飞边桥部参数对金属充满型腔影响的上限元分析燕山大学李洪波，徐吉生，吕玫摘要本文用上限元法 对简单轴对称件模锻时不同尺寸飞边对打靠阶段金属流动情况做了计算与分析，得到中小型锻件飞 边设计时Ｒ＝ｂ／ｈ的取值范围。同时对采用传统经验公式所得的结果进行了验算和分析。关键词 上限元法，
模锻，飞边尺寸一、前言迄今为止，关于毛边设计问题的讨论已有不少［１］［２］。 总体说来，这些方法对于指导工艺设计有一定的实际意义。但是，这些概念都来自统计结果，它们 只指导如何选择毛边槽，而对于不同形式和尺寸的毛边槽对模腔内金属的流动状况及成形力将产生 何种影响等问题，却难以做出较准确的估计和分析；更谈不上优化设计毛边的参数了。由于上限单 元法有着单元划分规范，便于数学处理，变形与实际情况较为接近等诸多优点，所以本文采用上限 单元法对轴对称件在模锻终了时的金属流动情况及成形力进行数值计算，对不同的毛边参数值ｈ和 ｂ及ｈ／ｂ对金属流动情况和成形力的影响做了初步的探讨；并与传统的计算方法做了比较，从而 能较直观地看到不同的毛边参数对金属充填型槽的影响。二、计算模型与单元划分一般认为，模锻 时最难或最后充满的是模腔的角部，锻件难成形部分的充满情况是衡量毛边参数设计是否合理的一 个重要依据，通过分析模锻过程接近终了时型腔内金属的流动情况，便可看出不同毛边参数对充满 情况的影响。据此，根据简单轴对称件的特点，取其四分之一进行分析计算。所建模型和单元划分 见图１（这里，为简化计，忽略了模腔侧壁的斜度）。各单元的单元号和边界顺序号如图２所示。 为了能较准确地模拟热锻时金属的流动情况，同时考虑到实验的可能性和方便性，通过实验取铅在 室温下的屈服强度σ＝２２６ＭＰａ，摩擦系数μ＝０．３，Ｈ＝２８，Ｄ＝４０。三、上限元计 算结果分析由于飞边桥部高度ｈ是一个主要参数，它决定了金属流向毛边槽通道的大小，所以这里 首先固定其宽度ｂ讨论ｈ的大小变化对金属充满型腔的影响。图３是ｂ＝８和ｈ取不同的值时各单 元边界的金属流动情况。根据上述计算结果，可以得到反映金属充满角部情况的边界流动速度６ｕ ３及３ｕ３与Ｒ（Ｒ＝ｂ／ｈ）的关系曲线（见图４）。由以上两图可以很直观地看出，当Ｒ较小 时，如Ｒ＜１．８时，这时的６ｕ３＜０。也就是说，此时金属完全充满型腔的角部是不可能的； 当Ｒ＝２～４之间时，Ｒ─６ｕ３曲线出现了一个平台，此时６ｕ３为０．５左右；当Ｒ在４～５ ．３之间时，６ｕ３急剧上升，但在Ｒ＞５．３以后又出现了第二个平台。实际上，此时由于ｈ已 很小，流入飞边的金属量已很少，继续减小桥部高度的影响已不十分明显。３ｕ３反映了３单元的 金属向角部流动的情况。在Ｒ＝２～４时，Ｒ─３ｕ３曲线有一个平台，说明此时Ｒ的变化对３单 元金属的流动影响不大，该单元在垂直方向的流动趋近于刚性移动，只有极少量的金属流向角部， 不利于型腔的充满，此时，大部分金属都通过飞边流出；当Ｒ＝４～５．３时，３单元一改其刚性 移动的特点，发生较大的塑性流动，３ｕ３急剧上升至最大，３单元的部分金属直接流入到６单元 ，使得６ｕ３急剧增加。当Ｒ＞５．３后，３ｕ３又开始下降，这时的６ｕ３虽然仍稍有增大，但 充填的金属主要来自５单元。此时，飞边出口处的４单元也出现了较强的“涡流”现象，
