銅管游動(dòng)芯頭拉拔過程應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)的數(shù)值模擬.

1、銅管游動(dòng)芯頭拉拔過程應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)的數(shù)值模擬林鵬張世英遼寧工程技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程系，遼寧阜新（123000E-mail :摘要:采用國(guó)際上通用的非線性有限元軟件 Marc對(duì)銅管游動(dòng)芯頭拉拔 過程進(jìn)行了數(shù)值模擬和分析研究。通過模擬分析，清楚的再現(xiàn)了游動(dòng)芯頭拉拔過程 中銅管的塑性變形過程，得出了應(yīng)力、應(yīng)變分布并進(jìn)行了分析，同時(shí)合理的揭示了 拉拔過程中銅管缺陷產(chǎn)生的原因，對(duì)提高銅管質(zhì)量有指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞:銅管游動(dòng)芯頭拉拔 數(shù)值模擬marc0.引言隨著空調(diào)、冰箱市場(chǎng)的逐年擴(kuò)大，對(duì)銅管的需求增多的同時(shí)對(duì)銅管的質(zhì)量要求 也越來越 高。由于現(xiàn)場(chǎng)條件與觀測(cè)條件的限制，人們很難實(shí)時(shí)、定量地把握金屬成 形過程，

2、也就很難 找出在拉拔過程中產(chǎn)生缺陷的真正原因，為能有效的解決拉拔過程 中出現(xiàn)的問題，對(duì)游動(dòng)芯頭拉拔過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析研究具有非常重要的意義 1-3。本文采用國(guó)際上通用的非線性有限元軟件 Marc對(duì)銅管游動(dòng)芯頭拉拔過程進(jìn)行 了數(shù)值模 擬和分析研究。通過模擬分析，清楚的再現(xiàn)了游動(dòng)芯頭拉拔過程中銅管的 塑性變形過程，得出了應(yīng)力、應(yīng)變分布并進(jìn)行了分析，同時(shí)合理的揭示了拉拔過程 中銅管缺陷產(chǎn)生的原因，對(duì)提高銅管質(zhì)量有指導(dǎo)意義。1.有限元模型的建立根據(jù)其軸對(duì)稱性，可將銅管模型簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱模型，模型都用四邊形表示。 銅管單元體可取長(zhǎng)15mm，寬等于實(shí)際加工的銅管初始壁厚 1.65mm的平面單元,將 其

3、劃分720個(gè)四邊形四節(jié)點(diǎn)單元，總節(jié)點(diǎn)數(shù)819。銅管材料為磷脫氧銅，牌號(hào)為TP2, 彈性模量為1.172 K011N/m，泊松比為0.33。模具的模型建立通常是把它建成剛性 接觸體（不變形接觸體。本文為了也能夠體現(xiàn)模具的應(yīng)力、應(yīng)變情況,所以將模具 也設(shè)置為單元體（可變形接觸體，模具的外形并不十分規(guī)整，在Marc中用AUTOMESH （通用的自動(dòng)劃分面網(wǎng)格和體網(wǎng)格的 工具對(duì)其劃分為外模，162個(gè)四節(jié) 點(diǎn)單元，總節(jié)點(diǎn)數(shù)207;芯頭，132個(gè)四節(jié)點(diǎn)單元 總節(jié)點(diǎn)數(shù)172。模具的材料為硬質(zhì)合 金（YG8 ,彈性模量為7 X011N/mm2,泊松比為0.21。整 體模型如圖圖1整體模型材料的物理性能（熱傳導(dǎo)

4、系數(shù)、熱容及熱膨脹系數(shù)是隨溫度變化的，變形抗力是 熱力學(xué)參數(shù)（變形程度,變形速度和變形溫度的函數(shù)，這些數(shù)據(jù)均可在MARC的材 料庫中讀取4-5。為了能夠得出更加準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，本文將采用Marc軟件的熱 機(jī)耦合分析方法，即溫度場(chǎng)的求解和應(yīng)力場(chǎng)的求解合在一起的大變形熱彈塑性有 限元來分析。對(duì)于接觸摩擦問 題的處理，在接觸計(jì)算中采用了直接約束法，為能保 證精度采用了修正的剪切摩擦模型：t r V m v r f ? - arctan 2n表示發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)接觸體之間的臨界相對(duì)速度等效應(yīng)力f切向摩擦應(yīng)力rV管與模具的相對(duì)滑動(dòng)速度向量m摩擦因子t相對(duì)滑動(dòng)速度方向上的切向單位向量2.模擬結(jié)果及分析通過數(shù)

