等径侧向挤压变形载荷的有限元分析_刘祖岩

塑性工程学报

JOURNALOFPLASTICITYENGINEERING

Vol.6　No.3Sept.　1999

等径侧向挤压变形载荷的有限元分析

(哈尔滨工业大学　150001)　刘祖岩　王尔德　王仲仁

摘　要　本文对等径侧向挤压过程中载荷的变化,分别进行了实测及有限元模拟计算,两种结果吻合较好。同时通过有限元模拟,对影响载荷的各种因素进行了分析。关键词　等径侧向挤压　有限元模拟　载荷

1　引　言

近几年来,强烈塑性变形方法,诸如压扭法、等径侧向挤压法等,都被用来制备细晶材料。塑性变形方法可以直接制备出块状细晶材料。但是,为了获得比较大的应变量,压扭法只能制备出非常薄的片状材料,而等径侧向挤压法则能制备出比较大的块状细晶材料。这是因为等径侧向挤压法具有在对变形体变形时,不改变其外观尺寸形状的特点。这样,变形可以在一套模具内循环进行,从而使应变逐渐累积起来,最后得到非常大的应变量。本文应用H-FORGE2D刚塑性有限元模拟软件,对等径侧向挤压过程的载荷问题进行详细的分析,以便对此变形方法的规律有深入的理解和把握,并为进一步的研究打下基础。

[3]

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2　等径侧向挤压变形方式

侧向挤压是变形体沿着某一方向被挤出,而这个方向是与挤压方向不同也不相反的一种挤压方法。侧向挤压与径向挤压不同,径向挤压时,变形体是沿着径向向四周方向被挤出的,而侧向挤压时,变形体是沿着某一单一方向被挤出的。

侧向挤压时,变形体横截面积是可增可减的。如果横截面积不变,则可以称此侧向挤压为等径侧向挤压。等径侧向挤压可分为单侧向挤压角等径侧向挤压,简称正向侧挤,如图1a,和正反双侧向挤压角等径侧向挤压,简称S型等径侧向挤压,或S型侧挤。所谓S型侧向挤压实质是经历一次挤压角为+θ的等径侧向挤压之后,又经历了一次挤压角为-θ的等径侧向挤压的变形过程,如图1b所示。

3　模拟计算参数的确定

实验与模拟计算中,选用的材料是H62和LY12热挤压棒料。变形前,两种材料均经过

哈尔滨工业大学校基金资助项目。8塑性工程学报第6卷　

图1　正向侧挤和S型侧挤示意图

Fig.1　SchematicdiagramofthelateralextrusionandS-typelateralextrusion.

了退火处理。根据文献[4～6]提供的数据,并考虑计算的方便,本文近似地确定退火后的

H62的应力应变关系为:

e=67MPa　　　　　(X≤0.002)

e=430εMPa　　　(0.002　　而LY12的应力应变关系为:

e=103MPa　　　　　　(X≤0.002)

e=810ε-390MPa　　(0.002本文模拟计算所采用的是常摩擦模型,摩擦因子是通过圆环镦粗实验测得的。H62和

。LY12材料室温下变形时的摩擦因子见表1

表1　H62、LY12材料室温变形时的摩擦因子润滑状态无润滑机油润滑机油石墨润滑

m(H62)0.320.260.14

m(LY12)0.4850.3460.16

0.08

0.3

4　侧向挤压过程载荷的实测、计算与影响因素分析

4.1　载荷实测与计算结果的对比

实际测量载荷曲线时,选择了两种不同S型侧挤方式:

1)侧向挤压角θ=20°,H62挤压件变形前后直径均为20mm,摩擦因子m=0.14,挤压件与模具之间的间隙为t=0.1mm;

2)侧向挤压角θ=20°,LY12挤压件直径变形前后均为30mm,摩擦因子m=0.346,挤　第3期　刘祖岩等:等径侧向挤压变形载荷的有限元分析9

压件与模具之间的间隙为t=0.02mm。

实测结果与计算结果见图2。图中计算结果曲线与实测结果曲线变化趋势非常接近。虽然应用有限元法计算具体应力值时精度不高。使计算曲线在小范围内有一些波动,但其变化趋势却是正确的。若经过光滑处理,其计算结果完全可以适用于各种侧向挤压过程的载荷分析。

图2　S型侧挤载荷与位移曲线关系a)H62合金;　b)LY12合金

Fig.2　CurvesofloadversusdisplacementduringS-typelateralextrusion.

