邢建斌，王麗薇，解文科

（1.太原重工股份有限公司，山西 太原 030024；2.太重 （天津）濱海重型機(jī)械有限公司 技術(shù)中心，天津 300452）

0 引言

在鋁擠壓機(jī)上，當(dāng)一次擠壓終了，擠壓制品同壓余必須分離，這一過程由壓余分離剪（即主剪）來完成［1］。在主剪剪切壓余過程中，受力形式既有擠壓，又有剪切，同時(shí)還伴有摩擦。與一般的金屬塑性成形不同，壓余剪切時(shí)材料不斷產(chǎn)生分離，其對應(yīng)的數(shù)值模擬求解廣泛采用更新的Lagrange形式，且需有一定的斷裂準(zhǔn)則，而斷裂準(zhǔn)則只有真實(shí)地反映剪切材料的力學(xué)和物理性質(zhì)才能得到合理的結(jié)果，如切口形狀和尺寸、剪切力和應(yīng)力分布等［2］。目前，人們提出的斷裂準(zhǔn)則分為兩種類型：幾何準(zhǔn)則和物理準(zhǔn)則。幾何準(zhǔn)則主要是通過變形體的幾何尺寸變化來判斷分離與否；而物理準(zhǔn)則主要是基于制定的一些物理量是否達(dá)到了臨界值而建立的，如等效塑性應(yīng)變準(zhǔn)則、應(yīng)變能量密度準(zhǔn)則和斷裂應(yīng)力準(zhǔn)則等。Crockroft ＆Latham斷裂準(zhǔn)則屬物理準(zhǔn)則，其考慮到斷裂與拉伸主應(yīng)力有關(guān)，認(rèn)為對于一給定材料，在一定的溫度、應(yīng)變速率下，當(dāng)最大拉伸應(yīng)力－應(yīng)變能達(dá)到一臨界值時(shí)斷裂產(chǎn)生。由于該準(zhǔn)則很容易被有限元代碼實(shí)現(xiàn)，因此獲得了廣泛應(yīng)用［3－5］。本文正是基于Forge軟件和Crockroft ＆Latham斷裂準(zhǔn)則對壓余剪切過程進(jìn)行數(shù)值模擬，旨在確定剪切力變化規(guī)律，以及剪切速度和壓余厚度對最大剪切力的影響。

1 建模

1.1 幾何模型

坯料直徑為Φ460mm，壓余厚度為20mm。主剪剪刀與模具間隙1mm。利用SolidWorks軟件建立坯料、模具和主剪剪刀的三維實(shí)體模型，將其另存為.STL格式后導(dǎo)入Forge軟件。壓余剪切的三維實(shí)體模型如圖1所示。

1.2 有限元模型

選定鋁擠壓機(jī)擠壓工況，材料為7075鋁合金，材料特性文件為AlZn5，6Mg2，5Cu1，5.tmf；摩擦文件選為high.tff；斷裂準(zhǔn)則文件為Latham ＆Cockroft Normalized.uvf3，觸發(fā)值為0.2；壓余溫度θ0＝400℃，模具溫度為400℃。主剪剪切速度v＝100mm/s，總行程H＝460mm。壓余網(wǎng)格劃分采用四面體單元。由于壓余剪切是典型的局部變形過程，因此剪刀口附近的材料會發(fā)生大變形，為保證計(jì)算收斂和提高計(jì)算精度，將壓余與剪刀口接觸附近的網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化，細(xì)化區(qū)間總長度取為壓余厚度的兩倍，即40mm，細(xì)化區(qū)間分3段，各段長度分別為10mm、20mm和40mm，對應(yīng)的單元尺寸分別為5mm、10mm和20 mm，如圖2所示。

圖1 壓余剪切的三維實(shí)體模型

圖2 壓余網(wǎng)格單元

2 結(jié)果分析

2.1 剪切力變化

在剪切過程中，剪切力變化呈拱形，大體可分3個(gè)階段，即上升、穩(wěn)定和下降，如圖3所示。在剪切初始階段，剪切力緩慢上升；接近坯料1/3直徑處，剪切力步入穩(wěn)定階段；至坯料直徑處，達(dá)到最大，其值為1MN，隨后至坯料約5/6直徑處，剪切力開始急速下降。

