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关于三通调节阀阀体零件多向主动加载成形过程数值模拟

目前随着科学技术的发展,兵器、航空、航天等领域对三通调节阀 体零件的性能、精度提出了更高的要求。而铸造阀体难以满足其性能要求,若采用锻造——切削加工的制造工艺,不仅材料利用率低、模具寿命短而且后续加工切断了金属流线,影响产品性能。改为多向主动加载成形后,不仅减少了工序,而且材料利用率可大大的提高。如再考虑工序减少后模具、设备的减少和生产效率的提高,其经济效益和社会效益更为可观[1]。目前国内外虽然对三通阀体零件多向主动加载成形的研究和生产应用己经取得了长足的进步,但是还存在一些问题和不足,主要是:没有对不同的多向主动加载成形方式在时间-速度图、等效塑性应变图以及在加载过程中凸模做功、挤压力曲线等方面进行比较,没有对最佳工艺方案的金属流动规律进行研究,进而缺乏对工艺参数进行优化与控制。所以,难以获得良好的三通阀体零件。本论文将对此进行探讨,以对实际生产提供一定的参考。

1多向主动加载的成形方法

普通的金属塑性成形时,只是在轴向或横向加压变形[2],多向加载成形是同时或顺序在轴向和径(侧)向加压,成形出不同方向带枝牙和空腔类结构复杂的零件[3]

本文采用Msc.marc软件对三通阀体零件多向主动加载成形过程的金属流动规律进行了数值模拟。多向主动加载工艺是通过多向挤压机两个或多个缸带动模具在相互垂直的不同方向进行独立的、可协调的运动使工件产生大的塑性变形,得到所需的工件[4]。在成形过程中先将凸模1、凸模2、凸模3与水平凹模闭合,形成封闭的型腔,然后通过凸模1、凸模2和凸模3分别运动,从不同方向对在同一模膛内的坯料进行挤压成形。图1为三通零件图,图2为零件的加载过程。工件坯料可受到垂直的凸模2和水平方向凸模1、凸模3的作用,从而完成三个方向的挤压成形。

图1 三通件零件图

图2 零件的加载过程示意图

2几何模型的建立

2.1 几何模型简化

模拟复杂零件挤压问题的单元网格规模太庞大,可导致计算机的动态内存分配空间不足,为降低计算过程对内存容量的要求,且保证模拟精度不受影响,对几何模型进行适当的简化。根据零件的对称性,侧向挤压时,轴向和径向的两个对称面上金属流动相反,以轴对称面分成的四部分结构性状的物理特性的约束条件完全重合,所以选取四分之一进行三维模拟,来分析金属的流动规律[4]。具体简化模型如图3所示。

2.2 几何模型的建立



图3 简化的模型

三通阀体类零件结构虽然比较复杂,二维的轴对称和平面模型都不能对其进行准确的描述[5]。因此采用三维对其进行模拟分析,几何模型的建立有两种方法,一种是运用MENTAT提供的命令在Marc中直接建立几何模型;另一种是用AutoCAD或UG、Pro/E等软件造型,然后通过Marc软件的CAD接口与这些软件进行数据交换,将几何模型导入到Marc中。第二种方法能够很方便地造型,但是把它导进Marc中时,有些复杂的实体表面无法直接转化成定义模具的接触表面,还需要再修改,修改过程较复杂,为避免不必要的麻烦,可采用直接在软件Marc中造型的方法。毛坯材料为AZ31镁合金,在材料库中输入asm_Magn_51;设工件温度为352℃;将工件初始单元边长设为2mm的正方形单元;摩擦因子为0.1。

3成形工艺方案的确定

图4 不同加载方式的时间-速度图

方案A:多向同步加载多向同步加载是凸模1、2以不同的速度同时进行加载,从而完成侧孔和顶部孔的成形。其具体行程曲线如图4(a)所示。

方案B:多向分步加载多向分步加载分三步挤压完成。首先,凸模1先向左运动;其次,凸模2向下运动;最后,凸模1再向左走完剩余的路程,此时行程全部走完。具体行程曲线如图4(b)所示。

