浅析挤压温度对磁轭温挤压模具的影响.pdf

挤压模技术 浅析挤压温度对磁轭温挤压模具的影响 陈琳 长江工程职业技术学院机械工程系( 湖北武汉4 3 0 2 1 2 ) 【摘要】通过有限元分析软件D E F O R M 一3 D 对4 C r 5 M o S i V l 材质的磁轭温挤压模具进行了 分析，找出了挤压温度对磁轭温挤压模具温度、模具挤压力、凹模载荷、模具应力的影响分 析。试验证明：随着挤压温度升高，挤压力下降，模具应力小，特别是挤压终了时凹模载荷 小，模具发生塑性变形倾向小；然而，挤压温度越高，工件挤压终了时模具表面温度越高， 会使模具出现冷热疲劳造成模具早期失效。 关键词：模具；温挤压；挤压温度；有限元；失效 中图分类号：T G 3 7 2文献标识码：B A n a l y s i so ft h eI n f l u e n c eo fE x t r u d i n gT e m p e r a t u r e o nt h eM a g n e t i cY o k eT e m p e r a t u r eE x t r u d i n g 【A b s t r a c t 】T h ea r t i c l ed o e st h ea n a l y s i so f4 C r 5 M o S i Vlm a t e r i a lo fm a g n e t i cy o k et e m p e r a t u r e e x t r u d i n gd i et h r o u g ht h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r eD E F O R M - 3 D ，i no r d e rt of i n do u tt h e i n f l u e n c eo ft h ee x t r u d i n gt e m p e r a t u r eo nt h ed i et e m p e r a t u r e ，t h ed i ee x t r u d i n gf o r c e ，t h ed i e l o a da n dt h ed i es t r e s so ft h em a g n e t i cy o k et e m p e r a t u r ee x t r u d i n g T h et e s ts h o w st h a tM l o w e d t h ee x t r u d i n gt e m p e r a t u r ed e c r e a s e d ，e x t r u d i n gf o r c ei sr e d u c e d ，a n dt h ed i es t r e s si ss m a l l E s p e c i a l l y ，t h ed i el o a di ss m a l la tt h ee n do fe x t r u d i n g ，a n dt h ep l a s t i cd e f o r m a t i o nt e n d e n c yo f t h e d i ei ss m a l l ；H o w e v e r ，t h eh i g h e rt h ee x t r u d i n gt e m p e r a t u r e ，t h eh i g h e rt h ed i es u r f a c e t e m p e r a t u r ea tt h ee n do ft h ee x t r u d i n g ，t h em o l dw i l la p p e a rh o ta n dc o l df a t i g u e ，r e s u l t i n gi n e a r l yf a i l u r eo ft h em o l d K e yw o r d s ：d i e ；w a r me x t r u d i n g ；e x t r u d i n gt e m p e r a t u r e ；f i n i t ee l e m e n t ；f a i l u r e 1引言 近年来，随着模具工业的发展，模具作为机械加 工工艺装备的常见形式之一，其寿命高低、性能的好 坏直接关系到制件质量和社会效益。分析和研究影 响模具失效的原因，采取相应的有效措施能提高模具 使用寿命，并能较好地产生经济效益。变形温度、变 形程度、变形力、变形速度、模具材料、模具结构、摩擦 等是温挤压变形过程的基本因素，这些因素直接影响 着模具的早期失效和寿命。本文通过有限元分析软 件D E F O R M 一3 D 对4 C r 5 M o S i V l 材质的磁轭温挤压模 具进行分析，找出挤压温度对磁轭温挤压模具影响。 2 模拟方案的制定 为研究这些工艺因素对温挤压成形过程的影响， 利用D E F O R M 软件对磁轭温挤压成形过程进行三维 刚粘塑性有限元数值模拟。现对圆柱毛坯在不同的 挤压温度条件下，温挤压成形磁轭的过程进行有限元 数值模拟研究，找出不同工艺参数对磁轭温挤压成形 的影响状况和影响模具早期失效的因素，从而为进一 步分析模具早期失效提供依据。挤压模型为磁轭模 型，模具材料为4 C r 5 M o S i V l ，挤压材料( 工件) 为 4 0 C r ，初始毛坯尺寸：+ 4 0 5 x 3 2 1 6 r a m ，其几何形状如 图1 所示。毛坯与模具间的摩擦系数：0 2 5 ；环境温 度：室温2 0 ；挤压温度：5 0 0 、5 5 0 0 C 、6 0 0 0 C 、6 5 0 、 7 0 0 0 C 、7 5 0 0 C 、8 0 0 c C 。 6 2 模具制造2 0 1 7 年第1 0 期 万方数据 挤压模技术 3 挤压温度对模具的影响 3 1挤压温度对成形终了时模具温度的影响 通过对磁轭温挤压成形过程的模拟，可以得到凹 模温度与挤压温度的关系曲线如图2 所示。