CN104636535A

CN104636535A - 一种空心坯料反挤压工艺优化设计方法

Info

Publication number: CN104636535A
Application number: CN201410757099.XA
Authority: CN
Inventors: 林军; 陈强; 夏祥生; 舒大禹; 康凤; 黄树海; 赵祖德; 李祖荣
Original assignee: No 59 Research Institute of China Ordnance Industry
Current assignee: Southwest Institute of Technology and Engineering of China South Industries Group
Priority date: 2014-12-10
Filing date: 2014-12-10
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2034-12-10
Also published as: CN104636535B

Abstract

一种空心坯料反挤压工艺优化设计方法，属于金属塑性成形领域，目的在于克服现有空心坯料反挤压工艺设计所采用的“经验和试错”导致的工艺设计效率低下等问题。本发明基于空心坯料反挤压工艺中坯料和模具尺寸及坯料强度等参数，建立了包含成形力计算、坯料轴向压缩失稳、芯轴弯曲失稳等公式，用于优化出最佳坯料尺寸、最佳芯轴尺寸，以期合理降低成形力，优选出合适成形设备和模具尺寸。本发明计算公式准确可靠；工艺参数计算快速精准；显著提高工艺设计效率。

Description

一种空心坯料反挤压工艺优化设计方法

技术领域

本发明涉及金属塑性成形领域，尤其是涉及一种空心坯料反挤压成形工艺优化方法。

背景技术

飞机起落装置用铝合金轮辋、重型车辆用铝合金轮辋、镁合金轮辋及其他类似几何形状构件在恶劣工况下使用，对构件的塑性指标、强度指标等有较高要求，必须采用整体塑性成形工艺改善其组织和性能。采用实心坯料直接进行反挤压成形对设备有较高的要求。而采用空心坯料进行反挤压成形可有效降低成形力，可以在较低成形设备上完成成形过程。目前，空心坯料反挤压成形工艺设计中，由于缺乏如何界定参数设计中的约束条件，对坯料和芯模尺寸设计主要采用“经验+试错”方式进行，效率低，不利于空心坯料反挤压成形工艺设计和开发。本发明主要解决这个问题。

发明内容

本发明主要解决中空坯料反挤压成形中坯料、芯模尺寸参数设计所采用的“经验+试错”方法，提供一种中空坯料反挤压成形中坯料、芯模尺寸参数的优化设计方法。

本发明的优化设计方法采用了如下的流程优化流程：

a.根据给出的凹凸模直径D、d，初步给出中空坯料内径d_i、外径d_o、高度H、芯模直径d_m，其中要求d_m<d_i

b.判断坯料在压缩初期的是否在轴向压力下是否压缩失稳、芯模在稳定流动时是否弯曲失稳；

c.如果产生失稳，修改中空坯料、芯模尺寸，要求d_m<d_i，返回b步重新计算，如果不失稳，则输出坯料、芯模尺寸。

本发明的一种中空坯料反挤压成形中坯料、芯模尺寸参数的优化设计方法。中空坯料反挤压工艺如图1所示，图中D为凹模直径，d为凸模直径，d_m为芯模直径；d_i、d_o、H为坯料的初始尺寸；稳定挤压时(图左侧)，A、B和C为坯料的三个组成部分，其中A区域为刚性位移区、B部分为塑性变形区，C部分为未变形区，h为塑性变形区的高度。按照下面计算公式进行：

一、反挤压成形力计算

将反挤压变形力的计算分成两个部分，一是冲头下坯料镦粗变形力的计算，二是将坯料挤压至出模口的计算。

(1)坯料流入环形间隙的单位挤压力的计算

考虑到芯模直径为d_m的条件下，坯料流入环形间隙的单位挤压力的计算为，

\frac{p_{1}}{σ_{s}} = \frac{D^{2} - d_{m}^{2}}{d^{2} - d_{m}^{2}} \ln \frac{D^{2} - d_{m}^{2}}{D^{2} - d^{2}}

