挤压可以利用金属的塑性变形来制成所需形状的零件,能够减少切削加工量,提高材料的利用率^[1-2].随着我国综合国力的不断提升、市场竞争的日趋激烈和工业技术的不断进步,对挤压工艺的要求也越来越高.不但要求产品的质量高,而且要提高产品的生产效率,因此出现了一种新的零件成形工艺技术,即镦挤复合成形^[3-4].在镦挤成形过程中,坯料被镦粗自由流动的同时又受到模腔的挤压成形^[5].镦挤复合成形在机械制造业,特别是汽车、拖拉机、轴承、标准件生产以及国防工业中得到广泛应用^[6-7].目前我国对镦挤复合成形技术的生产和应用处在起步阶段,对其材料的微观变形趋势没有进行深入的研究,镦挤复合变形时,内部材料的流动分配状况也有众多说法^[8].本文利用Deform有限元软件模拟圆柱体自由端无约束时的镦挤复合成形过程,并对其成形过程中的变形规律进行详细的研究.

1 镦挤复合成形规律 1.1 镦挤复合成形原理

镦挤复合成形可以假设为多出口的塑性变形^[9-12].圆柱体镦挤复合成形过程可认为材料向两个出口流动:一个径向的镦粗变形出口和一个纵向的挤压变形出口^[7].镦挤复合成形过程中,模具结构示意图如图 1所示.

挤压变形出口体积为:

${{V}_{1}}=\frac{\pi }{4}{{d}^{2}}h$

(1)

根据体积不变原理,V=V₁+V₂可知,镦粗变形出口体积为:

$~{{V}_{2}}=V-{{V}_{1}}~$

(2)

式(1)和式(2)中:V为坯料体积;V₁为挤压出口体积;V₂为镦粗出口体积.

由式(1)和式(2)可知,挤压出口体积只受凹模孔直径影响,而镦粗出口体积不仅与凸模直径有关，同时与凸模下压高度呈线性关系.在镦挤复合成形过程中,凸模及凹模可假定为刚性材料,凸模及凹模孔直径固定不变.从面积角度考虑,挤压出口面积始终保持不变,而径向镦粗出口面积则随着凸模下压高度的增加逐渐减小,材料向镦粗出口流动越来越困难,越来越多的材料转向挤压出口流动.当镦粗和挤压两种工序同时进行时,就产生了镦挤复合成形.

等应变分配原理是指,对于具有多出口的金属塑性变形方式,材料按出口应变相等的原则进行分配^[13-14].圆柱体镦挤成形变形模式:分流层为旋转面,应变用面积收缩率表示.

挤压出口应变φ₁:

${{\phi }_{1}}=1-\frac{B_{1}^{2}}{\pi 4d_{p}^{2}}$

(3)

式中:B₁为点的横坐标值.

镦粗出口应变φ₂:

${{\phi }_{2}}=1-\frac{{{d}^{2}}-d_{2}^{2}}{{{d}^{2}}-d_{p}^{2}}$

(4)

式中:d₂为凸模直径.

根据等应变分配原理,令φ₁=φ₂,则分流层直径d_p为:

$~{{d}_{p}}=\frac{{{B}_{1}}d}{\sqrt{\frac{\pi }{4}}\left( d_{1}^{2}-d_{2}^{2} \right)+B_{1}^{2}}=\frac{d}{\sqrt{{{K}_{21}}+1}}=\frac{{{B}_{1}}}{\sqrt{\frac{\pi }{4}\left( 1-{{\phi }_{12}} \right)}}={{d}_{12}}$

(5)

式中:K₂₁为墩粗出口与挤压出口面积的比值;φ₁₂为变形系统的应变.

理想塑性变形状态下的分流层为一圆柱面,式(5)中,${{K}_{12}}=\frac{1}{{{K}_{21}}}$.

