一种锥形件往复波动挤压成形设计方法

摘要

本发明公开了一种锥形件往复波动挤压成形设计方法，（1）设计挤压上模的复合速度、挤压下模的复合速度的工艺方案，然后挤压上模和挤压下模分别按照设定的速度对坯料进行往复施压成形，促使坯料发生塑性变形，达到锥形件设计的形状；（2）获取锥形件相同横截面的所有变形单元的等效应变量，计算该截面随时间的整体变形均匀性；（3）以变形均匀性和成形力最小为目标，优化挤压上模复合速度、挤压下模复合速度的波动振幅、频率等参数；（4）按照最优的挤压上模复合速度、挤压下模复合速度的工艺方案，进行工艺验证，获得变形相对均匀的锥形件。本发明能够有效提高锥形件的变形均匀性，同时有利于减小最大等效应变，提高锥形件的变形能力。

说明书

技术领域

背景技术

一般锥形件的锥角较小，壁厚较薄，由于挤压过程中加工硬化严重，成形力大，需要通过多道次挤压制备。同时在挤压过程中，坯料发生变形的区域主要集中在与上模接触的表层部位，而其它区域的材料基本处于不变形的状态，这样制备的锥形件变形十分不均匀。并且在后续退火等工艺过程中，容易出现粗晶、混晶等缺陷，影响锥形件的产品性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锥形件往复波动挤压成形设计方法，通过上模和下模的往复波动挤压成形，相继增加坯料内外表面的累积变形量，从而提高锥形件的变形均匀性，同时有利于减小最大等效应变，提高锥形件的变形能力。

为了实现上述目的，采用以下技术方案：一种锥形件往复波动挤压成形设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)设计挤压上模的复合速度、挤压下模的复合速度的工艺方案，然后挤压上模和挤压下模分别按照设定的速度对坯料进行往复施压成形，促使坯料发生塑性变形，达到锥形件设计的形状；

(2)获取锥形件相同横截面的等效应变量，计算该截面随时间的整体变形均匀性；

(3)以变形均匀性和成形力最小为目标，优化挤压上模复合速度、挤压下模复合速度的波动振幅、频率参数，获得变形相对均匀的锥形件。

挤压上模和挤压下模的复合速度V_ij由多个阶段的线性速度组合而成，其函数表达式为：其中，V_ij—第i个阶段第j个离散点的线性速度(mm/s)，i—复合速度包含的阶段线性函数的数量排序，j—第i个阶段离散点的排序，n_i—第i个阶段离散点的总数，a_i—第i个阶段速度振幅(mm)，a_i-1—第i-1个阶段速度振幅(mm)，k_i—第i个阶段速度振幅的状态函数，取值0或-1或1，决定了速度振幅的方向；k_i-1—第i-1个阶段速度振幅的状态函数，取值0或-1或1，决定了速度振幅的方向。

挤压下模的复合速度和挤压上模的复合速度波相交叉，当挤压下模速度的矢量方向沿挤压轴线向下时，同一个循环周期内挤压上模的复合速度的绝对值不小于挤压下模的复合速度的绝对值。

挤压下模的运动位移其中，s_ij—挤压下模从运动开始到第i个阶段第j个离散点所累计的位移(mm)，s_i(j-1)—挤压下模从运动开始到第i个阶段第j-1个离散点所累计的位移(mm)，V_i0—挤压下模第i个阶段起始的线性速度(mm/s)，n_i—第i个阶段离散点的总数，f_i—第i个阶段速度波动频率(Hz)，k_i—第i个阶段速度振幅的状态函数，取值0或-1或1，决定了速度振幅的方向；a_i—第i个阶段速度振幅(mm)，j—第i个阶段离散点的排序。挤压下模在一个循环周期内的运动位移为零，假设挤压下模一个循环周期由m个阶段线性函数组成，则挤压下模在该循环周期结束时累计运动的位移为零，完成一个循环动作的位移复位。

变形均匀性其中ε_max为相同横截面内最大等效应变，ε_min为相同横截面内最小等效应变，ε_avg为相同横截面内平均等效应变。

本发明能够有效提高锥形件的变形均匀性，同时有利于减小最大等效应变，提高锥形件的变形能力。

说明书附图

图1为锥形件挤压模具示意图；

图2方案1传统反挤压的锥形件等效应变分布示意图；

图3方案2往复波动挤压的速度与时间曲线示意图；

图4方案2往复波动挤压的位移与时间曲线示意图；

图5方案2往复波动挤压的锥形件等效应变分布示意图；

图6方案3往复波动挤压的速度与时间曲线示意图；

图7方案3往复波动挤压的位移与时间曲线示意图；

图8方案3往复波动挤压的锥形件等效应变分布示意图；

图9方案1的锥形件截面等效应变分布；

图10方案2的锥形件截面等效应变分布；

图11方案3的锥形件截面等效应变分布；

图12三个方案的成形载荷对比示意图；

图13三个方案的变形均匀性对比示意图。

图中，1-上模；2-坯料；3-下模。

具体实施方式

以下结合实例对本发明作进一步说明。

实施例1

以纯铜锥形件为实施对象，挤压成形模具如图1所示。对比设计了三个方案，然后挤压上模和挤压下模分别按照设定的速度对坯料进行往复施压成形，促使坯料发生塑性变形，达到锥形件设计的形状；三个方案的分析分别如下：

