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前挤压工件和模具的温度分布有限元分析

前挤压工件和模具的温度分布有限元分析

发布日期:2017-12-04 作者: 点击:

  前挤压工件和模具的温度分布有限元分析(1.大连铁道学院机械工程系,辽宁大连11程机械热力偶合有限元模拟,对材料的流动、由于塑性变形和接触面之间的摩擦所产生的热量、工件和模具中的热传导、工件与模具之间的热交换、在成形期间和其后冷却过程中工件和模具中温度的分布等进行了分析;对工件和模具的机械和热力学性能和诸如冲头的速度、摩擦系数等加工条件对温度在工件和模A中的分布的影响进行了研究。有限元模拟的结果表明,在成形加工中由于热膨胀和冷却的影响,工件和模具中温度的变化将影响工件的成形精度。工件的性能对热的产生和温度分布有决定性的影响;加X条件的变化会影响温度的高低和分布。


  在金属成形中普遍存在的温度变化影响工件的成形质量、成形精度、润滑效果和工具的寿命。虽然,对于热锻和温锻已经考虑了热的影响,然而,对于冷锻却没有对热的影响给予足够的重视。由于工件的塑性变形和工件与模具之间的摩擦都会产生热量,所以,对高精密工件的成形加工温度在工件和模具中的变化必须给予足够的重视。在一定工件温度条件下工具的尺寸变化和由于塑性变形和疼却弓的温度变化而产生的热胀和冷缩必将影响近净成形(NearNetShapeForming)工件的精度。


  本文对前挤压工件和模具中热量的产生和温度变化和分布进行了有限元模拟。通过ABAQUS的机械热力偶合有限元模拟,对材料的流动、热量的产生和热传导及热交换、在成形期间工件和模具中温度的分布等进行了分析。有限元方法不仅可以用于分析由机械力引起的成形加工误差精度,同样可以用于分析由于工件和模具温度变化引起的工件成形误差。分析工件和模具温度变化引起的工件成形误差对于误差补偿方法的研究,乃至近净成形方法的研究都是必要的。


  1热的产生和传导在成形加工中,工件材料所经历的塑性变形将引起温度的变化,反过来,温度的变化又会影响材料的性能和润滑条件;工件与模具之间的摩擦也会产生热量。塑性变形产生的热量取决于工件的流动应力和有效应变率工件与模具之间的摩擦产生的热量与摩擦剪应力和工件与模具间的滑动速度成正比M由于工件和模具之间的温度差别,工件与模具之间会产生热传导;这个热传导的热流密度取决热传导系数和工件与模具之间的温差(5)。由于位移分布和温度分布在成形过程中互相依赖,所以必须对工件和模具中的位移场和温度场同时求解,以保证热量对材料流动和温度分布的影响。


  2.1碳钢的挤压工况A下碳钢前挤压后工件与模具的温度大小与温度分布情况工况B下碳钢前挤压后工件与模具的温度大小与温度分布情况由(b)可见挤压后工件变形情况。在模具出口端附近工件经受了很大的塑性变形和接触摩擦;因而在工件的表面产生了较高的温升。由于工件的塑性变形热是通过热传导传递给模具,从而与工件接触的模具表面虽然温度也有了较篼的增加,但一般温度低于工件表面的温度。给出了在工况A下碳钢前挤压后工件与模具的温度大小与温度分布情况。工件的Z高温度大约是167°C,发生在与模具出口的过渡圆弧接触处。这是因为一方面工件在此处的塑性变形Z为剧烈,塑变形产生的热量Z大;另一方面是因为在模具尺寸逐渐减小的这个区域剪切应力大而产生的摩擦热也就多。模具的Z高温度大约是95‘C,位置与工件Z高温度点的相对应。


  工况C下碳钢前挤压后工件与模具的温度大小与温度分布情况工况C下碳钢前挤压后冷却2.5s后工件与模具的温度大小与温度分布情况和表示不同的冲头速度和不同的摩擦系数时工件中温度分布的情况。比较与可见,冲头的速度变化后工件和模具的温度分布规律没有变化,温度的大小发生了变化;工件Z高温度由于冲头速度的增加而达到约215t,而相应地模具的Z高温度也增加约128°C.这是因为单位时间产生的热量与热扩散的时间发生了变化。比较与可见,摩擦系数的增加引起了挤压载荷和生成热量的增加;从而引起接触区域附近的温度增高。工件Z高温度由于摩擦系数的增加而达到约309I:,而相应地模具的Z高温度也增加到约309°C.值得注意的是,此时工件Z高温度与模具的Z高温度相同都是约309t;这说明,在工件与模具材料性能不变的条件下,当塑变形产生的热量和摩擦热增加到一定程度,工件Z高温度与模具的Z高温度就可能相同。表明了在冷却2.5s后温度在工件和模具中的分布。因为工件和模具中的热扩散,在经历短暂的时间之后工件和模具的Z高温度都大大的降低,而且温度分布趋于均匀。


  2.2铝材的挤压为研究材料性能对温度分布的影响,对铝材A1 99.5的挤压进度和摩擦系数条件下进行了分析,给出了在工况E时工件与模具的温度情况。由图可知,温度分布规律与碳钢时相似,只是温度的大小发生了很大的变化比较与,在相同的条件下铝材的Z高温度大大降低,仅为约。工件和模具中的Z高温度低于碳钢时的值,这是由于铝的较低的流动应和良好的热传导性。由表2可知,与碳钢时相似,冲头速度和摩擦系数的增加都会起工件和模具温度的增加;只不过增加的幅度远小于碳钢时的值。另外,由于铝的良好的热传导性,工件与模具的Z高温度相同。


  了有限元模拟。同样在不同的冲头速有限元模拟表明在加工和冷却期间工件和模具中的温度变化工况E下结材前挤压后工件与模具是明显的。工件材料性能对热量的产生和工件中温度的分布有着的温度大小与温度分布情况决定性的影响;加工条件的变化也对温度的变化和分布产生影响工件的热力学性能对冷成形加工工件的精度有着重大影响。


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