实际塑性变形状态下,分流层的各影响因素需引入一系数:

$~\lambda =\left\{ \begin{align} & \frac{\sqrt{\frac{\pi }{4}{{d}^{2}}}}{{{B}^{1}}}{{K}_{12}}1 \\ & \sqrt{\frac{{{k}_{12}}}{\frac{\pi }{4}\left( 1-{{\phi }_{12}} \right)}}{{K}_{12}}\ge 1 \\ \end{align} \right.$

(6)

式中:λ为实际影响因素变量.

挤压开始时,d₁₂=λB₁.

圆柱体镦挤成形分流层为旋转锥台面,如图 2所示.综合体积不变原理和等变分配原理,可得分流层直径和坯料分配高度表达式.

分流层直径为:

${{d}_{p}}={{B}_{1}}\left| \lambda + \right|\frac{1}{\sqrt{\frac{\pi }{4}}\left( 1-{{\phi }_{12}} \right)}-\lambda \left| \frac{H}{{{H}_{0}}} \right|H\in \left( 0,{{H}_{0}} \right)$

(7)

坯料分配高度为:

$\begin{align} & {{h}_{1}}={{\lambda }^{2}}H+\frac{\lambda }{{{H}_{0}}}\left| \frac{1}{\sqrt{\frac{\pi }{4}\left( 1-{{\phi }_{12}} \right)}}-\lambda \right|{{H}^{2}}+\frac{1}{3H_{0}^{2}}{{\left| \frac{1}{\sqrt{\frac{\pi }{4}(1-{{\phi }_{12}})}}-\lambda \right|}^{2}}{{H}^{3}} \\ & {{h}_{2}}=\frac{\pi }{4}{{K}_{12}}\left( \frac{{{d}^{2}}}{B_{1}^{2}}H-{{h}_{1}} \right)~H\in (0,{{H}_{0}})~ \\ \end{align}$

(8)

1.2 镦挤复合成形过程

通过对镦粗和挤压过程的分析以及对有关塑性成形理论方面的研究^[15-16],镦挤成形过程大致分为以下3个阶段,如图 3所示.

第1阶段:镦粗阶段,材料沿AB线向两端流动,在轴向上做刚性运动.

第2阶段:小程度的镦挤复合阶段,此时材料沿曲线BC分流,曲线外部材料径向向外流动;曲线内部材料大部分做刚性运动,小部分做塑性流动,塑性流动的部分随凸模行程的增大而逐渐增多.

第3阶段:大程度的镦挤复合阶段,材料沿曲线CD分流,曲线外部材料径向向外流动;曲线内部材料,一部分做刚性运动,另一部分做塑性流动,塑性流动部分随凸模行程的增大而明显增多.

根据以上分析,当坯料的高径比一定时,其镦挤复合成形过程中的凸模行程与挤出量之间的大致关系,如图 4所示.

镦挤复合成形过程中,坯料与模具间的摩擦因数、挤出通道直径以及坯料的材料等都会对镦挤复合产生影响,从而对这3部分区域范围产生影响.如第1阶段出现范围小甚至不出现,第2阶段和第3阶段的现象就会提前发生^[17].

通过利用Deform有限元软件对圆柱体坯料镦挤复合成形模拟,研究不同的挤出通道直径、摩擦因数和坯料的材质对镦挤复合成形的影响.

2 镦挤复合成形的数值模拟 2.1 数值模拟条件的建立

本次模拟试验主要研究正反镦挤条件下不同 影响因素对坯料挤出高度的影响.建模时确定相同 规格的模具上下模均为100 mm×80 mm×40 mm, 最大坯料的直径为50 mm.利用Deform有限元模拟软件对此试验进行模拟的初始条件为:网格数32 000,温度设定为20 ℃,凸模速度为10 mm/s，选取的坯料为 圆柱形棒料.本构模型的基本表达式为:

$~\sigma =(A+B{{\varepsilon }^{n}})(1+Cln\varepsilon {{\cdot }^{*}})(1-{{T}^{*m}})~$

(9)