2.2 剪切力影響因素分析

在鋁擠壓生產(chǎn)過程中，壓余剪切速度未占用非擠壓時(shí)間，因此，對剪切速度并沒有特殊要求，僅需滿足剪切動作平穩(wěn)即可。通常情況下，壓余剪切速度為100mm/s～150mm/s。基于上述模型，調(diào)整剪切速度分別為110mm/s、120mm/s、130mm/s、140mm/s和150mm/s，模擬結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，隨剪切速度增加，最大剪切力呈現(xiàn)小幅波動，與平均值相比，波動幅值范圍不超過2.4%。

壓余厚度與合金種類、擠壓方法、擠壓筒直徑、制品直徑或厚度有關(guān)，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，通常可以沿坯料長度方向取距坯料表層1mm～2mm深的體積對壓余厚度L進(jìn)行折算。為獲取壓余厚度對最大剪切力的影響，基于上述模型，調(diào)整剪切速度為150mm/s，設(shè)定壓余厚度L分別為30mm、40mm、50mm和60mm，模擬結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，隨著壓余厚度的增加，最大剪切力呈線性增加，壓余厚度每增加10mm，最大剪切力增幅約為15%。

圖3 壓余剪切力

圖4 不同剪切速度下的壓余最大剪切力

圖5 不同壓余厚度時(shí)的壓余最大剪切力

3 驗(yàn)證

剪切力大小取決于被切金屬的性質(zhì)、截面面積和剪切時(shí)的溫度。7075鋁合金在400℃時(shí)的抗拉強(qiáng)度約為105MPa［6］。對于塑性材料，許用剪切應(yīng)力［τ］與許用拉應(yīng)力［σ］存在如下關(guān)系：

最大剪切力FQmax計(jì)算公式如下：

其中：A為坯料橫截面積。通過計(jì)算，最大剪切力為1.04MN～1.40MN，而模擬最大剪切力為1.01MN～1.66MN。由此可知，估算壓余最大剪切力時(shí)，若壓余厚度較小，許用剪切應(yīng)力取低值，與模擬結(jié)果吻合較好；壓余厚度較大時(shí)，許用剪切應(yīng)力應(yīng)盡量取高值，甚至可以用許用拉應(yīng)力代之。

4 結(jié)論

利用Forge軟件，對某規(guī)格7075鋁合金擠壓壓余剪切過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了剪切力的變化曲線，分析結(jié)果表明：隨剪切行程增加，剪切力呈拱形變化；剪切速度在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，最大剪切力僅存在小幅波動，幾乎保持不變；壓余厚度與最大剪切力呈線性關(guān)系，壓余厚度每增加10mm，最大剪切力增幅約為15%。

［1］魏軍.金屬擠壓機(jī)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［2］秦泗吉.板材剪切與沖裁加工過程有限元模擬及實(shí)驗(yàn)研究［D］.秦皇島：燕山大學(xué)，2001：28-37.

［3］張國智，劉莉莉，魏增菊，等.基于網(wǎng)格重劃分的沖孔剪切帶的模擬方法研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010（4）：138-140.

［4］方剛，曾攀.金屬板料沖裁過程的有限元模擬［J］.金屬學(xué)報(bào)，2001（6）：653-657.

［5］楊競，劉書浩，范云.407mm冷軋圓盤剪切機(jī)間隙和重合度對剪切質(zhì)量的影響分析［J］.重型機(jī)械，2012（4）：51-55.

［6］黃志其，尹志民，陳慧，等.7075鋁合金實(shí)心型材生產(chǎn)工藝研究［G］//Lw2010鋁型材技術(shù)（國際）論壇文集.廣州：廣東省工業(yè)技術(shù)研究院，2010：319-322.