW．metalworking1950corn齿模具成形变形体情况相反，试样中心处等效应力最小17863lI：}：／约ll5MPa，与齿接触端面等效应力最大为125MPa。由14290一一此看出，压扭成形有利于变形的均匀，刻齿模具因强化10718与变形体接触条件，使扭矩更好地传递到变形体内而产z靼生更大应力。，14

5、6’，—一i一一一．刻齿模具010521031542O525行程，mm图6载荷比较3．成形后处理为适应实际生产需要，对压扭成形后变形体进一步整形，将其放入合适的大小凹模内，施一定压力使平整为标准圆柱体，整形凹模内径选为变形体原始直径的1．3图4等效应力比较倍，刻齿模具成形变形体的整形前后外形形状见图7。观(2)对应变的影响等效应变见图5，可看出由平察变形体整形前后轴截面力学性能的变化情况，发现整面模具成形后变形体中心部位应变最大，变形体与模具形后应力应变量稍有增加，但轴向载荷增长约70kN，为接触处应变最小，中心部位等效应变最大约0．7，端面整形前的6倍多。平面模具压扭成形后圆柱体高径比约最小

6、处有0．55。刻齿模具成形变形体等效应变情况则明为0．35，而刻齿模具成形后经整形为标准圆柱体，高径显优于平面模具成形，试样中心处等效应变最小约1．5，比为0．45，这为后续投入实际应用奠定了良好的基础。与齿接触端面等效应变最大达到2．5。同样看出压扭成形后变形体内变形较均匀，刻齿模具因强化接触条件传递更多扭矩，使应变量达到平面模具成形应变量的3倍，有利于材料的成形及改善材料组织性能。图7刻齿模具变形体整形前后外形三、结语运用Deform一3D有限元软件模拟纯铝1100在室温下的压扭复合成形过程，在忽略温度变化等相关因素的影图5等效应变比较响下，分别利用刻齿模具和光滑平面模具对材料压扭成(3)

7、对载荷的影响平面模具和刻齿模具以同样参形，发现刻齿模具因改善接触摩擦条件对压扭成形产生数压扭成形后，所需载荷见图6。了积极影响。由刻齿模具成形变形体，不仅保持了成形刻齿模具载荷始终较低于光滑平面模具，垂直压缩均匀性，而且提高了内部等效应力，更拥有平面模具成50％后，刻齿模具轴向载荷11kN，约为平面无齿模具形等效应变量的3倍，达到2．5。刻齿模具压扭成形后变的0．6倍。可知，强化变形体与模具间接触