金属流动 的路径加长，这无疑将增加能量消耗。成形力的变化如图５所示，可以看到，当Ｒ在２～４之间时 ，变形力数值上升较剧烈；但Ｒ在４～６之间时，变形力虽仍有增加，但变化趋缓；在Ｒ＞６．５ 以后，变形力的上升又较剧烈，实际上，此时已接近于闭式模锻了。由以上计算分析可知，Ｒ的大 小与型腔内金属的流动充满情况及成形力的大小有着直接的关系。既要得到角部有较高的充满速度 ，又要使得成形力在合适的范围之内，Ｒ取值在４～６之间较为合理。四、经验公式的验算根据前 面的模型尺寸，由传统的经验公式得到相应的飞边尺寸如表１所列。表中前三种尺寸飞边的上限元 计算结果见图６。从图６中可以看出，所得结果与前面模型计算结果非常接近。按Ｎｅｒｂｅｒｇ ｅ和Ｖｉｅｒｇｇｅ方法所得飞边尺寸对成形时金属的流动较为有利，且以按Ｖｉｅｒｇｇｅ方法 得到的角部充满速度最为理想。而按Ｖｉｏｇｌａｎｄｅｒ法，虽然在角部达到了较高的充满速度 ，但在飞边出口处却产生了较强的“涡流”。依照布留哈诺夫法所得结果与Ｖｉｏｇｌａｎｄｅｒ 法所得结果相近。以上仅是对前面给定尺寸的锻件模型计算所得结果的分析，另外，通过对不同尺 寸的中小型锻件（Ｄ＜２００ｍｍ）的上限元计算，也得到与上述相近的结果，在此不再赘述。五 、结论１．利用上限元法对模锻时的金属流动和成形力进行模拟计算是一种简单可靠的分析手段， 它不仅能较直观地得到内部金属的流动规律，而且有望成为以后毛边参数优化的一种数值方法。２ ．开式模锻型腔内金属的流动和充满情况与Ｒ值有关。对于中小型锻件较好的Ｒ值应在４～６之间 。３．对小型锻件（Ｄ＜６０ｍｍ），Ｎｅｒｂｅｒｇｅ（或Ｗｏｌｆ）法和Ｖｉｅｒｇｇｅ法所 得飞边尺寸较其它几种方法合理。参考文献｜｜［１］Ｈ，ＫｅｆｅＩ，Ｕ．Ｓｔａｈｌｂｅｒｇ ，Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｆｌａｓｈｄｅｓｉｇｎｏｎｍｅｔａｒｉａｌｆｌｏｗａｎｄ ｔｏｏｌｐｒｅｓｓｕｒｅｉｎｃｌｏｓｅｄ－ｄｉｅｆｏｒｇｉｎｇ：ａｐｒａｃｔｉｃａｌｅ ｘａｍｐｌｅ－ＪｏｕｒａｌｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｗｏｒｋｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ９，１９８４［２］王华昌开式模锻毛边设计的几个问题锻压技术１９９３．５［３］关廷栋孙胜 等金属塑性成形中的ＵＢＥＴ方法及其应用研究山东工业大学学报１９８５．４［４］Ｏｓｍａｎ ，Ｆ．Ｈ：ＢｒｄｍｌｅｙＡ．Ｎ：ＰａｒａｍｅｔｒｉｃＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＡｘｉｓｙｍｅ ｔｒｉｃＦｏｒｇｉｎｇｂｙｔｈｅＵｐｐｅｒＢｏｕｎｄＥｌｅｍｃｎｔａｌＴｅｃｈｍｑｕｅ 《ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＡ》Ｍａｙ，１９８３飞边桥部参数对金属充满型腔影响的上限元分析@ 李洪波，徐吉生，吕玫$燕山大学上限元法，模锻，飞边尺寸本文用上限元法对简单轴对称件模锻 时不同尺寸飞边对打靠阶段金属流动情况做了计算与分析，得到中小型锻件飞边设计时Ｒ＝ｂ／ｈ 的取值范围。同时对采用传统经验公式所得的结果进行了验算和分析。［１］Ｈ，ＫｅｆｅＩ，Ｕ ．Ｓｔａｈｌｂｅｒｇ，Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｆｌａｓｈｄｅｓｉｇｎｏｎｍｅｔａｒ ｉａｌｆｌｏｗａｎｄｔｏｏｌｐｒｅｓｓｕｒｅｉｎｃｌｏｓｅｄ－ｄｉｅｆｏｒｇｉｎｇ：ａ ｐｒａｃｔｉｃａｌｅｘａｍｐｌｅ－ＪｏｕｒａｌｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｗｏｒｋｉｎｇＴ ｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，９，１９８４［２］王华昌开式模锻毛边设计的几个问题锻压技术１９９３ ．