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中北大学学位论文 五孔式氧枪喷头底座成形工艺及模具失效研究 摘要 本文以五孔式氧枪喷头底座挤压成形为研究对象，对该零件的挤压成形过程及其模 具的工作状况进行了数值模拟，制定了该挤压件的成形工艺，并对模具进行了失效分析， 这对于保证成形件的质量及提高模具使用寿命均具有积极的意义。 首先，根据模拟分析的需要，建立了模具的几何模型以及模拟过程的刚塑性有限元 模型，并对模拟中边界情况的定义、材料性能的施加、设备速度的选取和网格的划分等 关键问题进行了分析，为模拟和仿真的顺利进行打下了基础。 应用有限元数值模拟方法，对氧枪喷头底座挤压过程进行了三维数值模拟。讨论了 坯料大小、变形温度、变形速度和摩擦条件对变形过程中等效应变、等效应力以及挤压 力的影响，确定了合理的变形工艺参数。模拟结果显示：在坯料直径为3 4 0 r a m ，挤压 温度为8 5 0 ，挤压速度为5 m m s 时，有利于该零件的成形。 在数值模拟结果分析的基础上，制定了氧枪喷头底座挤压成形的工艺方案，并进行 了生产试制。实验结果表明，用挤压工艺代替传统工艺生产该零件，有效地提高了材料 利用率，降低了生产成本。 经过批量生产后，挤压凸模表面出现裂纹，导致模具失效。本文采用有限元数值模 拟软件对凸模挤压过程中的应力场、温度场进行了分析，找出其失效的主要原因，并提 出改进方案。 关键词：铜，氧枪喷头，挤压成形，数值模拟，模具失效分析 中北大学学位论文 t h e s t u d yo n e x t r u s i o nf o r m i n g t e c h n o l o g ya n dd i ef a i l u r e o ft h ep e d e s t a lo f5 - h o l es p r a yn o z z l eo fo x y g e nl a n c e a b s t r a c t t a k et h ee x t r u s i o no ft h ep e d e s t a lo f5 h o l es p r a yn o z z l eo fo x y g e nl a n c ea st h er e s e a r c h o b j e c t , t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ff o r m i n gp r o c e s sa n dw o r k i n gc o n d i t i o no fd i ea l es t u d i e d i nt h i sp a p e r t h et e c h n o l o g yo ft h ee x t r u d e dp a r th a sb e e ns t i p u l a t e d ，a n dt h ef a i l u r ea n a l y s i s h a sb e e ns t u d i e d t h o s ea r ei nf a v o ro fi n c r e a s i n gt h ep a r ta n dt h es e r v i c el i f eo fd i e f i r s t l y , t h eg e o m e t r i cm o d e lo fd i ea n dr i g i d p l a s t i cf i n i t ee l e m e n tm o d e lo fs i m u l a t i o na r e b u i l ta c c o r d i n gt ot h ed e m a n do fs i m u l a t i o na n a l y s i s ，t h ed e f i n i t i o no fi n t e r f a c ec o n d i t i o n b e t w e e nd i ea n dw o r k p i e e e ，t h ea d d i n go fm a t e r i a lp a r a m e t e r s ，f o r m i n gv e l o c i t yo fm a c h i n e a n dm e s h ，i sa l s od o n e i ti st h eb a s eo ft h ef o l l o w i n gc o m