5、值模擬可以使銅管在拔制過程中應(yīng)力場(chǎng)分布可視化 ，找出其變形規(guī)律，并 反映出實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用過程中銅管產(chǎn)生的缺陷，為銅管失效提供預(yù)測(cè)。以下是對(duì)銅 管拉拔過程中應(yīng) 力、應(yīng)變分布規(guī)律的具體分析。2.1軸向應(yīng)力、應(yīng)變分布分析圖2軸向應(yīng)力由圖2看出，在外模的錐面處銅管受的軸向應(yīng)力是拉 -壓應(yīng)力的混合，在外模的錐面與 定徑帶的過渡圓角區(qū)域銅管受軸向拉應(yīng)力，內(nèi)表面與外表面受的軸向應(yīng)力值 大，中間部分受 的軸向應(yīng)力值小，定徑區(qū)上大部分受到均勻的軸向拉應(yīng)力，在定徑區(qū) 的出口處銅管外表面的 區(qū)域受到最大軸向拉應(yīng)力，相應(yīng)的內(nèi)表面受到軸向壓應(yīng)力， 在此部位因?yàn)殂~管的外表面受拉 應(yīng)力內(nèi)表面受壓應(yīng)力，所以在此處銅管的外表面

6、容 易產(chǎn)生橫向裂紋，嚴(yán)重時(shí)會(huì)在此處發(fā)生斷 管?？梢宰⒁獾皆诶蔚某隹谔?，銅管與芯 頭接觸的內(nèi)表面受拉-壓-拉的應(yīng)力變化，這也會(huì)影響銅管的內(nèi)表面質(zhì)量，在整個(gè)拉 拔過程中，在變形區(qū)的斷面上銅管中軸向應(yīng)力的分布也是 不均勻的?？梢妭鹘y(tǒng)的簡(jiǎn) 單解析法的平截面假設(shè)與實(shí)際情況存在很大差異。F面來分析銅管在拉拔方向的軸向應(yīng)變分布，其軸向應(yīng)變分布如圖3。圖3軸向應(yīng)變分布從圖3中可看出，銅管在拉拔過程中受到的軸向應(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變，在端部應(yīng)變分布 不均勻,但不影響銅管的表面質(zhì)量，因?yàn)閷?shí)際生產(chǎn)中拉出的銅管的端部都要剪掉的。錐面區(qū)域的 軸向應(yīng)變幾乎不變，說明在此區(qū)域壁厚變化的非常小，在過渡圓角 的區(qū)域軸向應(yīng)變變化激烈，因

7、為此區(qū)是產(chǎn)生塑性變形的主要區(qū)域，進(jìn)入定徑區(qū)后軸向 應(yīng)變基本不變，符合定徑區(qū)的條件，說明銅管已進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。2.2周向應(yīng)力、應(yīng)變分布分析圖4周向應(yīng)力分布由圖4可看出在模具的錐面處銅管受到周向拉應(yīng)力和周向壓應(yīng)力的混合，外模的錐面與 銅管的過渡圓角區(qū)域?yàn)橹芟驂簯?yīng)力，而且此處的周向應(yīng)力的絕對(duì)值為最大 在定徑區(qū)的大部 分受周向壓應(yīng)力且絕對(duì)值逐漸減小，在定徑區(qū)的出口端銅管的外表 面受周向最大拉應(yīng)力而與 它相對(duì)應(yīng)的內(nèi)表面受周向壓應(yīng)力，所以在此處銅管容易產(chǎn) 生縱向裂紋。銅管拉出定徑區(qū)后外 表面受周向拉應(yīng)力，中間部分受周向壓應(yīng)力和周 向拉應(yīng)力的混合區(qū)，內(nèi)表面受拉-壓-拉的變 化。通過分析說明金屬的縱向流動(dòng)是不 均勻

8、的,在拉拔過程中周向應(yīng)力在變形區(qū)的斷面上的 分布是不均勻的。這再次看到 了傳統(tǒng)工程法的缺陷所在。下面來分析銅管的周向應(yīng)變分布，其應(yīng)變分布如圖5,從圖5可看出，銅管在拉拔 過程中受到的周向應(yīng)變?yōu)閴簯?yīng)變，在端部應(yīng)變分布不均勻，但不影響銅管的表面質(zhì) 量,因?yàn)閷?shí)際生產(chǎn)中拉出的銅管的端部都要剪掉的。在錐面區(qū)域周向應(yīng)變?cè)诔掷m(xù)增加,可推斷銅管此時(shí)處 于持續(xù)的減徑狀態(tài)，到定徑帶區(qū)域時(shí)，減徑已完成處于拉拔的 穩(wěn)態(tài),所以其周向應(yīng)變幾乎不 變。圖5周向應(yīng)變分布2.3徑向應(yīng)力、應(yīng)變分布分析圖6徑向應(yīng)力分布由圖6可看出，外模的錐面處銅管受到徑向的壓應(yīng)力，外模的錐面與定徑帶的過 渡圓角 處銅管受的是高壓應(yīng)力區(qū)，由圖6,此

