CN109460607A - 一种超塑性锌铝合金管材拉拔成型模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超塑性锌铝合金管材拉拔成型模拟方法，包括以下步骤：步骤1：采用建模软件UG建立拉拔模具、粗合金管和拉拔机夹头的三维仿真模型；步骤2：将拉拔模具、粗合金管和拉拔机夹头的三维仿真模型以STL格式导出，然后传递到Deform塑性成型软件Pre Processor中的DEFORM‑2D/3D Pre模块中；步骤3：采用自动剖分法对粗合金管进行网格划分，并且对轧头以下进行细化分；步骤4：设置合金材料的本构方程参数，包括杨氏模量、泊松比、热膨胀率及应力应变曲线；步骤5：根据设置的合金材料本构方程参数，进行仿真模拟，得到仿真结果。本发明可以较为完整地评价超塑性锌铝合金管材的拉拔性能，用于指导高精度锌铝合金延期体制备过程中，拉拔模具和拉拔工艺优化设计。

Description

一种超塑性锌铝合金管材拉拔成型模拟方法

技术领域

本发明涉及金属材料的塑性成型及控制领域，对管材拉拔成型过程进行模拟仿真与优化，具体涉及一种基于Deform软件包的超塑性锌铝合金管材拉拔成型模拟方法。

背景技术

工业延期雷管广泛地应用于矿山开采、工程除险、石油勘探与开采、建筑业、高速公路、铁路、核电站等领域，在国民经济建设中占据重要的地位。高精度雷管延期体是决定爆破系统的起爆时间和爆破能力的重要元器件。延期体的制作一般是在外径为15~30mm，管壁厚为2~4mm，内径为8~24mm，长度为50~70mm的粗合金管中填装由氧化剂和还原剂混合后预制的延期药，然后一端轧尖，拉拔模具穿孔后，在拉拔机上进行拉拔，模具孔径按照一定的步长配备，管子通过穿模拉拔，实现外径逐次减径，管壁和内径也发生相应的变化（但管壁和内径变化规律较为复杂），管内的药粉逐渐致密化和均匀化分布，根据设计的目标要求，最终获得外径为4~10mm，管壁厚为1~3mm，内径为1~8mm，长度为1000~5000mm的含有致密均匀的延期药粉的合金细管（亦称延期索）。爆破器材生产厂家，进一步将延期索切成5~50mm长的延期体，用于装配延期雷管，从而制备出具有较高延期精度的延期雷管。

铅锑合金由于材质柔软流变应力低、易于加工成型而被广泛的应用于延期体的制备中。但是铅锑合金是一种重金属污染物，会对人体、动植物和土壤等造成严重和长期的危害。例如，铅进入人体后会通过血液循环侵入大脑神经组织，造成氧气和营养物质不能充分供给，进而损伤脑组织，危害人体健康，严重者甚至可能导致残废，儿童和孕妇较成年人更容易受到伤害，儿童对铅更加敏感，其神经系统对铅有更强的亲和力，一旦铅进入体内，其吸收量将会是成年人的好几倍，造成儿童的神经、造血、泌尿、免疫及心血管、消化系统等的损害，而孕妇则会增加流产机会，缩短怀孕周期，并且还会通过胎盘屏障影响胎儿的正常发育降。雷管延期体中的铅在猛炸药爆炸后会以氧化铅的形式进入土壤，然后通过空气、食物、水等途径进入人体并危害人体健康。随着“工业无铅化”进程的推进，逐步淘汰铅在雷管工业中的应用，因此急需寻找铅锑合金管的替代物，替代物需具有良好的超塑性力学性能，能够实现塑性成型，且变形热小。本专利在文献调研和发明人对材料多年研究的基础上，筛选出具有超塑性的锌铝合金，进行延期体的制备研究。锌铝合金是一种典型的超塑性合金，在高温下具有极低的流变应力和极大的延伸率，即使经过适当的热处理或在室温下变形也能获得超细晶甚至纳米晶组织，具有低应变硬化、低流变应力和高延展性，易于各种塑性加工成形。但是人们对于锌铝合金拉拔实验经验过少，尚未形成系统性的模具和工艺数据库，难以指导材料锌铝合金延期体制备工艺的优化设计。