p u t e rs i m u l a t i o n t h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ff i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) t h ec o u r s eo fe x t r u s i o n o ft h es p r a yn o z z l eo fo x y g e nl a n c ei ss i m u l a t e d t h ef o r m i n go ft h eb l a n k ，d e f o r m a t i o n t e m p e r a t u r e ，d e f o r m a t i o nr a t ea n df r i c t i o na r ed i s c u s s e dw h i c hi m p a c te q u i v a l e n ts t r a i n ， e q u i v a l e n ts t r e s sa n de x t r u s i o nf o r c e 。t h ea n a l y s i ss h o w e dt h a ti ti sb e n e f i c i a lt of o r m i n g w h e nt h ed i a m e t e ro fb l a n ki s3 4 0 r a m ，t h ee x t r u s i o nt e m p e r a t u r ei s8 5 0 c ，a n dt h ee x t r u s i o n s p e e d i s 5 m m s b a s e do nt h er e s u l to ft h ef e ms i m u l a t i o n ，t h ee x t r u d e df o r m i n gt e c h n o l o g yo ft h e s p r a yn o z z l eo fo x y g e nl a n c eh a sb e e ns t i p u l a t e d ，a n dt h ep h y s i c a le x p e r i m e n ti sa c h i e v e d t h er e s u l ts h o w st h a ti ti sf e a s i b l et op r o d u c et h es p r a yn o z z l eo fo x y g e nl a n c ew i t he x t r u s i o n i np l a c eo ft h et r a d i t i o n a lt e c h n o l o g y , w h i c hi m p r o v e dt h eu t i l i z a t i o no fm a t e r i a la n dr e d u c e d t h ep r o d u c t i o nc o s te f f e c t i v e l y t h r o u g hq u a n t i t yp r o d u c t i o n ，t h es u r f a c eo fe x t r u d e dd i eo ft h es p r a yn o z z l eo fo x y g e n l a n c ea p p e a r e dc r a c k i tr e s u l t e di nt h ei n e f f e c t i v e n e s so fd i e t h es t r e s sa n dt e m p e r a t u r ef i e l d 2 中北大学学位论文 o fd i ei nt h ee x t r u s i o np r o c e s s e si sa n a l y z e du s i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r eo ff i n i t ee l e m e n t m e t h o d t h em a i nr e a s o bo fi n e f f e c t i v e n e s so fd i ei sf o u n d ，a n dt h ei m p r o