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技術文檔

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摘要:利用非線性有限元仿真軟件MARC,研究了外螺旋凸筋管成形過程的三維彈塑性有限元模拟技術。對外螺 紋銅管的拉深成形過程進行了模拟,得到了成形過程中工件内部的應力和應變分布規律。結果表明,拉拔過程中, 管料發生軸向延伸,但各部分延伸量不均勻,最大延伸變形發生在筋底中心部分。在周向,整體上管料發生壓縮變 形,但在筋底部分産生一定的延伸,應變為正;徑向發生壓縮變形。在定徑區及銅管離開定徑區後,軸向應力均為 拉應力,但沿壁厚分布不均勻;同樣,拉拔周向應力沿壁厚方向也呈不均勻分布,出定徑區後在筋底區的外表面為 負,内表面為正。
 
關鍵詞:外螺紋銅管;拉拔;彈塑性有限元法
 
外螺紋銅管是熱交換器用銅及合金冷凝管的主 要發展方向之一[1]。外螺紋管又稱外螺旋凸筋管、 螺旋外肋管,是一種外壁帶有螺旋角為數十度的多 頭螺紋的異形管材,多作散熱用途,屬于新型高效 熱交換管的範疇,其生産主要采用冷拔法,具體可 采用内螺旋型拉深模進行加工[2]。描述外螺紋管拔 制過程的模型如圖1所示。圖1表示拔制過程中凸 筋在減壁區是一次性充填滿的,但因為外模凹槽深 度是逐漸變化的,一直到進入定徑區,槽深方穩定 在一定高度。因而凸筋高度也才達到成品高度。
 
2.1實驗用材料
 
工件材料為TP2 (磷脫氧銅),彈性模量£:= 117. 2 GPa;泊松比"=0_3;質量密度 8960 kg
 
• m-3 ;屈服強度& =260 MPa,真實應力一應變關 系:ff=260 + 3.79 (e—3.485 X 10—3 )/MPam。拉 拔前管坯尺寸為少16. 95 mmX 1. 1 mm,拉拔後成品 管為少16 mmXl mm (外表面有18條右旋螺紋凸 筋)。文中采用的外模錐角為12°,定徑帶長度為 4 mm,帶有18頭螺旋升角為72°的右旋螺紋。
 
2.2實驗方法
 
采用單道次拉拔,拉拔速度為100 mm • s-\ 采用庫侖摩擦形式(拉拔模和芯棒與工件摩擦系數 均為0.08),将拉拔模和芯棒定義為剛體,工件定 義為彈塑性體。由于外模内表面具有螺旋溝槽,在 拔制過程中使管材外表面形成螺旋凸筋,所以必須 按照三維問題處理。實際拉拔生産中,芯棒固定、 外模軸向固定且繞軸向旋轉,由拉拔機或其它牽引 裝置帶動銅管從芯棒和外模之間通過。由于外模帶 有螺旋溝槽,變形管帶動它轉動形成管外壁的螺紋 凸筋。有限元模拟中,采用固定外模和芯棒,在管 材前端施加軸向位移來模拟拉拔過程。螺旋凸筋成 形過程中,變形管一邊前進,一邊被動旋轉。
 
3有限元模拟結果分析
 
3.1金屬在變形區内的流動與變形特點
 
采用網格法能反映出金屬在變形區内的流動情 況,在有限元模拟中,工件的網格發生了變形,圖 2、圖3分别為工件變形前後外形及橫截面的網格 圖。通過分析網格單元的變化可以得到金屬的變形 與流動規律。
 
從工件的外形網格圖中可以明顯看到,工件為 了通過模具而發生了被動旋轉,導緻拉拔過程中在 外模螺旋溝槽人口端,工件圓周上不同部位的金屬 相繼進人同一條外模螺旋溝槽,變形前為直線的金 屬縱向纖維在變形後已發生了周期性起伏彎曲(在 凸筋處起,在凹槽處伏),從而在表面産生了螺旋凸 筋。由于切向摩擦力的作用,整個工件外表面金屬 大體是按拉拔模溝槽的旋轉方向流動。不同截面上 的管料拉拔後會在軸向産生不同的延伸。圖4即為
從工件橫截面網格圖形可以看到,成形後的筋 底部分網格由變形前的正方形變為近似的平行四邊 形,單元的徑向尺寸減小,即徑向産生了壓縮變形, 同時,外層金屬沿與外模溝槽旋轉相同的方向産生 切向流動。螺旋凸筋部分的的網格也有類似的變形, 但變形量比筋底部分徑向小得多。在螺旋凸筋的成 形過程中,螺旋凸筋附近的金屬并不是隻按照一個 方向旋轉流動,而是同時沿兩個相反的方向旋轉流 動,這是因為螺旋凸筋左翼一側與外模凸筋接觸, 在切向摩擦力作用下,金屬沿與外模溝槽旋轉方向 相同的方向旋轉流動;另一側則與外模凹槽接觸, 切向摩擦力方向相反,金屬則沿相反的方向流動, 這是由變形的不均勻引起的。在筋底外層網格的變 形比内層要大得多,越靠近内表面,變形量越小, 這是由于外層金屬的壓縮變形最大,越遠離越弱。 圖5為穩态流動時外螺紋銅管橫截面上等效塑性應 變圖。
 
按照傳統理論,襯拉過程中,在減壁區銅管的 變形狀态應該為兩向(軸向和徑向)壓縮和一向 (周向)延伸。就周向變形而言,周向應該是一直都 産生壓縮變形,也就是說周向應變不論在橫截面還 是在縱截面上都應是負值。然而從三維模拟結果中 看到,軸向和徑向變形與傳統分析一緻,而周向變 形分布與傳統分析卻有所不同。管料的周向壓縮在 縱截面上也就是沿軸向呈不斷增大趨勢且數值為負,
彎曲,從而在表面産生了螺旋凸筋。在螺旋凸筋的 拉拔過程中,螺旋凸筋附近的金屬同時沿兩個相反 的方向旋轉流動。
 
(2)拉拔過程中,管料發生軸向延伸、周向和徑 向壓縮變形。在軸向,各部分開始參與變形的時間不 一緻,因而拉拔結束時管料各部分軸向延伸量也不均 勻,最大延伸變形發生在筋底中心部分。在周向,整 體上管料周向發生壓縮變形,但在橫截面上的筋底部 分,銅管周向上産生一定的延伸,■應變為正。
 
(3)拉拔軸向應力在定徑區及銅管離開定徑區 後,軸向應力均為拉應力,但沿壁厚分布不均勻, 筋底區應力由内表面向外表面逐漸減小,而凸筋區 應力由内表面向外表面逐漸增大。同樣,拉拔周向 應力沿壁厚方向也呈不均勻分布,出定徑帶後在筋 底區周向應力在外表面為負,内表面為正,當内表 面的這種拉應力大到一定的數值時,内表面即産生 縱向裂紋。
 
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