方案1是传统反挤压，即上模速度恒定不变，上模速度设计为10mm/s，是方案2的波峰速度的两倍，下模静止不动，获得的最大等效应变主要分布在锥形件内表面区域(如图2所示)。

方案2是往复波动挤压，其中，上模设计了六个循环周期，每个循环周期包含四个阶段的线性速度，每个阶段的速度波动频率均设计为5Hz，离散数据点为5个，速度振幅为5mm，阶段速度振幅状态分别为0、1、0、-1，第一个阶段的初始速度为-5mm/s，负号表示速度矢量方向沿轴向向下，初始位移为0mm，将上述参数代入函数进行计算得到的速度-时间曲线如图3中的上模曲线，同时将上述参数代入函数进行计算得到的累计位移-时间曲线如图4中的上模曲线；

其中，下模也设计了六个循环周期，每个循环周期包含四个阶段的线性速度，每个阶段的速度波动频率均设计为5Hz，离散数据点为5个，速度振幅为5mm，阶段速度振幅状态分别为1、-1、-1、1，第一个阶段的初始速度为0mm/s，初始位移为0mm，将上述参数代入函数进行计算得到的速度-时间曲线如图3中的下模曲线，同时将上述参数代入函数进行计算得到的累计位移-时间曲线如图4中的下模曲线；

方案2通过仿真计算得到的等效应变如图5所示，与方案1相比，其最小等效应变增大、最大等效应变减小，这样有利于提高锥形件的变形均匀性。

方案3是往复波动挤压，其中，上模设计了八个循环周期，每个循环周期包含六个阶段的线性速度，每个阶段的速度波动频率均设计为10Hz，离散数据点为5个，速度振幅为5mm，阶段速度振幅状态分别为0、1、0、0、-1、0，第一个阶段的初始速度为-5mm/s，负号表示速度矢量方向沿轴向向下，初始位移为0mm，将上述参数代入函数进行计算得到的速度-时间曲线如图6中的上模曲线，同时将上述参数代入函数进行计算得到的累计位移-时间曲线如图7中的上模曲线；

其中，下模也设计了八个循环周期，每个循环周期包含六个阶段的线性速度，每个阶段的速度波动频率均设计为10Hz，离散数据点为5个，速度振幅为5mm，阶段速度振幅状态分别为1、0、-1、-1、0、1，第一个阶段的初始速度为0mm/s，初始位移为0mm，将上述参数代入函数进行计算得到的速度-时间曲线如图6中的下模曲线，同时将上述参数代入函数进行计算得到的累计位移-时间曲线如图7中的下模曲线；

方案3通过仿真计算得到的等效应变如图8所示，其最大等效应变沿壁厚分布相对均匀，并且最大等效应变比传统反挤压的小，这样有利于进一步提高锥形件的变形量。

取锥形件1/2的横截面，分析三个方案的锥形件截面等效应变，可以发现，方案1的等效应变主要集中在锥形件内侧(如图9)，方案2的等效应变开始从内侧向外侧扩展(如图10)，方案3的等效应变从内侧向外侧扩展，并且外侧的等效应变值增大(如图11)，说明方案3的截面变形均匀性得到增加。

通过提取三个方案的成形载荷和等效应变，以变形均匀性和成形力最小为目标，进行综合分析。图12是三个方案的成形载荷对比，可以发现，方案2和方案3的往复波动挤压的局部成形载荷略比传统挤压方案1的略大，但其有效成形载荷比传统挤压小；因此成形载荷对锥形件影响较小，其权重可以忽略。为了计算横截面内的变形均匀性，分别在方案1、方案2、方案3的初始坯料的相同横截面位置均匀取6个点(如图1所示)，提取成形过程中6个点在不同变形阶段的等效应变，然后按照函数计算变形均匀性，得到不同方案1、方案2、方案3的变形均匀性与位移的曲线(如图13)，可以发现，方案2的变形均匀性曲线与方案1的相互交叉，方案3的变形均匀性曲线一直在方案1的下面，方案3的变形均匀性最好。因此综合成形载荷和等效应变考虑，设计的方案3工艺效果最佳，即挤压上模复合速度和挤压下模复合速度的波动振幅为5mm、阶段的波动频率为10Hz，上模的阶段状态函数分别为0、1、0、0、-1、0，下模的阶段状态函数分别为1、0、-1、-1、0、1的条件下，成形的锥形件效果最好。

本发明的实施案例揭露如上，然而并非限定本发明，这些依据本发明精神所做的变化都应包括在本发明的保护范围内。