v i n gp r o j e c ti sp u t f o r w a r d k e yw o r d s ：c o p p e r , t h es p r a yn o z z l eo fo x y g e nl a n c e ，e x t r u s i o nf o r m i n g ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，i n v a l i d a t i o na n a l y s i so fd i e 3 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：氐豳宅。 日期： 趔7 ：垒：i 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包 括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件； 学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文： 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复 制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容 ( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签 名：继豳宣 日期： 2 越。垒! f 导师签名： 劣多复 日期： 兰立：鱼：! 中北大学学位论文 1 1 课题的研究目的及意义 第一章绪论 2 1 世纪的塑性加工产品向着轻量化、高强度、高精度、低消耗的方向发展。塑性精 密成形技术对于提高产品精度、缩短生产周期、减少或免除切削加工、降低成本、节约 原材料、降低能耗、提高产品性能等都有重要意义。当前生产的发展，除了要求制件具 有较高的精度外，更迫切地是要解决复杂形状的成形问题，同时还要不断提高制件的质 量、减少原材料的消耗、提高模具寿命，促使降低产品成本、提高产品的竞争能力。 金属塑性加工是利用金属的塑性，通过模具使简单的毛坯成形为所需零件的十分重 要的金属加工技术，同时又是一种少或无切屑加工方法，它不仅生产效率高、产品质量 稳定而且在金属成形过程中可以有效地改善金属的组织性能，因而广泛应用在机械、电 子电器、汽车、航空航天、兵器等方面。在塑性成形过程中，材料的塑性变形规律、工 件与模具的摩擦机理，温度和微观组织的变化对工件质量的影响等等复杂问题，过去由 于缺乏科学的预测，使得塑性成形工艺和模具设计缺乏系统的、精确的理论分析手段， 而主要依靠设计人员在长期工作中积累经验，对于复杂成形的工艺和模具，设计质量难 以保证，一些关键的设计参数要在模具制造后，通过反复的调试、修改才能确定，这样 浪费大量的人力、物力和时间。而借助于计算机模拟和可视化技术，可以以较小的代价， 在较短的时问内找到最优的方案。金属塑性成形过程的数值模拟就是对成形过程中的金 属流动行为进行跟踪描述，在计算机上演示整个成形过程，以揭示金属流动的实际规律 和研究各个因素对成形过程的作用及影响，设计人员可以在计算机上分析工艺参数与材 料流动之间的关系，观察成形过程中可能出现的问题，并可以预测成形所需载荷和产品 的组织性能，优化工艺参数和模具设计 2 1 0 本文以炼钢用氧枪喷头底座成形为例，采用计算机数值模拟技术对该零件的挤压成 形进行研究，优化工艺参数，制定工艺方案，并针对生产过程中模具表面出现的失效形 式，对模具进行失效分析。 氧枪喷头是炼钢时吹氧所使用的氧枪上的主要工件，氧气是通过形状复杂的氧枪喷 头供给转炉池进行冶炼操作的。氧枪喷头直接控制着氧气射流的气动力学性能，其性能 中北大学学位论文 的优劣对炼钢效果有重要的影响“1 。氧枪喷头工作时的环境比较恶劣，要求该产品应具 备良好的表面质量和致密的内部组织，并要求喷头底部材料中含氧量低于0 0 0 2 。我国 传统冶炼工艺中大多采用铸造喷头，其使用寿命很短，小型喷头不足3 0 0 炉，而大型喷 头仅1 0 0 炉左右。少数企业，经溅渣护炉工艺改进后，使用锻压组合式氧枪喷头，该工 艺仍存在着材料利用率低、生产成本高、产品性能不稳定的弊端，尤其是喷头底部的成 形。 针对以上存在的问题，本文考虑采用挤压近净成形制坯工艺取代传统的热锻制坯生 产工艺，目的是为了降低生产成本，提高内在质量，为该产品的市场开发创造较有利的 基础条件。