JD21-100開式曲柄壓力機的設計
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通過傾斜樣品鐓粗加工實現成形壓力機加載
K. Chodnikiewieza*, S.B. Petersenc, R.Baiendrab, P.A.F. Martinsc
a波蘭華森、85.02-524、那巴特科技大學
b斯特拉斯克萊德大學，格拉斯哥，蒙特羅斯大街75號，英國
c.葡萄牙Lisboa Codes1096號Rorisco Pais大街、專科高等教育學院
摘要：對傾斜樣品進行鐓粗是加載成形壓力機的一個途徑，而通過垂直和水平施力進行鐓粗加工是一種可行的方法。然而，由于樣品界面的條件分配不均，需要對該方法的使用范圍進行量化。傾斜樣品的塑性形變通過使用一種名為PAST2的FE代碼進行分析。通過分析，本文提出了試驗樣品選擇及試驗范圍的指導方針。很明顯，潤滑條件、樣品的減少、及垂直與水平力度比，在變形的整個過程中并非恒定不變。因此，當研究這些統(tǒng)一特性的范圍時，有對壓力特性進行分必要析。
關鍵詞：成形壓力,鐓粗,樣品,有限元法
1.引言
鐓粗也許是最常用的金屬成形方法。實踐中，鐓粗用于單獨的成形工序，或用于更加復雜成形工序的初期階段。在機械測試中，鐓粗用于提取流變曲線、摩擦參數及可加工性。鐓粗試驗還常用于確定分析方法和數值方法的可靠性，以描述與金屬流等有關的具體現象。
為了便于評估壓力彈性，對平行表面的金屬樣品進行鐓粗，從而產生一種與壓型壓力（通常是垂直的）軸相平行的壓力。這種通過對壓型壓力的彈性偏向進行測量的方法，引申出成形壓力的一個垂直的和兩角的剛性系數[1,2]。
盡管如此，在許多情形中，成形壓力的加載來自垂直和水平兩個方向。水平方向的壓力FH和垂直方向的壓力FV的比例構成了成形壓力F，其值可高達0.2；
因此，在壓力彈性檢測的過程中，須對這些加載條件進行模擬實驗?？梢酝ㄟ^在兩個斜墊圈（圖1（a））之間的液壓千斤頂進行加壓，但活塞與氣缸的摩擦力會使得該方法有失準確。通過最近提出的另一方法能獲得更具代表性的加壓條件，這種方法建立在鐓粗傾斜樣品的基礎上（圖1（b））
遺憾的是，這種鐓粗方法并不常見：其流程的某些方面Ramaeker和Kals[4]已進行過報道。兩人皆考慮到了
材料流動的不穩(wěn)定性是因工具角度未對準造成的。然而，Ramaekers和Kals并未對此流程進行詳述。因此，在使用鐓粗傾斜樣品進行壓力彈性實驗之前，需要加以更全面的分析。
2. 求解方法
對傾斜樣品的鐓粗可使用2-D有限元程序PLAST2進行模擬。該程序建立在變分原理的基礎上，由葡萄牙里斯本技術?？聘叩冉逃龑W院開發(fā)。該原理要求所有容許速度uj能滿足兼容性和不可壓縮性條件，并能使如下函數成立：
在這個表達式中，是有效應力，而是有效應變率，Tj是表面牽引力，SF是牽引力作用的表面，V是體積。有效應力和有效應變率分別做如下定義：
其中和分別表示偏應力和偏應變率。若函數的值不變，其一階變分消失；即=0.不可壓縮性的定義如公式：
其中，是體積應變率。為將其考慮在內，使用了補償函數，這要求對函數進行修改[5]。
修改后的函數的公式如下：
其中，K是一個大的正罰常數。若函數的第一個變分消失，得到：
那么，平衡方程式和體積固定性約束將會同時得到滿足（5）。公式（6）對以上變分方程進行了描述。
忽略樣品及模具的彈性形變，則有效應變率和偏應力之間的關系可通過Levy-Mises公式進行表達：
其中，代表塑性區(qū)，與屈服應力相等；的公式如下：
其中，C和n表示材料常數，表示有效張力：
其中，表示張力。
另外，使用了Wanheim和Bay[7]提出的摩擦力模型。按照該模型，摩擦應力的公式是：
當比例小于1.5，工作界面的摩擦力和正應力p成比例；當大于3時，相對摩擦應力=f·a接近一個恒定值，該值等于f（圖2）。為了消除在中心處摩擦應力突變，得出如下近似值：
其中，j是單位矢量，其方向與模具的工作材料速度Us 的方向相反；并且與Us 相比，V0是一個小的正數（6）。
[8]中提供了PLAST2的有關具體信息。使用PLAST2進行的金屬流動分析結果與實驗結果吻合。
3. 假設
本分析采用了如下假設：
（i）具備平面應變鐓粗條件
（ii）當工作材料相對上模進行運動時，在下模樣品界面上主要以黏著摩擦為主。這種假設與實驗條件相符，即下模粗糙，而上模及樣品較光滑，潤滑良好。
（iii）低碳鋼的抗屈強度和有效應變速率質檢的關系假設為：
（iv）樣品的初始幾何關系可通過Ho/Bo的比例體現，其中Ho是沿著樣品中心線測得的原始平均高度，Bo是樣品原始寬度，而β是模具和樣品構成的角度（詳見圖1）。
