靜液擠壓及普通擠壓過程數(shù)值模擬對(duì)比研究（下）

文/張潤輝，杜晟強(qiáng)，昝祥·合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

靜液擠壓及普通擠壓過程數(shù)值模擬對(duì)比研究（下）

文/張潤輝，杜晟強(qiáng)，昝祥·合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

《靜液擠壓及普通擠壓過程數(shù)值模擬對(duì)比研究（上）》見2016年第7期

結(jié)果及分析

模角對(duì)普通擠壓和靜液擠壓過程擠壓壓力的影響

擠壓壓力隨著模角變化主要是受凹模內(nèi)壁和坯料之間的摩擦力及凹模入口處切向變形力兩種因素影響。模角越小，坯料在入口初始變形量越小，因此克服切向滑移變形力所做的功越小；但隨著模角的減小，凹模內(nèi)壁和坯料之間接觸面積會(huì)增大，因此克服摩擦力所做的功也會(huì)增大。在兩種擠壓的過程中由于兩個(gè)因素同時(shí)存在會(huì)產(chǎn)生擠壓壓力最小的最佳模角。不同模角對(duì)普通擠壓和靜液擠壓擠壓力的影響如圖5所示。

圖5 擠壓壓力隨模角變化規(guī)律

由圖5可知，隨著模角變大，兩種不同擠壓工藝所需擠壓力均出現(xiàn)先減小后增大的趨勢，在模角2α=40°時(shí)均有最小擠壓壓力。但隨著模角繼續(xù)增大到2α=60°，普通擠壓所需擠壓壓力急速上升，可知模角過大對(duì)普通擠壓工藝有較大影響。相同模角下靜液擠壓過程所需擠壓壓力均明顯小于普通擠壓，可知摩擦系數(shù)的降低會(huì)減小擠壓過程中所需的擠壓壓力。

擠壓比對(duì)靜液擠壓和普通擠壓過程應(yīng)力應(yīng)變場影響

當(dāng)凹模模角2α=40°及摩擦因數(shù)（0、0.05）不變時(shí)，對(duì)不同擠壓比（λ=4，6，9）下靜液擠壓過程進(jìn)行數(shù)值模擬，不同擠壓比對(duì)坯料靜液擠壓過程應(yīng)力應(yīng)變影響如圖6所示。

圖6 不同擠壓比對(duì)靜液擠壓過程應(yīng)力應(yīng)變影響

從圖6軸向應(yīng)力圖中可以看出，坯料所受軸向應(yīng)力、徑向應(yīng)力、周向應(yīng)力均逐漸從入口壓應(yīng)力過渡到出口拉應(yīng)力，坯料出口外表面和中心部分均存在拉應(yīng)力區(qū)，隨著擠壓比增大，拉應(yīng)力區(qū)有不斷減小的趨勢。同時(shí)隨著擠壓比增大，軸向壓應(yīng)力值不斷增大、軸向拉應(yīng)力值不斷減小，由此可見增大擠壓比可以降低裂紋產(chǎn)生的幾率。從徑向應(yīng)力圖可看出隨著擠壓比增大，同樣出現(xiàn)壓應(yīng)力值不斷增大、拉應(yīng)力值不斷減小的現(xiàn)象，凹模入口變形區(qū)域壓應(yīng)力梯度變化也隨之增大。從周向應(yīng)力圖可看出，出口端面處拉應(yīng)力區(qū)域及拉應(yīng)力最大值均隨著擠壓比增大而減小，壓應(yīng)力最大值隨著擠壓比增大而增大。由以上分析可知在相同的模角和摩擦因數(shù)條件下，增大擠壓比有助于防止表面和中心裂紋的產(chǎn)生。從等效應(yīng)變圖中可看出，隨著擠壓比增大，等效應(yīng)變逐漸增大，當(dāng)擠壓比λ=9時(shí)，出口拐角處應(yīng)變梯度變化最大。

當(dāng)凹模模角2α=40°及摩擦因數(shù)為（0.2、0.1）不變時(shí)，對(duì)不同擠壓比（λ=4，6，9）下普通擠壓過程進(jìn)行數(shù)值模擬，不同擠壓比對(duì)坯料普通擠壓過程應(yīng)力應(yīng)變影響如圖7所示。由圖7可知，與靜液擠壓相似，普通擠壓情況下坯料在入口段所受三向壓應(yīng)力逐漸過渡到出口三向拉應(yīng)力，且隨著擠壓比增大呈現(xiàn)出壓應(yīng)力不斷增大、拉應(yīng)力不斷減小的趨勢，但拉應(yīng)力區(qū)域隨擠壓比增大而減小現(xiàn)象不明顯，等效應(yīng)變的最大值及其梯度變化均隨著變形量增大而增大。

由圖6、圖7比較可得，在相同擠壓比情況下，普通擠壓過程中產(chǎn)生拉應(yīng)力區(qū)域相較于靜液擠壓增大較為明顯，靜液擠壓工藝因摩擦系數(shù)大幅度降低而減少了裂紋現(xiàn)象的產(chǎn)生。此外，普通擠壓過程中變形區(qū)壓應(yīng)力值的顯著提高會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力分布更加不均勻。

圖7 不同擠壓比對(duì)普通擠壓過程應(yīng)力應(yīng)變影響

擠壓比對(duì)普通擠壓和靜液擠壓過程擠壓壓力的影響

當(dāng)凹模模角2α=40°時(shí)，擠壓比對(duì)擠壓壓力的影響規(guī)律為兩種擠壓工藝所需擠壓壓力均隨著擠壓比增大而增大，且普通擠壓增大趨勢更為明顯。在相同模角情況下，靜液擠壓所需擠壓壓力均小于普通擠壓所需擠壓壓力。

結(jié)論

⑴由于靜液擠壓過程坯料與筒壁不直接接觸及高壓介質(zhì)在凹模處的動(dòng)力潤滑作用使得擠壓過程摩擦因數(shù)大幅度降低，從而減少了表面及心部裂紋產(chǎn)生的幾率，有助于提高材料表面質(zhì)量。

⑵擠壓壓力隨著擠壓比的增大不斷提高，隨著凹模模角增大出現(xiàn)先減小后增大現(xiàn)象，并存在一個(gè)最佳模角使得擠壓壓力最小。

⑶相同模角、擠壓比情況下，靜液擠壓所需擠壓壓力均小于普通擠壓。