本文对该产品挤压精密成形过程进行了数值模拟，分析了各个工艺参数对该 零件挤压成形的影响以及模具在工作过程中的受力、受热情况，以此探索挤压精密成形 工艺的普遍规律，为类似复杂零件的实际生产及其模具寿命的提高提供借鉴。 1 2 相关情况综述 1 2 1 挤压技术的发展概况 挤压是对放在挤压筒内的金属坯料施加外力，使之从特定的模孔中流出，获得所需 断面形状和尺寸的一种塑性加工方法。金属挤压成形技术作为一种少无切削加工技 术，实现了成形与改性相结合，不仅可以获得所需的零件形状，而且还可以通过控制变 形参数，细化显微组织，提高产品力学性能，已逐渐成为一种精密塑性成形新工艺而日 益为人们所重视“1 。一般来说，挤压相对于传统的机加工来说有如下优点： ( 1 ) 挤压具有非常高的生产效率：挤压工艺比一般的切屑加工效率要高出几倍、几 十倍，甚至上百倍。 ( 2 ) 挤压零件尺寸精度、表面光洁度高：我国目前的挤压件尺寸精度可达到8 9 级， 表面光洁。 ( 3 ) 挤压件的质量高：挤压过程在三向压应力的作用下，变形后材料的组织致密、 且具有连续的纤维流向，因而制件的强度大大提高。 ( 4 ) 节省原材料：挤压件材料的利用率很高，通常可达8 0 以上，大大地节省了原 材料”1 。 2 中北大学学位论文 挤压方法除具有上述优点外，也有一些缺点： ( 1 ) 挤压方法所采用的设备较为复杂，生产率比轧制方法低； ( 2 ) 挤压的废料损失一般较大。这主要是指挤压剩下的“压余”，其数量可占钢 锭或钢坯重量的1 0 - 1 5 ，甚至2 5 3 0 ( 轧制法的切头切尾损失只有锭重的1 3 ) ，从 而降低成品率，增加产品成本； ( 3 ) 由于挤压时主应力状态为很强的三向压应力，故变形抗力增大，摩擦力亦随 之增大，结果使工具的损耗增大。往往工具损耗费用占挤压制品成本的3 5 以上； ( 4 ) 制品的组织和性能沿长度和断面上不够均匀致n 1 。 挤压技术在金属加工领域的运用迄今已有2 0 0 多年的历史。相对而言，人们对挤压 规律的研究则起步较晚。上世纪末，西方国家开始用挤压法生产软质有色金属零部件。 第一次世界大战后，德国人在实验室冷挤压钢管获得成功，第二次世界大战中，德国人 成功地用冷挤压法大量她生产钢弹壳”1 。二次世界大战后，由于航空、火箭、宇宙航 行技术，以及汽车、船舶、铁路运输、桥梁、输电等各部门的发展，促进了挤压生产的 急剧发展，这主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 挤压机的台数和能力在不断地增加，挤压生产线的自动化程度不断提高。 ( 2 ) 强化挤压生产过程，新的挤压技术不断出现。 ( 3 ) 产品品种、规格不断扩大。 ( 4 ) 理论研究有了突破性进展“。 从1 9 4 9 年开始，美、德等国在民用工业中采用冷挤压法加工各种钢制零件，并进一 步开展了钢的冷挤压研究工作。 此后，日本于1 9 5 7 年引进第一台专用冷挤压力机，首先在钟表等精密仪器工业中采 用冷挤压加工。由于这种加工方法的经济效益极其显著，不久，便在大批量生产的汽车 和电器等工业部门中得到广泛应用，现在已成为一种极重要的加工手段，遍及于各个工 业部门。 2 0 世纪7 0 年代末，各种金属及其合金的挤压技术更趋于完善，挤压设备及辅助设 备向大型化、专业化方向发展迅速，热挤压技术也开始成熟。同一时期美国贝特尔一哥 伦布实验室的h l t a n 等首先开发了轴对称锻件锻模c a d 系统。随后又研究了有限元、切 3 中北大学学位论文 块法、上限法等在塑性模拟中的应用，开发出了挤压c a d c a m ，用于铝型材挤压。英国 的b n f 金属技术中心于1 9 7 6 年报道了用于有色金属( a i 、c u ) 的挤压模具c a d c a m 系统。 在我国，解放前的挤压技术是极端落后的，当时只有极少数的工厂用锡、铅等有色 金属挤压牙膏管、线材和管材。解放后，冷挤压技术得到了一定程度的发展，5 0 年代开 始了铜及其合金的冷挤压，6 0 年代开始了黑色金属的冷挤压，近几年来，随着我国工业 生产及科学技术的蓬勃发展，挤压技术也得到了迅猛发展。这种先进的压力加工工艺已 在我国的工业建设中起着令人瞩目的作用。目前，我国已经能够对铝、锡、银、紫铜、 无氧铜、黄铜、锡青铜、锌及其合金等多种金属进行挤压。甚至对轴承钢、高速钢等也 可进行一定变形量的冷挤压。在模具材料的使用方面，除了采用高速钢、高碳高钼钢、 滚珠轴承钢、弹簧钢等以外，还采用不少新型模具钢、硬质合金以及钢结硬制合金等。 