５［３］关廷栋孙胜等金属塑性成形中的ＵＢＥＴ方法及其应用研究山东工业大学学报１９８５ ．４［４］Ｏｓｍａｎ，Ｆ．Ｈ：ＢｒｄｍｌｅｙＡ．Ｎ：ＰａｒａｍｅｔｒｉｃＡｎａｌｙｓｉ ｓｏｆＡｘｉｓｙｍｅｔｒｉｃＦｏｒｇｉｎｇｂｙｔｈｅＵｐｐｅｒＢｏｕｎｄＥｌｅｍｃｎｔ ａｌＴｅｃｈｍｑｕｅ《ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＡ》Ｍａｙ，１９８３ｅｒｇｅ（或Ｗｏｌｆ）法 和Ｖｉｅｒｇｇｅ法所得飞边尺寸较其它几种方法合理。参考文献｜｜［１］Ｈ，ＫｅｆｅＩ，Ｕ ．Ｓｔａｈｌｂｅｒｇ，Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｆｌａｓｈｄｅｓｉｇｎｏｎｍｅｔａｒ ｉａｌｆｌｏｗａｎｄｔｏｏｌｐｒｅｓｓｕｒｅｉｎｃｌｏｓｅｄ－ｄｉｅｆｏｒｇｉｎｇ：ａ ｐｒａｃｔｉｃａｌｅｘａｍｐｌｅ－ＪｏｕｒａｌｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｗｏｒｋｉｎｇＴ ｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，９，１９８４［２］王华昌开式模锻毛边设计的几个问题锻压技术１９９３ ．５［３］关廷栋孙胜等金属塑性成形中的ＵＢＥＴ方法及其应用研究山东工业大学学报１９８５ ．４［４］Ｏｓｍａｎ，Ｆ．Ｈ：ＢｒｄｍｌｅｙＡ．Ｎ：ＰａｒａｍｅｔｒｉｃＡｎａｌｙｓｉ ｓｏｆＡｘｉｓｙｍｅｔｒｉｃＦｏｒｇｉｎｇｂｙｔｈｅＵｐｐｅｒＢｏｕｎｄＥｌｅｍｃｎｔ ａｌＴｅｃｈｍｑｕｅ《ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＡ》Ｍａｙ，１９８３飞边桥部参数对金属充满型 腔影响的上限元分析@李洪波，徐吉生，吕玫$燕山大学上限元法，模锻，飞边尺寸本文用上限元 法对简单轴对称件模锻时不同尺寸飞边对打靠阶段金属流动情况做了计算与分析，得到中小型锻件 飞边设计时Ｒ＝ｂ／ｈ的取值范围。同时对采用传统经验公式所得的结果进行了验算和分析。［１ ］Ｈ，ＫｅｆｅＩ，Ｕ．Ｓｔａｈｌｂｅｒｇ，Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｆｌａｓｈｄｅｓ ｉｇｎｏｎｍｅｔａｒｉａｌｆｌｏｗａｎｄｔｏｏｌｐｒｅｓｓｕｒｅｉｎｃｌｏｓｅｄ－ｄｉ ｅｆｏｒｇｉｎｇ：ａｐｒａｃｔｉｃａｌｅｘａｍｐｌｅ－Ｊｏｕｒａｌｏｆｍｅｃｈａｎｉｃ ａｌｗｏｒｋｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，９，１９８４［２］王华昌开式模锻毛边设计的几个 问题锻压技术１９９３．５［３］关廷栋孙胜等金属塑性成形中的ＵＢＥＴ方法及其应用研究山东 工业大学学报１９８５．４［４］Ｏｓｍａｎ，Ｆ．Ｈ：ＢｒｄｍｌｅｙＡ．Ｎ：ＰａｒａｍｅｔｒｉｃＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＡｘｉｓｙｍｅｔｒｉｃＦｏｒｇｉｎｇｂｙｔｈｅＵｐｐｅｒＢｏｕｎｄＥｌｅｍｃｎｔａｌＴｅｃｈｍｑｕｅ《ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＡ》Ｍａｙ，１９８３
More abstracts about the 飞边桥部参数对金属充满型腔影响的上限元分析