因延期体的实验研究中，制备流程长，依次涉及到合金熔炼、合金热处理、管材挤压、管材热处理、管材拉拔等复杂工序，因此耗时长、成本高。同时，因为试验条件的稳定性难以保证，实验结果的准确性和重现性低。为了得到稳定和准确的试验结果，需要多次重复试验，研发成本高。

通过计算机数值模拟与验证实验相结合，建立合金材料参数、拉拔速度、减径锥角、定径区宽度和不同形变量等与拉拔应力的关系模型，从理论上进行模拟仿真，从而可以优化产品的加工工艺设计，改进锌铝合金延期体管材的拉拔性能，降低延期体的研发成本。因此，本发明提出了一种超塑性锌铝合金管材拉拔成型模拟方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超塑性锌铝合金管材拉拔成型模拟方法，可以更好地评价其拉拔性能，优化高精度锌铝合金延期体的制备工艺。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

步骤1：采用建模软件UG建立拉拔模具，粗合金管和拉拔机夹头的三维仿真模型；

步骤2：将拉拔模具、粗合金管和拉拔机夹头的三维仿真模型以STL格式导出，然后传递到Deform 塑性成型软件Pre Processor中的DEFORM-2D/3D Pre模块中；

步骤3：采用自动剖分法对粗合金管进行网格划分，并且对轧头以下进行细化分；

步骤4：设置合金材料的本构方程参数，包括杨氏模量、泊松比、热膨胀率、应力应变曲线

步骤5：对拉拔夹头进行工具动作定义，定义其拉拔方向和拉拔速度

步骤6：在对象性质模块中，将粗合金管定义为在FEM主动，并且进行体积的计算，算出在网格划分后的体积损失；

步骤7：在物件定位模块进行拉拔模具的位置定位，使拉拔模具和粗合金管处于相切状态；

步骤8：在对象间关系模块进行拉拔模具、拉拔夹头与粗合金管三者之间的主次关系定义，摩擦类型，是否传热等设置；

步骤9：根据设置的合金材料的本构方程参数，进行仿真模拟，得到仿真结果。

进一步地，所述步骤1中粗合金管外径为15~30mm，管壁厚为2~4mm，内径为8~24mm，长度为50~70mm的粗合金管，拉拔模具锥角为11.6°~19.6°，拉拔机夹头为活动钳口，拉拔过程随着轧头外径的变化，钳口与轧头保持夹持咬合，不发生滑脱和断裂。

进一步地，所述粗合金管，拉拔模具和拉拔机夹头沿x轴分布，并以x轴为对称中心，其中拉拔机夹头和粗合金管轧头贴合并保持相对静止状态。

进一步地，所述步骤4具体为：设置粗合金管为塑性体，夹头和模具为刚性体，设置夹头不同的拉拔速度和方向，拉拔模具定径区宽度以及拉拔模具，粗合金管和拉拔机夹头之间两两接触关系等；设置模拟步数，和每步的步长。

进一步地，所述仿真结果包括最优的定径区宽度，最优的拉拔速度，最优的模具锥角，应力应变分布云图，以及摩擦系数对拉拔阻力的敏感性规律

进一步地，所述步骤8具体为：

步骤8-1：将粗合金管和拉拔模具设置为剪切摩擦，两者之间可分离，摩擦系数为0.08，两者可以相互传热；

步骤8-2：将拉拔夹头和粗合金管设置为不可分离状态，两者之间处于不传热状态；

步骤8-3：进行对象之间的公差计算，并进行数据文件的产生。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明灵活性地使用塑性成型软件deform来模拟，通过拉拔夹头的平均拉拔力和粗合金管的逐道次形变情况，以及最多拉拔道次数来判定该材料的拉拔性能，优化设计加工工艺。

2、本发明将计算机模拟与验证实验相结合，建立合金管的材料参数，组合方式等因素与宏观性能的关系模型，从理论上预测拉拔结构，材质和拉拔条件对合金管拉拔特性的影响，降低实验研发成本。

3、本发明能够得到拉拔过程中合金管不同位置的应力应变分布，不同拉拔速度和拉拔阻力的关系图，不同模具锥角和拉拔阻力的关系图，定径区宽度和拉拔阻力的关系图等，从而优化拉拔工艺，获得高质量的拉拔产品。

