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利用有限元分析法预测楔横轧件心部缺陷
来源:现代模具 时间:2008-8-5 9:51:07
重庆工学院材料科学与工程学院 张剑桥 徐沛 夏源 曾超
【摘要】本文利用有限元分析预测楔横轧件的心部缺陷。预测时使用了两种积分塑性断裂准则。通过分析圆柱试样在拉伸实验时环形缺口变化形状得到临界破坏值。试验研究了楔横轧模具的初始压缩量和模具轧制工件成形质量的关系。比较理论分析与实验结果验证了破坏准则的有效性。最后，叙述了最佳成形工艺条件。
关键词：楔横轧 有限元法 拉伸试验 韧性断裂
1. 概述
楔横轧是两个平行轧辊对轧件施加压缩力和轧制力的变形过程。该方法的优点是轧件在成形过程中绕轧件本身轴线旋转，可用来制造螺杆、齿轮轴和带槽的轴。近年来，楔横轧被用来制造形状较复杂的零件。虽然这种工艺被广泛使用，理论上也很明确模具轧制工件的成形质量，但很难确定工艺条件对成形性能的影响。在不合理的轧制工艺条件下轧件中心会产生缺陷，在实际操作中由工人凭经验决定最佳工艺条件。在本文中，关注了平面模楔横轧过程模具轧制工件的成形质量及其心部所产生的缺陷，通过实验研究了初始压缩量对轧件成形性能的影响。采用三维弹塑性有限元分析该过程的变形，并使用积分韧性断裂准则预测心部缺陷。
2. 实验方法
2.1 积分韧性断裂准则
预测断裂需要应用断裂准则。准则通常分为两种类型：积分韧性断裂准则和基于微观结构的断裂准则。本文中，材料的性质决定了要使用前一种准则。当材料上各质点的积分破坏值达到临界破坏值时，就认为断裂。下面列出了本文使用的两种韧性断裂准则：
(a) Cockcroft-Latham 模型
Cockcroft和Latham假设当最大法向应力沿着断裂等效应变路径积分达到材料的极值C1（临界破坏值）时发生断裂[1]。其定义如下：
1.1 带环形缺口的圆柱试样拉伸实验的图像分析
为了确定公式(1)、(2)中的断裂参数，就要通过合理的实验得到断裂的应力和应变的变化过程。为了达到这个目的，提出了测量方法并开发了图像分析拉伸测试系统[3]。
Bridgman[4]提出了分析缩颈处各种应力分量的方法。这些应力分量由如下公式计算：
1.1 图像分析
为了分析实验中缩颈形状的变化，用带环形缺口的圆柱拉伸试样进行试验。试样如图1所示。试样缩颈处的形状由摄像机记录(图2)。将得到的图像处理成黑白色，然后用电脑测量负载大小并分析缩颈处的a和R。本拉伸实验中所使用的材料为JIS SWCH10(低碳钢)。
拉伸实验所使用试样的初始缺口半径为R0=1.0mm和3.0mm。实验结果为所有试样均从缺口中部断裂，呈现典型的杯－锥状断口。
三向应力因子由如下公式计算，
1.1 楔横轧实验
本实验主要研究带槽阶梯轴的成形(图3)。原始坯料长20.0mm，直径10.0mm。图4为模具外形尺寸，槽宽4.8mm，深0.52mm。动模以10mm/s相对定模作平行运动。研究了楔横轧实验中模具与轧制工件的成形质量与试验中两个模具的初始压缩量之间的关系。初始压缩量D0=0.0～0.4 mm。模具形状有与产品形状相对应的特性，实验中可测量轧件槽外圆角半径Rcorner(图5)。
轧件每转动一周后将其切断，然后用显微镜观察切断面研究心部缺陷的产生和扩大。
1. 楔横轧过程的有限元分析
使用DEFORM－3DTM弹塑性有限元软件分析实验过程，库伦摩擦系数μ=0.4。分析时，先计算出平行模具间的初始压缩量，然后让一个模具以10mm/s的速度平行移动。其余实验条件如表1所示。图6为有限元模拟实例，工件为轴对称形状，对其一半进行分析。
表1有限元分析条件
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分析软件
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DEFORM－3D
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分析模式
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弹塑性分析
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材料模型
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模具：刚性； 坯料：弹塑性
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网格数
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20000
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材料性质
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F: 900MPa，n:0.23（），
扬氏模量:210GPa，泊松系数：0.3
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摩擦系数
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μ=0.4
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2. 结果与讨论
2.1 临界破坏值
为了确定公式(1)、(2)中的临界破坏值，使用牌号为JIS SWCH10的带环形缺口的圆柱试样进行拉伸实验并采用了图像分析法。从图7可以看出缺口半径对临界破坏值C1和C2的影响。临界值随着缺口半径的变化而变化，不是常数。可以认为临界破坏值很大程度上取决于随拉伸试样初始缺口半径变化的应力状态。按Cockcroft-Latham准则，试样在R0=3.0mm时的临界破坏值比试样在R0=1.0mm时大200MPa。同时，在不同缺口半径时所得到的临界值都与Ayada准则相似。
1.1 初始压缩值与心部缺陷之间的关系
初始压缩值为D0=0.1mm～0.27mm时没有发现裂纹，当初始压缩量大于0.28mm时开始出现心部缺陷。因此，从第五圈开始观察到心部缺陷，第六圈到第九圈坯料缺陷继续扩大(图8)。坯料槽的外圆角半径Rcorner随着初始压缩量的增大而减小。所以，轧制工件的成形质量与初始压缩量成正比。
由于超过一定的压缩极限时才会出现心部缺陷，所以楔横轧成形存在最佳压缩量。在本次实验中最佳压缩量为0.27mm。
1.1 心部缺陷预测
图9说明了有限元分析中试样心部破坏值与旋转圈数之间的关系。图中阴影部分表示环形缺口拉伸试验中临界破坏值的范围。
在Cockcroft-Latham准则中，当初始压缩量D0为0.3mm和0.4mm时，临界破坏值在250～350MPa。这说明所预测心部缺陷的结果与实验结果一致。通过这些实验和分析可以认为用Cockcroft-Latham韧性断裂准则预测楔横轧过程中的心部缺陷可行。
1. 结论
实验研究了初始压缩量对心部缺陷和模具轧制工件成形质量的影响。实验使用三维有限元法对楔横轧过程进行了变形分析并预测了心部缺陷。通过比较实验及分析结果得出以下结论：
对带环形缺口的试样的拉伸实验进行图像分析，验证了Cockcroft-Latham准则和Ayada准则的临界破坏值。这些值随坯料初始缺口半径值的变化而变化。
模具轧制工件所的成形质量随着初始压缩量的增大而提高。但是在初始压缩量超过临界值后会产生心部缺陷。这说明了存在最佳初始压缩量。
在预测楔横轧过程中的心部缺陷时，Cockcroft-Latham韧性断裂准则比Ayada准则更合适。
本文中最佳初始压缩量为0.27mm。
参考文献
[1]. M.G. Cockcroft and D.J.Latham, J.Inst.Met.96. (1968), pp. 33-39.
[2].T.Ayada, T.Higashino and K,Mori,Proc.of 1st ICTP, Advanced Technology of Plasticity 1,(1984),pp.553.
[3].Yoshida,N.Yukawa,T Inshikawa, Material Processing and Design: Modeling Simulation and Applications, 1 (2004),pp.1869-1874.
[4].P.W.Bridgman,Studies in Large Plastic Flow and Fracture,McGraw-Hill,New York(1952)
（注：译自第10届亚洲精锻会议论文集胡亚民校）
