嵌入式螺母成型過程分析及建模研究

摘 要：對(duì)嵌入式螺母的塑性成型過程進(jìn)行了深入探討和研究，對(duì)DEFORM-3D軟件在鍛壓方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究，較為詳細(xì)的闡述了剛塑性有限元軟件模擬分析方法，為鍛壓成型仿真技術(shù)的可行性和有效性提供了依據(jù)，并為實(shí)際生產(chǎn)提供了可靠的工藝參數(shù)和理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：塑性成型；有限元仿真；嵌入式螺母

引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，許多阻擋著有限元分析技術(shù)發(fā)展的桎梏也隨之消失，有限元技術(shù)現(xiàn)在在金屬塑性成形中應(yīng)用越來越廣，金屬塑性技術(shù)成形的方法也越來越多。雖然金屬塑性技術(shù)成形的方法種類各不相同，但是金屬形狀的改變幾乎全都是利用金屬本身的塑性特征，依靠外力作用而實(shí)現(xiàn)的。

1 嵌入式螺母成型過程分析

我們所需的嵌入式螺母成型過程如下所示：

首先對(duì)坯料進(jìn)行簡(jiǎn)單車削加工，得到下圖所示整體形狀及截面尺寸：

然后對(duì)得到的坯料其進(jìn)行鍛壓，即通過鍛壓的方法來形成所需的燕尾槽[1]，最后對(duì)其進(jìn)行車螺紋加工。

2 成型關(guān)鍵技術(shù)有限元計(jì)算模型的建立

2.1 毛坯模型的建立

本文使用PRO/E軟件進(jìn)行建模，然后另存為STL格式后導(dǎo)入DEFORM23D軟件前處理器中。在使用DEFORM-3D軟件將此毛坯模型打開。

2.2 下模模型的建立

與毛坯模型的建立相似，我們使用同樣的方法，將下模模型先用PRO/E軟件進(jìn)行建模，然后另存為STL格式后導(dǎo)入軟件前處理器中。

2.3 上模模型1-1的建立

與上面介紹的方法類似，我們?cè)賹?dǎo)入毛坯和上模。

3 第一次鍛壓的有限元仿真分析

第一次鍛壓的有限元仿真分析步驟如下：1）導(dǎo)入毛坯、上模和下模；2）對(duì)毛坯進(jìn)行網(wǎng)格劃分；3）定義坯料的材料；4）設(shè)置驅(qū)動(dòng)條件；5）設(shè)置模擬控制信息；6）設(shè)置對(duì)象間關(guān)系；7）分析求解與后處理。觀察每個(gè)分析步的時(shí)間及步長，查看破壞、等效應(yīng)變分析狀態(tài)、等效應(yīng)力分析狀態(tài)、金屬流動(dòng)速率分析。

4 第二次鍛壓的有限元仿真分析

4.1 上模2-1的模型設(shè)計(jì)

根據(jù)第2小節(jié)得到的毛坯1，我們?cè)赑OR/E設(shè)計(jì)了與之配套的上模2-1。并在DEFORM中導(dǎo)入上模2-1與坯料1。

4.2 第二次鍛壓的有限元仿真分析

仿照前面的設(shè)計(jì)，我們?cè)贒EFORM-3D中導(dǎo)入第2小節(jié)中鍛壓所得到的毛坯1，下模以及上模2-1，仿照第2小節(jié)，我們使用相同的步驟對(duì)毛坯1進(jìn)行鍛壓的有限元仿真計(jì)算，觀察每個(gè)分析步的時(shí)間及步長，查看破壞分析狀態(tài)、等效應(yīng)變分析狀態(tài)、等效應(yīng)力分析狀態(tài)、金屬流動(dòng)速率分析[2]。

5 鍛壓計(jì)算結(jié)果與分析

5.1 第一次鍛壓成型有限元仿真計(jì)算結(jié)果與分析

由于DEFORM擁有強(qiáng)大而獨(dú)特的點(diǎn)追蹤功能，通過對(duì)坯料在鍛壓過程中某些特殊位置點(diǎn)的追逐觀察，我們可以觀察到嵌入式螺母在成型過程中，其形狀改變相對(duì)比較的大的部位在每個(gè)時(shí)間段的應(yīng)力應(yīng)變變化等情況，這對(duì)我們研究觀察坯料在成型過程中整體和部分的應(yīng)力應(yīng)變變化、金屬流動(dòng)狀態(tài)等有著非常大的幫助，也是非常有意義的。因此我們可以對(duì)螺母上某些具體的特殊點(diǎn)進(jìn)行繪制點(diǎn)狀態(tài)變量曲線，其過程如下：

（1）首先，在后處理器中，點(diǎn)擊 ，由于坯料是對(duì)稱圖形，因此我們選擇在坯料左邊選取5點(diǎn)并適當(dāng)調(diào)整坐標(biāo)。