附图说明

图1 本发明建立的三维模型示意图；

图2 本发明实施例中管材拉拔变形过程等效应力分布图；

图3 本发明实施例中点追踪图；

图4 本发明实施例中各点等效应力变化曲线图；

图5 本发明实施例中管材与模具间不同摩擦系数和拉拔阻力的关系示意图；

图6 本发明实施例中锥角为11.6°时锥角和拉拔阻力的关系示意图；

图7 本发明实施例中模具的不同锥角对拉拔阻力的影响示意图；

图8 本发明实施例中不同定径区宽度下拉拔阻力曲线；

图9 本发明实施例中模具不同定径区宽度对拉拔阻力的影响示意图；

图10 本发明实施例中不同拉拔速度下拉拔阻力曲线；

图11 本发明实施例中不同拉拔速度对拉拔阻力的影响示意图；

图12 本发明实施例中每个拉拔道次和不同形变量和平均拉拔阻力的关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

请参照图1，本发明提供一种超塑性锌铝合金管材拉拔成型模拟方法，包括以下步骤：

步骤1：用建模软件UG建立拉拔模具，粗合金管和拉拔机夹头的三维仿真模型，如图1所示；本实施例特别使用的粗合金管外径为16mm，管壁厚为3mm，内径为10mm，长度为58mm，减径模具锥角有11.6°，13.6°，15.6°，17.6°，19.6°五种不同锥角，拉拔机夹头为活动钳口，拉拔过程中，钳口张启度随着轧头外径的变化而变化，使得钳口与轧头保持夹持咬合，不发生滑脱和断裂；粗合金管，模具和夹头沿x轴分布，夹头和被拉拔的合金管轧头贴合，保持相对静止，模具和被拉拔的粗合金管一开始处于贴合状态 (此干涉状态是为了减少模拟步数，从而提高模拟效率)；

根据拉拔结构的对称性，选取1/4对称模型结构进行分析，来提高计算效率。另一方面由于管坯长度为58mm，每次拉拔的延伸长度都不一样，因此在模拟时，每道次拉拔模拟的步数要保证管坯拉拔彻底，同时又不要太多的步数避免耗费时间，节约计算成本。在本组模型中，为了兼顾时间效率和计算成本，第一道次的拉拔模拟计算步数为300步，步长为0.2。

步骤2：在UG装配图中进行STL格式的导出并将导出的STL格式传递到软件Deform中前处理Pre Processor中的DEFORM-2D/3D Pre模块中。

进入模拟控制专栏，单位选择SI标准，定义物件之间可传热，毛坯温度定义为20℃。

步骤3：对模型进行网格划分，采用自动剖分法对粗合金管进行四面体网格划分，并且对轧头以下部分进行细化分，使得分析结果更加精确。

定义各个模型中的材料属性，对主工件粗合金管进行材料定义，选择主工件粗合金管为塑性体，定义为材料库中的锌铝合金材料，拉拔夹头和拉拔减径模具默认选用刚体（材料定义要在网格划分之后，否则无法显示材料）。

步骤4：对拉拔夹头进行工具动作定义，定义其拉拔方向为x轴方向，拉拔速度为40mm/s

步骤5：在对象性质模块将粗合金管定义为载FEM主动，并且进行体积的计算，算出在网格划分后的体积损失

步骤6：在物件定位模块进行拉拔模具的位置定位，使拉拔模具和粗合金管处于相切状态（可以减少计算步数，提高计算效率）

步骤7：在对象间关系模块进行三者之间的主次关系定义，摩擦类型，是否传热等设置，将粗合金管和拉拔模具设置为剪切摩擦，两者之间可分离，摩擦系数为0.08，两者可以相互传热，将拉拔夹头和粗合金管设置为不可分离状态，两者之间处于不传热状态，然后再进行对象之间的公差计算，最后产生数据文件，开始模拟仿真计算。

步骤8：对模拟仿真结果进行分析

步骤9：模拟中在每道次拉拔结束后，如果要继续进行下一道次的拉拔，要先进行60s的散热模拟，（避免在接下来的拉拔中热量堆积，造成温度过高，轻则毛坯弯曲，影响成品质量，重则引燃延期药造成实验事故）