方案C:多向顺序加载多向顺序加载是凸模1先向左运动,完毕后,凸模2再向下运动。具体行程曲线如图4(c)所示。

在实际生产过程中凸模1、2不可能相碰,因此两个相对的孔不可能相通,需要留一部分金属,最后机加工成形。本文每对孔中间留10mm。


图5 不同加载方式的等效塑性应变云图

图6 挤压力的比较

三种方案的比较通过以上三种方案的比较,多向同步加载、多向分步加载、多向顺序加载的等效塑性应变云图如图5所示,可以更加形象地看出其凸模1、2运动的方式不同。从图6可以看出三个方案中凸模1、2的走向大致相同,但其做功不同,凸模1和凸模2总的做功大小依次为:344.67、346.61、321.48N•m。三种方案从做功方面比较,A和B方案比C方案较大,但是,从图6可以看出:方案C在加载过程中,挤压力在挤压末期急剧下降,且持续时间短,因此对模具寿命影响很大;方案A中的凸模1在加载过程中金属容易出现折叠(如图方案A中椭圆处),并且在加载过程中挤压力的曲线的变化比较快,出现了尖角,这对模具使用寿命也有很大的影响。而在方案B中,凸模1和凸模2的挤压力曲线没有像方案A中变化那么快,也没有像方案C中出现急剧下降现象,而是平滑过渡,这就减小了对模具的损伤;也不会出现金属的折叠。综上分析,方案B多向顺序加载为最佳成形工艺,可供实际生产参考。

4 多向分步加载金属流动规律的研究

凸模1和凸模2分步进行加载,但由于凸模1先向左运动125步,使坯料产生变形。其30步的速度矢量图如图7(a)所示,由于金属总向阻力小的方向流动,因此,金属主要向右方向的凸模1和凹模之间的间隙流入,挤压为反向挤压;然后凸模1不动,凸模2开始向下运动,随着凸模2行程的不断增加,金属在向右方向的凸模1和凹模之间的间隙流入的同时更主要向凸模2与凹模间形成的半圆柱形凸起的空腔流入,此时挤压为反向和纵向挤压同时进行的混合挤压,如图7(b)所示;当凸模2向下运动到335步时,凸模1又开始向左运动,如图7(c)所示,此时金属主要是填充凸模1和凹模之间的空腔,此时挤压主要是纵向挤压[7]。从上面的多向分步加载速度矢量图,可以看到,凸模1和凸模2分布运动,实现了多向主动加载的成形,凸模1首先与坯料接触,成形侧孔,当运动到凸模2接触坯料时,金属并未充满凹模,这为纵向挤压金属流动留出空间。随着凸模1、2对坯料的作用,金属不断向半圆柱形凸起空腔流入,以凸模1圆筒工作面为中心向四周扩散,从而形成顶部的孔[8]

图7 多向分步加载速度矢量图

5 结论

(1)多向同时加载容易出现金属的折叠并且在加载过程中挤压力曲线变化较快,出现了尖角,这对模具的寿命有很大的影响。
(2)多向顺序加载时,挤压力曲线在挤压末期急剧下降且持续时间短,这也对模具有很大影响。
(3)多向分步加载挤压力曲线为平滑过渡,这就减小了对模具的损伤,并且也不会出现金属折叠,因此为最佳的工艺方案。
(4)多向分步加载成形时的金属流动方式比较复杂。通过对加载速度矢量图的分析,可知开始金属向右方向的凸模1和凹模之间的间隙流入,随后向凸模2与凹模形成的半圆柱形凸起的空腔流入,直到金属完全充满。

参考文献:

[1] 华林,赵仲治.多向模锻合模分析和参数设计[J].汽车科技,1997,1(2):6-7.
[2] 王玉.塑性加工技术前沿综述[J].塑性工程学报,2003,10(6):4-7.
[3] 吴向东,万敏,周贤宾,等.BH220钢板屈服轨迹的双向拉伸实验研究[J].塑性工程学报,2004,11(1):44-47.
[4] 贾佳.带凸台的复杂空腔零件多向加载过程金属流动规律研究[J].锻压装备与制造技术,2007,(1):29-31.
[5] 乔中莲.履带板挤压成形工艺研究[D].太原:中北大学,2006.
[6] 黄光法,林高用.大挤压比铝型材挤压过程的数值模拟[C].中国有色金属学报,2006,(5):889.
[7] XiaJ,WangY.A study a die set for the multiway die forging of pipejoints[J]. Int J.Mach.Tools Manuf,1991,(1):23-30.
[8] 洪慎章.冷挤压实用技术[M].北京:机械工业出版社,2004.