9、處的變形最為劇烈，所以外模在其過渡圓 角附近磨損 較快。定徑區(qū)中部為徑向應(yīng)力的部分為拉 -壓的混合區(qū)，定徑區(qū)出口處 為徑向拉應(yīng)力，可見徑向應(yīng)力在其斷面上的分布也是不均勻的，從而又一次看到了傳 統(tǒng)工程法的缺陷所在。 下面來分析銅管的徑向應(yīng)變分布，其應(yīng)變分布如圖7,從圖7 可看出，銅管在拉拔過程中受到的徑向拉-壓應(yīng)變的混合，在端部應(yīng)變分布不均勻，但 不影響銅管的表面質(zhì)量，因?yàn)閷?shí)際生產(chǎn)中拉出的銅管的端部都要剪掉的。在錐面區(qū)域由于銅管的內(nèi)表面和芯頭沒有接觸相 當(dāng)于空拉,其壁厚在徑向略有增加，所以在 此區(qū)域的徑向應(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變，進(jìn)入到過渡圓角區(qū) 域時(shí)由于其壁厚開始減薄，其徑向 應(yīng)變?yōu)閴簯?yīng)變，在定徑區(qū)到拉出

10、由于此段拉拔的穩(wěn)態(tài)，所以徑向應(yīng)變?yōu)閴簯?yīng)變且?guī)?乎不發(fā)生變化。圖7徑向應(yīng)變分布3.結(jié)論(1通過對(duì)拉拔過程中銅管的應(yīng)力分布分析，發(fā)現(xiàn)銅管內(nèi)表面的軸向應(yīng)力在出口 處受拉-壓-拉應(yīng)力的變化，其壓應(yīng)力對(duì)應(yīng)的外表面的區(qū)域?yàn)樽畲筝S向拉應(yīng)力區(qū)；銅管 內(nèi)表面的周向 應(yīng)力在出口處也受拉-壓-拉應(yīng)力的變化，其壓應(yīng)力對(duì)應(yīng)的外表面的區(qū) 域?yàn)樽畲蟮闹芟蚶瓚?yīng)力 區(qū)，得出了銅管容易在此處產(chǎn)生橫向、縱向裂紋和斷管。(2通過對(duì)拉拔過程中銅管的應(yīng)變分布分析，發(fā)現(xiàn)錐角區(qū)域及其過渡圓角處是銅 管最激 烈的塑性變形區(qū)；在定徑區(qū),銅管處于穩(wěn)態(tài)拉拔階段，應(yīng)變幾乎不發(fā)生變化；而 在端部應(yīng)變 分布不均勻，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)該剪掉。參考文獻(xiàn)李尚健，金屬

11、塑性成形過程模擬，機(jī)械工業(yè)出版社，1999。1 溫詩鑄 黃平,摩擦學(xué)原理，清華大學(xué)出版社,2002.112 孟凡中彈塑性有限元變形理論和有限元法,清華大學(xué)出版社，19853 樊立奎 游動(dòng)芯頭在管材加工上的應(yīng)用，塑性工程學(xué)報(bào),2(8, 2001, 19-244 游動(dòng)芯頭拉伸銅管，洛陽銅加工廠編，北京冶金出版社，1976Numerical Simulatio n of Stress and Strain field for Copper Pipe Drawi ng Process with a Float ing PlugLin peng, zha ngshi ying(Departme nt o

12、f Materials Science and Engin eeri ng,Lia oning Tech ni calUn iversity,Fuxi n12300,L iao ningAbstractBy applying nonlinear FEM analyzing software Marc which is widely used in the world, the numerical simulation of the drawing with floating plug process is analyzed and researched. By means of stimulatio n an alyz ing, the plastic deform process of the coppery pipe in the drawing with floating plug is reappeared clearly; the state of stress and strain distributi on is obta ined and an alyzed; mean while the reas on to bring on disfigureme