从图2 中 可以看出，凸模行程不变时，挤压温度越高，成形终了 时凹模的温度最高。不同的挤压温度下成形终了时 凹模温度值如表1 所示。 由表1 可知，挤压温度越高，成形终了时凹模的 温度越高。其中，当挤压温度为8 0 0 0 C 时，成形终了 时凹模温度达到了5 1 7 。这是由于挤压时挤压温 度越高，工件变形越剧烈，模具与工件摩擦越剧烈， 模具温度升高。此外，挤压温度高，模具与热的坯 料相互作用的结果，模具被动接受的热量多，因此 温度高。研究表明，模具温度升高后，会引起表层 金属膨胀，当工件脱模后，模具表层向模具内部传 热而得到冷却，在外加冷却过程中模具表层收缩。 这样周而复始，使模具表面反复经历急冷急热的过 6 0 0 5 0 0 4 0 0 赵 廷3 0 0 z 2 0 0 】0 0 O 261 01 41 82 22 63 03 4 凸模行程，m m 图2 挤压温度与凹模温度关系曲线 程，在模具表层积累了相当的循环热应力，该应力 最终以冷热疲劳的方式进行释放，其结果是产生冷 热疲劳裂纹，裂纹出现在模具上受载荷较大和冷热 温度变化最大之处。冷却剂的腐蚀作用也加速了 冷热疲劳的这一过程。挤压温度越高，成形终了时 凹模的温度越高，越容易使模具发生冷热疲劳，造 成模具早期失效。 3 2 挤压温度对挤压力的影响 挤压力是挤压成形中的一个重要参数，是模具寿 命的主要影响因素之一。挤压力的大小决定着模具 的应力大小，凹模所能承受挤压力的极限取决于模具 的强度极限和屈服极限，生产中都希望用尽量少的成 形工序得到所需形状的制件，模具都在接近或达到极 限承载的状态下工作。许多资料表明，模具承受的压 力越高，寿命越短；反之，模具的寿命延长。 在温挤压过程中，毛坯的加热温度高( 3 0 0 8 0 0 c C ) ，挤压压力大( 2 , 0 0 0 2 ，5 0 0 M P a ) ，正是由于模 具承受了这样的高温、高压、摩擦和交变载荷的反复 作用，工作面温度升高而产生了软化现象，当模具承 受的外载荷达到某一极限，就会发生塑性变形。塑性 变形不仅使金属流动状态变坏，而且使制件的表面质 量和尺寸精度难以保证，从而宣告模具失效。 图3 所示为磁轭温挤压成形过程模拟得到的挤压 力与挤压温度的关系曲线。 由图3 可知，不同温度下曲线的变化趋势都有相 同的规律：挤压开始时，挤压力随凸模行程的增加急 剧上升，当凸模行程达到1 8 m n l 时，挤压力最大，随后 随凸模行程的增加，挤压力下降，且越接近挤压结束 越平缓。 表1 不同挤压温度时凹模温度值 挤压温度 5 0 0 5 5 0 6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 挤压终了 凹模温度。C 3 9 34 1 6 4 3 74 6 0 4 8 0 5 0 4 5 1 7 模具制造 2 0 1 7 年第1 0 期 6 3 万方数据 挤压模技术 经分析，这是由于凸模下行初始，金属材料发生 少量弹性变形，挤压力有所提高；接着变形金属受到 凹模结构上阻力的影响，流动困难，变形阻力急剧增 大，变形区域内的金属晶格紧密度提高，这时为了克 服金属内部的变形阻力以及材料与模具间的流动阻 力，挤压力急剧提高；随挤压过程的进行，金属材料加 工硬化性不敏感，而热效应的原因，克服材料变形阻 力所需的挤压力基本保持稳定，挤压力随行程的变化 不明显，略有下降。 凸模行程为1 8 m m 时，不同挤压温度时的最大挤 压力值如表2 所示。 从表2 可以看出，挤压温度为5 0 0 时，挤压力最 大，达到了7 1 9 9 k N ；而当挤压温度为8 0 0 0 C 时，挤压力 相对小些，只有4 5 0 4 k N 。可见，挤压温度越高，挤压 力越小，这是因为温度高时毛坯内部原子的动能增 大，塑性增加，变形抗力小的缘故。 3 3 挤压温度对凹模载荷的影响 8 0 0 7 0 0 6 0 0 至5 0 0 门4 0 0 兰 率3 0 0 2 0 0 1 0 0 O 8 0 0 7 0 0 6 0 0 Z 鼍5 0 0 龚4 0 0 巡m r3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 261 01 41 82 22 63 03 4 凸模行程，m n ， 假设把毛坯加热到5 0 0 0 C 、5 5 0 q C 、6 0 0 。C 、6 5 0 、 7 0 0 、7 5 0 0 C 、8 0 0 7 种温度下挤压，通过温挤压成 形过程的模拟，可以得到凹模载荷在不同凸模行程下 的关系曲线如图4 所示。 由图4 可知，不同挤压温度下曲线的变化几乎一 致：在挤压的开始阶段，凹模承受的载荷急剧上升， 到凸模行程为1 8 m m 时出现载荷最大值，而到挤压最 后阶段，凹模承受的载荷下降并趋于平缓。分析发 现，这是因为挤压初始时，凸模对圆柱毛坯产生作用 力小，材料发生变形量小，毛坯与模具间的摩擦力 小，所以凹模的载荷比较小，随着凸模行程的增加， 毛坯流动激烈，凹模载荷急剧增大，当凸模行程为 1 8 m m 时，也就是毛坯挤扁充满凹模时，挤压抗力提 高，出现载荷最大值，随挤压过程的进行，金属流动 平稳，以及热效应的原因凹模载荷随凸模行程的增 加变化不明显。7 种温度下凹模的最大载荷值如表3 所示。 261 01 4182 22 63 03 4 凸模行程，m m 图4 挤压温度与凹模载荷关系曲线 表2 不同挤压温度时最大挤压力值 挤压温度 5 0 05 5 06 0 06 5 07 0 07 5 08 0 0 挤压力 ，k N 7 1 9 9 6 6 8 6 6 2 6 0 5 7 4 3 5 3 7 8 4 9 0 9 4 5 0 4 表3 不同挤压温度下凹模最大载荷值 挤压温度 ，c C 5 0 05 5 06 0 06 5 07 0 07 5 08 0 0 凹模最大 7 2 4 ，0 86 7 56 3 06