4.2　各种因素对载荷的影响

在实际变形过程中,影响载荷的因素非常多,诸如:侧向挤压角、摩擦因子、挤压件直径或宽度、挤压件与模具之间的间隙、挤压件长度等等。本文针对H62材料对这些影响因素进行了模拟计算,并将计算结果绘制成图。每次计算时,未经指出的各种参数分别是:正向侧挤,θ=15°,m=0.26,挤压件直径d0=40mm,挤压件与模具之间的间隙为t=0.02mm,挤压件长L=60mm。

侧向挤压角越大,其变形量也越大,所以变形载荷也越大,从图3中可以很明显地看到这一点,最大载荷与侧向挤压角近似呈线性关系。

图3　侧向挤压角对载荷的影响a)正向侧挤;　b)S型侧挤

Fig.3　Influenceoflateralextrusionangleθonload.

10塑性工程学报第6卷　

摩擦因子越大,摩擦力也越大,所以变形载荷也越大,见图4。当摩擦因子取为零时,其变形载荷是很小的。这说明了侧向挤压变形时,大部分载荷用于克服摩擦阻力了,而只有小部分作用在挤压件的变形上了。最大载荷与摩擦因子之间也近似呈线性关系。

挤压件直径越大,其变形力也越大,见图5。这是很自然的,但是与拉伸或压缩变形有所

图4　摩擦因子对载荷的影响Fig.4　Influenceoffrictionfactoronload.

图5　不同直径对载荷的影响

Fig.5　Influenceofworkpiecediameteronload.

不同的是,侧向挤压变形力与挤压件直径近似呈正比关系,而不是与其平方呈正比关系。这从另一个方面也说明了侧向挤压变形时,摩擦阻力占变形载荷的很大比例,或者说摩擦阻力要比挤压件的变形抗力大很多。这是因为在同样的条件下,挤压件直径增加k倍时,其周长增加k倍,与模具接触面积增加k倍,按照常摩擦模型的假设,摩擦力也增加k倍,而挤压件体积却增加k2倍,变形抗力也增加k2倍,但最终计算结果却是变形载荷只增加了k倍,所以说变形抗力与摩擦阻力相比是很小的。

挤压件与模具之间的间隙对变形载荷影响较大(见图6)。当间隙增加时,挤压件将不能形成均匀的纯剪变形,而是产生了不均匀变形,同时挤压件与模具间的接触也不再是均匀的面接触了,而是不均匀的点接触,这将使摩擦力明显下降,所以最终的载荷大大下降了。增加挤压件长度,使其与模具之间的接触面积增加,这样摩擦力也随着呈比例地增加,最终载荷也呈比例地增加(见图7),这同前面的分析结果是一样的。

图6　挤压件与模具间的间隙对载荷的影响Fig.6　Influenceofthegapbetweenworkpiece

anddieonload.

图7　挤压件长度对载荷的影响Fig.7　Influenceofthelengthofworkpiece

onload.

　第3期　刘祖岩等:等径侧向挤压变形载荷的有限元分析11

5　结　论

1)等径侧向挤压载荷的计算结果与实测结果吻合非常好,说明了模拟计算参数选择的比较合理和准确,同时也说明了H-FORGE2D刚塑性有限元模拟软件是一个比较实用的应用软件。

2)通过对等径侧向挤压载荷的模拟计算,可以定量地把握各种因素对载荷的影响,从而对此变形方法的规律有深入的理解,并为进一步的研究打下基础。

参考文献

1　VYGertsman,RBiringer,RZValiev,HGleiter.OntheStructureandStrengthofUltrafine-grainedCop-perProducedbySeverePlasticDeformation.ScriptaMetallurgicaetMaterialia,1994,30:StructureofAlAlloy2024,1997,7(2):

160～162

229～234

2　LiuZuyan,LiangGuoxian,WangErde,WangZhongren.EffectofEqual-channelAngularPressingon3　刘祖岩.侧向挤压方法及其对H62和LY12合金组织结构的影响.哈尔滨工业大学博士论文,19974　赵祖德,姚良均,郭鸿运,彭如清,武恭.铜及铜合金材料手册.科学出版社,1993,45　吴诗淳.挤压理论.国防工业出版社,1994,310

6　伍尚华,卢宜.LY12合金在拉伸变形中的微观结构.中国有色金属学报,1994,4(4):

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FINITEELEMENTANALYSISOFTHELOADOF

EQUAL-CROSSSECTIONLATERALEXTRUSION

　WangZhongrenLiuZuyan　WangErde

(HarbinInstituteofTechnology150001)

:Inthispaper,thecurvesofloadversesdisplacementduringequal-Abstractcrosssectionlateralextrusionpro-cesshavebeenmeasuredandcalculatedbyFEMrespectively,thecalculatedresultsareingoodaccordancewiththemeasuredresults.Atthesametime,theinfluenceofallkindsoffactsonloadhavebeenanalyzedbyFEMindetailtoo.

:equal-Keywordscrosssectionlateralextrusion;finiteelementsimulation;load