（v）如下比例
用于確定樣品高度的減少量，其中H是樣品在中心線處的當前高度。
（vi）分析采用了如下基本參數：Ho/Bo = 0.5, f= 0,5,β= 10 °。對于該分析，在其它參數保持不變的時候，每個參數都會與規(guī)定值有所差異。
4. 實驗結果
平形及傾斜樣品的變形中，后者的特點可從圖3的基本參數及相對壓力p/σo在樣品上表面的分部可以看出。樣品與上模之間的間隔受到接觸面的摩擦力的影響。傾斜樣品的變形描述如下：
（i）流變模型并不關于中心線對稱。
（ii）流向楔形樣品較厚一邊的金屬體積比流向其較薄的一邊的金屬體積大。
（iii）中點N向樣品較薄一邊位移。在該點上，物質流沒有相對于上模的正切分量。
（iv）在樣品較厚一邊處，產生了上模與傾斜樣品之間的間隔。傾斜樣品的變形是減值e、摩擦力f，角度β及Ho/Bo比例的一個復變函數。對于不同減值e及當常數f=0.5, β= 10 ° 和 Ho/Bo=0.5時，樣品的對應形狀如圖4（a）所示。N-N線代表了中點在鐓粗過程中所處的位置，而R-R則代表了由于成形力的加載而產生的位移。對于一個較小的減值，中點的相對坐標XN/Bo會保持不變（如圖4（b）），但是對于較大的減值，XN/Bo比值會明顯改變。變形在不同截面的值與上模和樣品之間的間隔相關：這種關系在圖4（a）中得到明顯體現。由于間隔改變樣品與上模的接觸面積，中點會向樣品較薄一邊偏移。當e = 20%, β= 10 ° 及 Ho/Bo = 0.5時，對于各種摩擦因子的樣品形狀如圖5所示。進行了如下觀察：
（i）間隔取決于摩擦因子：當f= 0時，在變形初期間隔較大；而當f= 1.0時，則不會產生間隔。
圖7 比FA/ FV作為過程參數的函數：(a）（FA / FV）（FL）為E和f= 0.5不同的值，f= 0.5；（b）(FH / fvxe）為和常數f = 0.5的值不同，f= 0.5；（C）（FH / fvxe）為F和FL =常數10 f的不同值=0.5；（d）（FH / FV）（E）不同Fm / Fv= 10，F = 0.5
（ii）摩擦因子對中點位置的影響比對樣品形狀的影響大。相對于常數e、f及Ho/Bo比例的實際線性函數XN(β)/Bo如圖6（b）所示。所得的結論與前一種情況類似：即角度β影響到中點的位置，而非樣品變形后的軸向截面的形狀。
鐓粗合力F（FH, Fv）傾向中線。因為工作材料從上表面滑向樣品的薄邊和厚邊，其結果是，合力的傾斜角度會比上模的傾斜角度β小，即：
相對于不同的e，常數f及Ho/Bo比值的函數(FH/Fv) (β)如圖7（a）所示。其中可見FH/Fv比率并不受e的水平的影響。這種情況中，可使用如下的等式：
這種特點符合壓型彈性實驗，因為它簡化了對力比相關數據的使用。所選的β及常數f和Ho/Bo的函數(FH/Fv)(e)（如圖7（b）所示）證實了如上特點。圖7（c）和圖7（d）表明，在壓型機剛性實驗的過程中，應確保降低摩擦力和Ho/Bo比值。如果這點可以保證，FH/Fv比值會實際上不受樣品減少的影響。當Ho/Bo = 1.0時（如圖7（d）所示），函數(FH/Fv) 偏離于其它曲線趨勢是因為使用的樣品太大，后者在形變初期階段產生了彎曲。單位成形壓力（與樣品長度相關）垂直分量與減值e的關系如圖8所示。在圖8（b）的基礎上，能得出結論：對于相對較小的變形，成形壓力的垂直分量實際與模具之間構成的角度無關，包括當β= 0時。該特點簡化了用于壓型機彈性測試的樣品選擇流程。成形壓力的垂直分量可以按照表面平形的樣品鐓粗常用的等式計算而得。
合力的第三個特點是作用點i。該點的位置在圖4（a）已經以R-R線的形式進行了確定。正式的作用點與中點一致。因此，對于中點所得出的結論，同樣適用于合力的作用點。
圖8.的關系，C：，：成形力的Fv／L作為過程參數的函數：（一）皮質部分的]和P = 10T選定的值Ho / B O = 0.5；（b）的選定值/我和F = 0.5，H = 0.5.
5. 結論
1. 對于樣品的固定摩擦和固定相對高度 Ho/Bo，成形壓力水平分量與垂直分量的比例FH/Fv主要取決于樣品對上模的傾斜度。
2. 可以選擇一個傾斜樣品，以便FH/Fv比例不會受到樣品的減少的影響。為了達到該目的，應滿足如下條件：（i）樣品的減少應保持相對較低，如當f= 0.5時，其值不應超過20°，而當摩擦較高時，允許較大的減少值；（ii）樣品相對高度Ho/Bo應小于0.5；（iii）樣品與上模界面之間的摩擦應保持相對較低。
參考文獻
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