图2是管材拉拔变形过程等效应力分布图，通过点数据追踪模块将仿真结果进行处理，可以得到管内壁和外壁之间的塑性流动关系，如图3。在管材内壁取一点P1，在厚度方向每隔0.5mm选取7点进行分析。由等效应力分布图2和点位置及应力曲线图4可以看出在拉拔过程中，拉拔应力处于材料的屈服强度与抗拉强度之间，拉拔过程较稳定，管材内壁的变形抗力比外壁相对较大，拉拔应力从内壁到外壁逐渐减小，在拉拔后有一定的残余应力存在。

图5是管材与模具间不同的摩擦系数和拉拔阻力的关系示意图。可以看出，拉拔载荷与最大拉拔阻力呈现明显的正比关系，随着摩擦系数（μ=0.08、0.12、0.2、0.4、0.8、1.2）的增大，拉拔阻力也随之升高。主要是由于摩擦系数增大，导致管材拉拔过程摩擦功增大，同时使变形不均性增加，增大拉拔阻力。因此在实际生产中，可以考虑通过改善润滑条件来降低拉拔载荷。

图7是模具的不同锥角对拉拔阻力的影响示意图，图6是锥角为11.6°时锥角和拉拔阻力的关系示意图（其他角度的锥角和拉拔阻力的关系示意图类似不一一表述）。模具的拉拔模角α对拉拔过程影响较大，拉拔模角对管材拉拔时拉拔阻力大小、拉拔产生热量、模具损耗、管材出口尺寸、表面质量等产生影响，在特定情况下将会对成形后的管材综合性能造成不利结果。当入口锥角α过大时，管材瞬时变形剧烈，出口自尺寸不稳定，变形抗力增大。当入口锥角α过小时，管材与模具接触面积增大，此时摩擦力也会因此迅速上升，导致拉拔阻力过大，影响管材质量。由图可以看出，当α=11.6°时，平均拉拔阻力为2306.434N；当α=13.6°时，平均拉拔阻力为2102.818N；当α=15.6°时，平均拉拔阻力为1934.567N；当α=17.6°时，平均拉拔阻力为1887.356N；当α=19.6°时，平均拉拔阻力为1740.08N。拉拔阻力随着拉拔模角的增加而减小，因此拉拔入口锥角应根据实际实验选择合适的角度，使得管材整体受力和润滑情况都达到最佳效果。

图8的（1）（2）（3）（4）（5）是不同定径区宽度下拉拔阻力曲线，图9是模具不同定径区宽度对拉拔阻力的影响示意图。定径区宽度的大小对管材出口拉拔效果会产生一定的影响。在拉拔过程中，合理的定径区宽度能显著提高模具的寿命，对出口管材尺寸稳定化起到固定尺寸的作用，但是定径区宽度过小时，由于接触面积的减小，小直径的管材在拉拔后会产生明显的弯曲，这对后续的拉拔造成不必要的加工量，甚至使用矫直机也很难消除。如果定径区宽度过大时，由于接触面积增大，摩擦力加大，导致拉拔阻力也增加。通过分析Φ16~15.5mm这一道次的工艺过程，选取定径区宽度为管材外径0.25~0.4倍的管材直径。选取五种不同定径区宽度，分别为4mm、4.5mm、5mm、5.5mm、6mm。由图9可以看出，当定径区宽度为5mm时平均拉拔阻力最小，4mm时最大。定径区宽度为4mm时，接触面积较小，单位面积上施加的压力也较大，管材出口易产生弯曲。当定径区宽度过大，变形区到定径区接触面积增多，导致摩擦力增大，增加拉拔难度，使得拉拔阻力升高。由此可以看出定径区宽度对管材拉拔影响较大。因此模具定径区宽度应合理设计，在Φ16~15.5mm这一道次选择定径区宽度为5mm较为合理。

选取五种不同拉拔速度即40mm/s、41mm/s、42mm/s、43mm/s、44mm/s，其他拉拔条件相同时的最大拉拔力的变化情况。图10是不同拉拔速度下拉拔阻力曲线,图11是不同拉拔速度对拉拔阻力的影响示意图。可以看出，锌铝基合金管的拉拔阻力随着拉拔速度的增加而增大，这主要是拉拔速度增大后，应变速率也增大，从而引起金属管材的等效流变应力增加，导致拉拔阻力也逐渐变大。因此需要根据实际情况选取适当的拉拔速度，本次实施例选取贴近实际的40 mm/s。