式中:σ为Von mise流动应力;ε为等效塑性应变;${\dot{\varepsilon }}$^*为J-C模型的参考应变速率；T^*为无量纲化的温度项(T^*=(T-T_r)/(T_m-T_r))； A为屈服强度;B,n为应变强化参数;C为经验性应变率敏感因数;m为温度软化效应.本试验不考虑应变速率和温度的影响,所以本构模型的基本表达式:

$\sigma =\left( A+B_{\varepsilon }^{n} \right)$

(10)

试验分别从不同挤出通道、不同摩擦因数和不同材质3个方面模拟分析凸模行程与挤出量的关系.模拟过程中的效果如图 5所示.

2.2 不同挤出通道直径对镦挤复合成形的影响

挤出通道设置在模具的上下模中,正挤压的挤出通道在下模,反挤压的挤出通道在上模.设置不同的挤出通道直径的目的是改变通道出口面积与坯料底面的截面比,研究不同挤出通道对镦挤复合挤压的影响.分别取通道与坯料截面比为0.16,0.20和0.25 3种情况研究,采用35钢做为坯料,在其他工艺条件相同的情况下,改变下模挤出通道出口尺寸,制造3种不同截面比的下模具.

在Deform有限元模拟软件中其他边界条件相同的情况下,研究坯料在不同截面比情况下,挤出高度与凸模行程的关系.坯料挤出通道的具体参数:挤出通道1、通道2、通道3的坯料高度为35 mm，坯料直径为50 mm;摩擦因数为0.12,凹模孔直径分别为20,22和25 mm.

在其他工艺参数相同的条件下,通过对比不同的挤出通道直径在正、反镦挤复合成形中,凸模行程与坯料挤出高度的关系,并绘制曲线,如图 6所示.

从图 6中可以看出,相同高径比的坯料在进行镦挤复合挤压时,挤出通道直径越大,坯料挤出高度相对也越大.但从坯料的变形状态来看,当挤出通道直径越大时,镦粗部分形成的鼓形越不规则.这是由于坯料底部与模具接触面积变小,导致摩擦变小,这样 在凸模载荷的作用下,距离挤出端的坯料更容易发生 径向流动.在模拟过程中发现,虽然挤出通道直径越大越有利于挤出,但增加到一定程度后,坯料在变形过程中很容易被破坏,反而不利于镦挤复合发生.这是因为随着通道挤出截面的增大,材料内部刚性运动 部分也相对增多,阻碍了内部材料的流动;其次,出口面积越大,镦粗部分的坯料与凸凹模接触面积相对减小,摩擦力减小,阻碍镦粗的程度也减小,而挤出口的工作带面积变大,摩擦力变大,阻碍挤出的力也变大,不利于挤出.综合上述分析,当凹模孔直径在20~25 mm,挤出通道直径为25 mm时,最有利于镦挤复合的发生.

2.3 不同摩擦因数对镦挤复合的影响

研究不同摩擦因数对镦挤复合成形的影响.采取坯料高径比为0.7,挤出通道出口面积与坯料底面的截面比为0.25,摩擦因数分别为0.12,0.30,0.40 3种模拟方案.挤出通道出口面积相同,坯料所用材质相同,同一副模具,在其他工艺参数都相同的情况下进行3次模拟.

将在不同摩擦因数下测出的凸模行程与挤出高度的数据分别绘制成曲线图,可以观察到正、反复合镦挤成形过程中,凸模行程与坯料挤出高度的关系,如图 7所示.

从图 7中可以看出:摩擦因数越大,越有利于镦挤复合成形.这是因为坯料与模具间的摩擦越大,就越阻碍镦粗的进行;无论是正挤压还是反挤压,刚开始发生塑性变形时,摩擦较大反而不容易挤出.但随着凸模行程的进一步增大,摩擦越大,坯料挤出的高度相应也越大;摩擦因数越大,曲线各个点的斜率增大得越快,镦挤复合出现得越早;从曲线的走向可以清楚地看到,摩擦因数越大,曲线斜率也越大,挤出高度增长越快.