（2）將此5點(diǎn)提取并分析后，分別進(jìn)行等效應(yīng)力狀態(tài)分析、金屬流動(dòng)速率分析以及最大應(yīng)力分析，得到如下結(jié)果：

第一次鍛壓螺母坯料左側(cè)5點(diǎn)及全部的分析情況如圖2、圖3、圖4所示，由于前0.7秒內(nèi)上模不與螺母兩側(cè)接觸，這段時(shí)間內(nèi)螺母兩側(cè)變形幾乎為0，從0.7秒開始P1、P2點(diǎn)變形明顯加劇，P3、P4、P5點(diǎn)變形較P1、P2點(diǎn)弱，與實(shí)際情況相符。這5點(diǎn)的應(yīng)力情況則與應(yīng)變不大相同，由于上模在運(yùn)動(dòng)開始時(shí)能產(chǎn)生的X軸方向分力比較大，且作用于坯料并傳遞至下模與坯料接觸點(diǎn)P1處，因此P1點(diǎn)處從上模運(yùn)動(dòng)開始時(shí)就開始受力并隨時(shí)間逐漸增加。同樣的道理，P2、P3、P4 、P5處在上模運(yùn)動(dòng)開始時(shí)也會(huì)受到應(yīng)力并隨時(shí)間逐漸增加， 這與實(shí)際情況也是相符的。整段時(shí)間螺母兩側(cè)的最大應(yīng)力與應(yīng)變均分布于P1點(diǎn)處附近。

5.2 第二次鍛壓成成型有限元仿真計(jì)算結(jié)果與分析

同樣的，在后處理器中，點(diǎn)擊 ，在螺母左邊選取5點(diǎn)并適當(dāng)調(diào)整坐標(biāo)，將此5點(diǎn)提取及分析后，分別進(jìn)行等效應(yīng)變狀態(tài)分析、等效應(yīng)力狀態(tài)分析、金屬流動(dòng)速率分析以及最大應(yīng)力分析。第二次鍛壓螺母坯料左側(cè)5點(diǎn)及全部的分析情況如下：由于前0.7秒內(nèi)上模不與螺母兩側(cè)接觸，這段時(shí)間內(nèi)螺母兩側(cè)變形幾乎為0，從0.7秒開始P3、P4、P2點(diǎn)變形明顯加劇，并隨時(shí)間增加而逐漸變大，P1、P5點(diǎn)變形較P3、P4、P2點(diǎn)弱，其中應(yīng)變最大處為P3點(diǎn)附近，與實(shí)際情況相符。由于0～0.7秒內(nèi)上模在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的X軸方向分力比較小，因此這短時(shí)間P1～P5受到的應(yīng)力都比較小，0.7秒后由于上模與坯料開始接觸，其應(yīng)力快速變大，整個(gè)過程中應(yīng)力變化比較復(fù)雜，兩側(cè)最大應(yīng)力分布與P2、P3、 P4區(qū)域。

我們?cè)賹?duì)螺母中間選取適當(dāng)點(diǎn)進(jìn)行追蹤，分別進(jìn)行等效應(yīng)變狀態(tài)分析、等效應(yīng)力狀態(tài)分析、金屬流動(dòng)速率分析以及最大應(yīng)力分析，得知第二次鍛壓螺母坯料中間5點(diǎn)及全部的分析情況，最大應(yīng)變發(fā)生于P1點(diǎn)附近，其應(yīng)變?cè)阱憠哼^程前期變化緩慢，中后期應(yīng)變變化劇烈，并隨時(shí)間而不斷增加。最大應(yīng)力發(fā)生于P3點(diǎn)處，其在鍛壓過程前期應(yīng)力變化劇烈，后期應(yīng)力變化趨于平緩。

6 結(jié)束語

本文利用在Pro-E軟件建立的嵌入式螺母的模型，在DEFORM-3D軟件中完成了對(duì)其鍛壓成型過程的有限元模擬分析。并利用有限元軟件，研究了嵌入式螺母在鍛壓成型過程中整體與部分金屬物料的應(yīng)力應(yīng)變變化及金屬流動(dòng)狀態(tài)數(shù)值結(jié)果。為嵌入式螺母鍛壓成型過程的數(shù)值分析研究提供了可行、有效的數(shù)值依據(jù)，并為實(shí)際生產(chǎn)提供了可靠的工藝參數(shù)和理論指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)

[1]陶永亮.球頭螺母成型工藝的改進(jìn)及優(yōu)化[J].工程塑料應(yīng)用，2011，39（10）：44-47.

[2]陳明.懸置式螺母的有限元優(yōu)化分析[J].現(xiàn)代制造工程，2009，（9）：62-64.