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钟形壳组合凹模工艺参数模拟研究
张立玲张庆高峰
燕山大学机械工程学院秦皇岛北京航空航天大学
摘要利用非线性有限元分析软件 MARC 对钟形壳组合凹模的压配过程及工作过程进行了数值模拟分
析了双层组合凹模的有效预应力与工作温度的关系以及模具恒温工作过程中组合凹模切向预应力与半
径比的关系根据模拟结果修正了预设过盈量消除了以往在设计温挤压组合凹模时单纯参照冷挤压
模具过盈配合量选取原则来确定温挤压组合凹模过盈量而产生的误差为进一步研究温挤压预应力组合凹
模设计提供了理论依据
关键词钟形壳温挤压数值模拟组合凹模过盈量
前言
温挤压是少无切削加工工艺之一且兼有冷热挤压工艺的优点应用前景广阔但温挤压
模具的工作条件恶劣模具消耗的费用在挤压生产成本中占有较大的比例因此研究温挤压模具设
计方法延长挤压模具的使用寿命对保证生产周期降低生产成本有显著的意义目前温挤压
组合凹模的结构设计基本上是沿用冷挤压模具的设计原则[1,2,3] 在选取过盈量时沿用冷挤压的
过盈量选取原则即温挤压组合凹模的径向过盈量应相对减小一定数值但在大批量自动化生产过
程中为提高模具寿命避免模具过冷使工件温度下降过多模具需进行恒温预热且凹模和预应
力圈材料一般使用不同材料在这种工况下组合凹模的工作温度对预应力有很大影响常发生凹
模突然断裂现象其主要原因就是预紧力不足初始过盈量过小然而对于这种工况下的凹模切向
预应力场的阐述几乎没有本文针对这一问题利用 MARC 软件对成形等速万向节钟形壳的正挤
压工步所用的组合凹模的压配工作过程进行了数值模拟分析了组合凹模过盈量与工作温度的关
系半径比对组合凹模切向应力的影响
建立有限元模型
组合凹模压合过程
凹模预应力圈分别选用 5CrNiMo 和 4Cr5MoSiV1 组合凹模基本结构如图 1 所示结构参数
a(a 为凹模外壁半径 r2 与凹模内腔半径 r1 的比值)分别取 凹模高度为 205 mm 预应力
圈最大径为 318 mm 考虑几何对称性和载荷对称性用 2 139 个自动接触轴对称单元离散组合凹模
用以模拟单边过盈量为 mm[1,4] 预应力圈和凹模压合时的各种场变量凹模和预应力圈之间的
摩擦符合库仑摩擦定律摩擦系数= 模拟计算所用的有限元模型如图 2 所示
模具工作过程
在热机耦合分析中采用位移载荷来模拟液压机的静压力工件模具材料分别为 50 钢
4Cr5MoSiV1 预热温度分别为 750 和 200 假定材料为各向同性模具为弹性导热变形体
工件为弹塑性导热变形体有 90 的塑性变形功转化为热量冲头与工件凹模与工件之间的摩擦
符合库仑摩擦定律摩擦系数= 上述模拟计算所需的性能参数从文献[4,5,6,]获取
模拟结果与分析
组合凹模压配后的位移场和预应力场
图组合凹模基本结构图有限元模型
图 3 给出了单边过盈量为 mm 时组合凹模的位移场和切向应力场从图 3a 可以看出
凹模内圈半径尺寸最大缩小了 mm 凹模腔头部的径向位移最大沿半径方向从外向内径向
位移逐渐减小预应力圈半径尺寸最大增加了 mm 沿半径方向从内向外径向位移逐渐减小
图 3b 为由过盈而引起的