综合比较摩擦对镦挤复合的影响,可得如下结论:

(1) 摩擦因数越大,越有利于镦挤复合挤压成形,挤出高度也越大.

(2) 通过模拟和工程实践的多方面考虑,摩擦因数并不是越大越好.由上述分析可知,摩擦因数一般取0.4左右较适宜.

(3) 摩擦对正反复合镦挤的影响规律相同.

2.4 坯料材质对镦挤复合的影响

在上述的几种模拟方案中,从凸模行程与挤出长度曲线中,可以发现一个共同的特性:在镦挤复合成形过程中,挤出长度随凸模行程总是先快速增加,接着缓慢增加,然后再随着凸模行程的增加而增加,这是镦挤复合成形普遍存在的规律.下面用相同的加工工艺,探究不同材质坯料镦挤复合成形过程.选用35钢、6061Al和40Cr 3种不同材料作为原始坯料,坯料的尺寸规格相同,具体的参数如下: 坯料高度为35 mm;坯料直径为50 mm;摩擦因数为0.12.

采用不同材质坯料,测出的凸模行程与挤出高度的数据分别绘制成曲线图,在其他工艺参数相同的情况下,正、反复合镦挤成形过程中,凸模行程与坯料挤出高度的关系,如图 8所示.

从图 8中可以得出,35钢、6061Al和40Cr 3种材料在发生镦挤复合成形过程中,凸模行程与坯料挤出高度关系与之前的几种方案差别不大.但是每种材料的挤出高度都不同.在相同的凸模行程下,坯料挤出高度L₁＞L₂＞L₃,说明在相同的情况下,35钢更容易发生镦挤复合变形. 从以上3种材料的镦挤复合成形变形规律中可以发现:多数材料在发生镦挤复合成形时,它们的坯料挤出高度都是随着凸模行程的增大,先快速增大,接着缓慢增加,后再随着凸模行程的增加而增加.

2.5 正镦挤与反镦挤比较

镦挤复合挤压分为正镦挤和反镦挤.之前的研究和探讨都是针对单个的正镦挤或反镦挤进 行,在正镦挤(或反镦挤)中研究不同材质坯料、不同的坯料挤出通道直径及不同摩擦因数对镦挤复合成形的影响.但是却没有对比在相同的工艺条件下,正镦挤与反镦挤的区别.为了比较正镦挤与反镦挤的区别,采用相同规格的模具与坯料进行模拟.原始坯料采用35钢,圆柱体坯料直径为50 mm,高度为35 mm,坯料高径比为0.7,坯料挤出通道直径为25 mm,挤出通道口面积与坯料底端截面比为0.25,通道内圆角半径为5 mm,摩擦因数为0.12,模拟后测出凸模行程与挤出高度,正、反镦挤的挤出高度分别用L_正、L_反表示,将测得的数据画在同一坐标系的曲线中,如图 9所示.

由图 9可知,在其他影响因素都相同的情况下,正镦挤和反镦挤复合挤压成形过程中的变形规律相同.

3 结 论

通过对不同摩擦因数、挤出通道出口面积及不同材质坯料的模拟分析,发现影响镦挤复合挤压成形的因素非常复杂.但通过分类对比可以得出以下结论:

(1) 在相同的工艺条件下,正镦挤和反镦挤的变形规律相同.

(2) 在不同的加工工艺条件下,镦挤复合过程一般符合本文提出的镦挤3个阶段的变化.镦挤复合成形的各项因素只影响坯料的挤出高度,但不会改变镦挤变形的总趋势.

(3) 综合本文的模拟结果发现,圆柱体的镦挤复合变形可引用等应变分配原理.经计算得出,当挤出通道直径在20~25 mm、摩擦因数在0.2~0.4时,适当地扩大挤出通道直径、增加摩擦因数均有利于提高坯料的挤出高度;当摩擦因数为0.35、挤出通道直径为25 mm时,坯料挤出高度最大.