(2)镦粗变形条件下单位压力的计算

考虑到芯模直径为d_m的条件下，镦粗条件下单位变形压力计算公式为

\frac{p_{2}}{σ_{s}} = {(1 + \frac{μ}{h} d) - \frac{μ}{h} \frac{2}{3} \frac{d^{3} - d_{m}^{3}}{d^{2} - d_{m}^{2}}} (1 + \frac{D^{2} - d_{m}^{2}}{d^{2} - d_{m}^{2}} \ln \frac{D^{2} - d_{m}^{2}}{D^{2} - d^{2}})

在挤压成形中，坯料产生镦粗塑性变形的高度h约为凸模直径的1/9，那么镦粗条件下的单位压力为：

\frac{p_{2}}{σ_{s}} = {(1 + 9 μ) - 6 \frac{μ}{d} \cdot \frac{d^{3} - d_{m}^{3}}{d^{2} - d_{m}^{2}}} (1 + \frac{D^{2} - d_{m}^{2}}{d^{2} - d_{m}^{2}} \ln \frac{D^{2} - d_{m}^{2}}{D^{2} - d^{2}})

那么作用在凸模上的单位压力为

p_z＝p₁+p₂

即，

\frac{p_{z}}{σ_{s}} = {(1 + 9 μ) - 6 \frac{μ}{d} \cdot \frac{d^{3} - d_{m}^{3}}{d^{2} - d_{m}^{2}}} (1 + \frac{D^{2} - d_{m}^{2}}{d^{2} - d_{m}^{2}} \ln \frac{D^{2} - d_{m}^{2}}{D^{2} - d^{2}}) + \frac{D^{2} - d_{m}^{2}}{d^{2} - d_{m}^{2}} \ln \frac{D^{2} - d_{m}^{2}}{D^{2} - d^{2}}

二、失稳判据

1、坯料压缩失稳判据

空心坯料在压缩的初始阶段最易产生压缩失稳，坯料在轴向上受到的总压力为：

P = p_{z} \cdot \frac{π}{4} (d_{o}^{2} - d_{i}^{2})

在空心管坯承受轴向压力时，轴向力与坯料高度必须满足

E_{B} \cdot I_{B} \frac{d^{2} y}{{dx}^{2}} &GreaterEqual; P \cdot H

才能满足在成形初始阶段坯料轴向压缩不失稳。

2、芯棒侧压失稳下稳定性判据

在芯轴边缘位置，坯料承受垂直方向单位应力为；

\frac{σ_{z}}{σ_{s}} = (1 + \frac{D^{2} - d_{m}^{2}}{d^{2} - d_{m}^{2}} \ln \frac{D^{2} - d_{m}^{2}}{D^{2} - d^{2}}) \exp (9 \frac{μ}{d} (d - d_{m}))

考虑到屈服条件-σ_r+σ_z＝σ_s，那么作用在芯模上的径向压力为：

\frac{σ_{r}}{σ_{s}} = (1 + \frac{D^{2} - d_{m}^{2}}{d^{2} - d_{m}^{2}} \ln \frac{D^{2} - d_{m}^{2}}{D^{2} - d^{2}}) \exp (9 \frac{μ}{d} (d - d_{m})) - 1

记σ_r＝σ_r(D,d,d_m)，假设在挤压过程中存在单面偏心0.5mm，那么作用在芯模上的应力差为：

Δσ_r＝|σ_r(D,d,d_m+0.5)-σ_r(D,d,d_m-0.5)|

为了防止芯模在径向应力作用下的弯曲失稳，显然芯模尺寸需满足

E_{M} \cdot I_{M} \frac{d^{2} y}{{dx}^{2}} &GreaterEqual; {&Integral;}_{0}^{l} {Δσ}_{r} dx = {&Integral;}_{0}^{l} | σ_{r} (D, d, d_{m} + 0.5) - σ_{r} (D, d, d_{m} - 0.5) | dx, l = d / 9,

才能满足芯模不弯曲失稳。

附图说明

图1为中空挤压成形工艺示意图，其中1为冲头；2为芯模；3为凹模；4为坯料；5为下模。

具体实施方式

实施案例1

工艺参数：材料为7A04铝合金，坯料在挤压时温度为400℃，凸模挤压速度为10mm/s，当前成形参数下材料流动应力约为70MPa。假定凹模直径为D(单位为毫米，下同)，凸模直径为d，凹凸模(D/d)直径比定为1.2。

