《挤压模具适应性设计研究.docVIP

挤压模具适应性设计研究 W.A. Gordon a, C.J. Van Tyne b,?, Y.H. Moonc a Research, The Timken Corporation, Torrington, CT 06790-1008, United States b Department of Metallurgical Materials Engineering, Colorado School of Mines, Golden, CO 80401, United States c Engineering Research Center for Net Shape and Die Manufacturing, Pusan National University, 30 Jangeon-dong, Geumjeong-gu, Busan 609-735, Republic of Korea 摘要 适应性模具设计是一种设计方法，用该方法可以确定或修改模具的形状以便优化产品和工艺。将该方法与上限模型结合，能够快速的计算出大量的模具外形尺寸并能得到能够加工出合格产品的参数。应用该方法时，需要有材料在挤压模具中变形流动时的真实速度场参数，并且这种速度场能允许材料流动时有一定的弹性，这样才能够成功的描述材料的流动。该方法有很多的评定标准。例如其中之一就是模具生产出的产品的扭曲最小。并用双重优化工艺确定速度场的弹性变量的值以及确定符合标准的模具形状。还将该方法应用到了非轴对称产品的模具设计当中。 关键词：挤压；上限法；最小扭曲标准 引言 目前人们正在开发新合金材料和复合材料以满足工业使用要求。但是这些新材料和传统的材料的使用性有一定的局限性。挤压是一种金属加工工艺，它可以将难成型的材料加工成符合使用要求的产品。要想挤压出合格的产品，金属加工工程师和设计者们必须了解挤压模对成品的影响。 当前的研究主要集中于设计合适的挤压模具。本文介绍了一种设计出符合要求的挤压模的方法：能够生产出具有特殊性质产品的模具形状标准（产品扭曲最小）；能够优化产品工艺的模具形状标准（最小挤压力）。适应性模具设计是一种设计方法，用该方法可以确定或修改模具的形状以便优化产品或工艺。将该方法于上限法模型相结合可以快速的计算出大量的模具外形尺寸以获得可以加工出合格产品的尺寸参数。 应用该方法需要满足以下几个条件。首先要获得大概的但必须真实的速度场参数以便在上限法模型当中对材料在挤压模中的流动进行数学描述。其次需要建立一个评定模具形状优化的可靠标准。并且该标准能够应用于上限法模型当中。 该方法在文献[1-6]当中进行了详细的阐述。本文研究了以前的挤压模型以及变形区域的弹性速度场，并介绍了另外一种挤压模具设计方法。在该方法当中速度场能够表明材料在不同形状模具当中的流动情况。本文还介绍了描述模具形状的适应性方程。在该方程当中根据标准对常量进行了优化。本文对该标准（最小扭曲变形）进行了阐述。最后本文给出了用适应性模具设计方法设计出的模具形状，用该模具生产的产品扭曲变形最小。本文的主要目的是简略的讨论一下适应性模具设计方法。 3.适应性模具设计方法 人们发展了适应性模具设计方法并在文献[1-5]当中进行了详细的阐述。该方法已经应用到了用圆形坯料挤压出矩形零件的三维非轴对称挤压当中[6]。评定该方法的主要标准是产品的扭曲变形最小。本文简略的介绍了该方法以及先前的研究成果。 3.1速度场 用上限法分析金属成型问题时需要建立符合运动学规律的速度场。图1为用求坐标系统（r,θ,Φ）δ0的理想塑性材料。挤压区域与模具之间的摩擦力根据摩擦剪切应力计算（τ=mfδ0/√3）0-1之间取值 用于挤压的圆柱形坯料其半径为R0，要挤出的工件半径为Rf。I区和III区的材料是刚性流动，速度v0和vf各自相互独立。II区为变形区，该区的速度场比较复杂。两个不连续的速度场Γ1和Γ2的两个球面将三个速度区各自分开。曲面Γ1离变形区域的距离为R0，而曲面Γ2离变形区域的距离为Rf。 坐标系的原点建立在模具的出口部位。圆柱形工件的轴线经过坐标原点，并从原点引出一条与轴线成α角的射线与圆柱形坯料的母线相交，交点与模具出口之间的区域为变形区域，如图一所示。标有Ψ(r)的模具形腔表面以在球坐标系中给出，如图1所示。Ψ(r)为模具形腔表面的角度位置，与离变形区域的距离有关。参数L为模具形腔当中坯料变形区域的长度。 论文[1-2]中的sine-1速度场是描述变形区域材料流动的最使用的速度场理论。该理论用的是半径方向上的流动速度vr，以及两个表面相互独立的参数ε和γ的乘积项来描述区域II的半径方向的材料流动速度： ùr = vr + εγ