图12是每个拉拔道次下，不同形变量和平均拉拔阻力的关系示意图。可以看出当减径量为0.5mm时，平均拉拔阻力为1579.665N；当减径量为1mm时，平均拉拔阻力为2386.465N；当减径量为1.5mm时，平均拉拔阻力为2630.184N；当减径量为2mm时，平均拉拔阻力为3040.152N；当减径量为2.5mm时，平均拉拔阻力为3339.436N；当减径量为3mm时，平均拉拔阻力达到最大值3865.785N。这是因为随着变形量的增大，模具与工件之间的摩擦力与阻力加大，使得变形困难，因此需要更大的拉拔阻力使管材发生变形，根据实际生产效率和产品质量要求，本次实验采用减径量为0.5mm。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种超塑性锌铝合金管材拉拔成型模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：采用建模软件UG建立拉拔模具、粗合金管和拉拔机夹头的三维仿真模型；

步骤2：将拉拔模具、粗合金管和拉拔机夹头的三维仿真模型以STL格式导出，然后传递到Deform 塑性成型软件Pre Processor中的DEFORM-2D/3D Pre模块中；

步骤3：采用自动剖分法对粗合金管进行网格划分，并且对轧头以下进行细化分；

步骤4：设置合金材料的本构方程参数，包括杨氏模量、泊松比、热膨胀率、应力应变曲线；

步骤5：对拉拔夹头进行工具动作定义，定义其拉拔方向和拉拔速度；

步骤6：在对象性质模块中将粗合金管定义为在FEM主动，并且进行体积计算，算出在网格划分后的体积损失；

步骤7：在物件定位模块进行拉拔模具的位置定位，使拉拔模具和粗合金管处于相切状态；

步骤8：在对象间关系模块进行拉拔模具、拉拔夹头与粗合金管三者之间的主次关系定义，摩擦类型，是否传热等设置；

步骤9：根据设置的合金材料的本构方程参数，进行仿真模拟，得到仿真结果。

2.根据权利要求1所述的一种超塑性锌铝合金管材拉拔成型模拟方法，其特征在于：所述步骤1中粗合金管外径为15~30mm，管壁厚为2~4mm，内径为8~24mm，长度为50~70mm，拉拔模具锥角为11.6°~19.6°，拉拔机夹头为活动钳口，在拉拔过程中，钳口开启度随着轧头外径的变化而发生变化，使得钳口与轧头保持夹持咬合，不发生滑脱和断裂。

3.根据权利要求1所述的一种超塑性锌铝合金管材拉拔成型模拟方法，其特征在于：所述粗合金管、拉拔模具和拉拔机夹头沿x轴分布，并以x轴为对称中心，其中拉拔机夹头和粗合金管轧头保持夹持咬合，不发生滑脱和断裂。

4.根据权利要求1所述的一种超塑性锌铝合金管材拉拔成型模拟方法，其特征在于：所述步骤5具体为：设置粗合金管为塑性体，夹头和模具为刚性体，设置夹头不同的拉拔速度和方向，拉拔模具定径区宽度以及拉拔模具，粗合金管和拉拔机夹头之间两两接触关系等；设置模拟步数和每步的步长。

5.根据权利要求1所述的一种超塑性锌铝合金管材拉拔成型模拟方法，其特征在于：所述仿真结果包括最优的定径区宽度，最优的拉拔速度，最优的模具锥角，最适合的摩擦系数，以及对应的应力应变分布云图。

6.根据权利要求1所述的一种超塑性锌铝合金管材拉拔成型模拟方法，其特征在于：所述步骤8具体为：

步骤8-1：将粗合金管和拉拔模具设置为剪切摩擦，两者之间可分离，摩擦系数为0.08，两者可以相互传热；

步骤8-2：将拉拔夹头和粗合金管设置为不可分离状态，两者之间处于不传热状态；

步骤8-3：进行对象之间的公差计算，并产生数据文件。