假定坯料外径为D-1mm，优化结果为：坯料内径最大为0.67d，高度最大为3.471(D-1mm)；芯模外径最小为：0.305d；作用在凸模上单位压力最大为327.5MPa。

实施案例2

工艺参数：材料为MB15镁合金，坯料在挤压时温度为380℃，凸模挤压速度为20mm/s，当前成形参数下材料流动应力约为95MPa。假定凹模直径为D，凸模直径为d，凹凸模(D/d)直径比定为1.2。

假定坯料外径为D-1mm，优化结果为：坯料内径最大为0.61d，高度最大为3.271(D-1mm)；芯模外径最小为：0.351d；作用在凸模上单位压力最大为407.1MPa。

Claims

1.空心坯料反挤压工艺优化设计方法，其特征在于：采用了如下流程优化坯料、芯模尺寸：

a.根据给出的凹凸模直径D、d，初步给出中空坯料尺寸(包括内径d_i、外径d_o、高度H)、芯模尺寸(直径d_m)，要求d_m<d_i；

b.判断坯料是否压缩失稳、芯模是否弯曲失稳；

c.如果产生失稳，修改中空坯料、芯模尺寸，要求d_m<d_i，返回b步重新计算；如果不失稳，则输出坯料、芯模尺寸。

2.根据权利要求1的空心坯料反挤压工艺优化设计方法，其特征在于：基于空心坯料反挤压工艺中坯料和模具几何参数及坯料、模具等力学性能等建立了优化公式及约束条件。

3.用于权利要求1的空心坯料反挤压工艺优化设计方法，其特征在于单位压力计算公式：

作用在凸模上的单位压力计算公式为：

\frac{p}{σ_{s}} = {(1 + 9 μ) - 6 \frac{μ}{d} \cdot \frac{d^{3} - d_{m}^{3}}{d^{2} - d_{m}^{2}}} (1 + \frac{D^{2} - d_{m}^{2}}{d^{2} - d_{m}^{2}} \ln \frac{D^{2} - d_{m}^{2}}{D^{2} - d^{2}}) + \frac{D^{2} - d_{m}^{2}}{d^{2} - d_{m}^{2}} \ln \frac{D^{2} - d_{m}^{2}}{D^{2} - d^{2}}

作用在芯模上的单位压力计算公式为：

\frac{σ_{r}}{σ_{s}} = (1 + \frac{D^{2} - d_{m}^{2}}{d^{2} - d_{m}^{2}} \ln \frac{D^{2} - d_{m}^{2}}{D^{2} - d^{2}}) \exp (9 \frac{μ}{d} (d - d_{m})) - 1

作用在凸模上的总挤压力计算公式为：

P = p \cdot \frac{π}{4} (d^{2} - d_{m}^{2})

4.用于权利要求1的空心坯料反挤压工艺优化设计方法，其特征在于空心坯料反挤压工艺中压缩压缩失稳判据表达式为：

E_{B} \cdot I_{B} \frac{d^{2} y}{{dx}^{2}} &GreaterEqual; P \cdot H

5.用于权利要求1的空心坯料反挤压工艺优化设计方法，其特征在于空心坯料反挤压工艺中的芯轴弯曲失稳判据的表达式为：

E_{M} \cdot I_{M} \frac{d^{2} y}{{dx}^{2}} &GreaterEqual; {&Integral;}_{0}^{l} {Δσ}_{r} dx = {&Integral;}_{0}^{l} | σ_{r} (D, d, d_{m} + 0.5) - σ_{r} (D, d, d_{m} - 0.5) | dx

其中：

σ_{r} = σ_{r} (D, d, d_{m}) = σ_{s} \cdot {(1 + \frac{D^{2} - d_{m}^{2}}{d^{2} - d_{m}^{2}} \ln \frac{D^{2} - d_{m}^{2}}{D^{2} - d^{2}}) \exp (9 \frac{μ}{d} (d - d_{m})) - 1}