電液顫振冷擠壓成形數(shù)值模擬與表面效應(yīng)研究.pdf

1、近年來，隨著國內(nèi)外汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，越來越多的汽車零部件由切削工藝改為冷擠壓加工。然而對(duì)于冷擠壓加工被業(yè)內(nèi)稱為所謂的“難成形零件”（體積尺寸大、精度要求高、形狀復(fù)雜、常溫下金屬流動(dòng)性差、成形變形抗力大等），則需要價(jià)格高昂的大噸位壓力機(jī)，而使得企業(yè)往往難以承受，并要求模具材料具有高強(qiáng)度的同時(shí)，還需具備足夠的沖擊韌性、耐磨性和回火穩(wěn)定性。為解決“難成形零件”的冷擠壓加工技術(shù)問題，本文在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“高頻顫振激勵(lì)下金屬塑性成形過程表

2、面效應(yīng)及其致成機(jī)理研究”的資助下，開展電液顫振冷擠壓成形數(shù)值模擬建模分析和實(shí)驗(yàn)研究，探究電液顫振冷擠壓成形過程的表面效應(yīng)，總結(jié)歸納理想電液顫振條件與規(guī)律，以期形成電液顫振冷擠壓關(guān)鍵工藝。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴分別對(duì)傳統(tǒng)反擠壓和電液顫振反擠壓兩種工作狀態(tài)進(jìn)行力學(xué)分析，采用主應(yīng)力法，基于非局部摩擦模型，運(yùn)用Taylor級(jí)數(shù)和Mises屈服準(zhǔn)則，推導(dǎo)了兩種擠壓工作狀態(tài)下的摩擦力及總擠壓力的計(jì)算公式，并結(jié)合KpareЛbckИЙ提出

3、的摩擦系數(shù)和滑動(dòng)速度關(guān)系式以及沖頭與坯料之間周期性的脫離和接觸效應(yīng)，分析顫振對(duì)界面摩擦系數(shù)、摩擦力和擠壓力的影響，發(fā)現(xiàn)：對(duì)頂桿和擠壓筒施加顫振具有減摩降載作用，顫振最大速度越大其效果越明顯，并存在一個(gè)臨界值，擠壓筒與坯料界面的減摩效果是降載作用的關(guān)鍵。⑵利用DEFORM-3D軟件分別對(duì)傳統(tǒng)反擠壓和顫振反擠壓成形過程進(jìn)行有限元模擬仿真，結(jié)果表明：顫振可改變成形過程中的材料流動(dòng)規(guī)律，使得局部區(qū)域的材料流動(dòng)速度大于傳統(tǒng)擠壓時(shí)的流動(dòng)速度；當(dāng)施加

4、的顫振最大速度小于擠壓速度時(shí)，顫振并不能降低其擠壓力與摩擦力，對(duì)等效應(yīng)變的影響也并不顯著；當(dāng)顫振最大速度大于擠壓速度時(shí)，顫振可顯著降低其擠壓力與摩擦力，改變材料應(yīng)變分布。⑶搭建電液顫振冷擠壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)研究6061鋁合金反擠壓過程，實(shí)驗(yàn)表明：較之于傳統(tǒng)擠壓方式，當(dāng)引入顫振激勵(lì)后，坯料在成形過程中最后成形階段的穩(wěn)定行程載荷明顯降低，顫振最大速度越高，其效果越明顯，當(dāng)工具的顫振頻率為200Hz、幅值為0.012mm時(shí)，該值降低約8.22％

5、，獲得的成形件底面和側(cè)面硬度平均值分別為427HV和387HV，較傳統(tǒng)冷擠壓獲得的成形件硬度191HV和204HV明顯要高。同時(shí)在頂桿顫振和沖頭擠壓的雙重作用下，金屬材料流線發(fā)生明顯變化，成形件杯底出現(xiàn)明顯的金屬流線界限，成形件的表面質(zhì)量得到改善。⑷設(shè)計(jì)制作等杯徑雙杯復(fù)合擠成形工具并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)合摩擦系數(shù)理論標(biāo)定曲線，獲得不同電液顫振下的摩擦系數(shù)。結(jié)果表明：在傳統(tǒng)冷擠壓條件下，工具與材料邊界面的摩擦系數(shù)約為0.167，當(dāng)下沖頭和擠壓筒分

6、別施加頻率為100Hz、幅值為0.012mm和頻率為200Hz、幅值為0.012mm的電液顫振時(shí)，其邊界面摩擦系數(shù)分別下降為0.045和0.038。⑸以汽車萬向節(jié)十字軸套為載體，有限元分析和實(shí)驗(yàn)研究電液顫振冷擠壓工藝，結(jié)果顯示：當(dāng)施加顫振頻率為200Hz、輸入油液壓力8MPa時(shí)，最大擠壓力可下降5.1%，表面粗糙度Ra從0.755μm下降到0.503μm，增大輸入電液顫振臺(tái)的油液壓力比提高顫振頻率對(duì)降載更有效，當(dāng)顫振速度達(dá)到一定值后，顫