在模具结构方面，采用近代的最优化设计方法以及计算机辅助设计，在保证强度、刚度、 可靠性的前提下，充分发挥了模具材料的潜力。在冷挤压技术的理论研究方面，国内不 少高校和研究院所正在采用有限元等计算方法，数值模拟挤压成形全过程以揭示挤压过 程中的金属流动规律及应力应变分布规律，这些工作都对挤压技术的发展起着更大的推 动作用“”。 1 2 2 有限元数值模拟技术的发展及应用 1 有限元法的发展 目前在工程技术领域内常用的数值模拟方法有：有限元法、边界元法、离散单元法 和有限差分法，但就其实用性和应用的广泛性来说，主要还是有限元法。有限元法的基 本思想是将问题的求解域划分为一系列单元，单元之间仅靠节点连接。单元内部点的待 求量可由单元节点量通过选定的函数关系插值求得。由于单元形状简单，易于用平衡关 系或能量关系建立节点量之间的方程式，然后将各个单元方程“组集”在一起而形成总 体代数方程组，计入边界条件后即可对方程组求解。单元划分越细，计算结果就越精确 【l i 有限元法最初是在2 0 世纪5 0 年代作为处理固体力学问题的方法出现的，追溯历史， 早在1 9 4 3 年，c o u r a n t 已应用了单元的概念“”，1 9 4 5 1 9 5 5 年，a r g y r i s 等人在结构矩 4 中北大学学位论文 阵分析方面取得了很大进展，1 9 5 6 年，t u r n e r 、c o u g h 等人把刚架位移法的思路，推 广应用于弹性力学平面问题1 1 6 。1 9 6 0 年，c o u g h 首先把这种解决了弹性力学的方法称 之为“有限元法”。与此同时，我国的冯康也独立提出了类似的方法 1 7 1 0 四十多年来，有限元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题， 由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题。分析的对象从弹性材料扩展到 塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质 力学领域“”。 有限元法在塑性加工方面的应用始于2 0 世纪7 0 年代。塑性有限元理论和计算机技术 的发展，使有限元应用于金属塑性成形模拟成为可能，并受到广泛重视n ”。塑性有限 元法大致可分为两类。一类是固体型塑性有限元法( s o l i df o r m u l a t i o n ) ，包括小变 形和大变形弹塑性有限元法。另一类是流动型塑性有限元法( f l o wf o r m u l a t i o n ) ，包 括刚塑性有限元法和刚粘塑性有限元法。弹塑性有限元法由m a r c a l 和k i n g 于1 9 6 7 年最 早提出，不少研究者用它对锻造、挤压、拉拔、轧制等金属体积成形问题进行了分析伽1 。 随着有限元理论的广泛应用和计算机技术的快速发展，运用有限元法数值模拟对塑性成 形进行分析，在尽可能少或无需物理实验的情况下，得到成形中的金属流动规律、应力 场、应变场等信息，并据此设计成形工艺和模具，成为提高塑性成形效率和生产率的行 之有效的手段“”“。 2 有限元数值模拟技术在塑性加工领域的应用 金属塑性成形过程是一个复杂的弹塑性大变形过程，影响因素众多，如模具形状、 毛坯形状、材料性能、温度及工艺参数等，金属塑性成形工艺传统的研究方法主要采用 “经验法”，这种基于经验的设计方法往往经历反复修正的过程，从而造成了大量的人 力、物力及时间浪费啮。近年来，随着计算机硬件的迅速发展以及有限元理论的不断完 善。不管是在挤压、轧制等体积成形还是在板料成形过程中，计算机数值模拟方法都得 到了较为广泛的应用1 2 1 1 。该技术作为一种工艺参数和模具结构的优化手段，模拟结果的 可视化直观地预见了成形过程中可能出现的大量现象，不仅可以很方便且形象地描述金 属在塑性成形过程中的金属流动行为，还能提供工件变形体及模具在塑性成形过程中各 种物理学场量的分布及其变化规律。既克服了物理模拟资金消耗大、实验周期长等缺点， 而且在保证工件质量、减少材料消耗、提高生产率和降低生产成本等方面也显示了巨大 5 中北大学学位论文 的优越性，是现阶段分析和解决日益复杂多样化的塑性成形加工工艺的经济型有力工具 * ”， o 用有限元法对塑性加工过程进行数值模拟已经有3 0 多年的历史。然而，数值模拟真 正进入实用阶段并对生产设计产生指导作用，仅仅是近十余年的事情。直n 8 0 年代末， 由于计算机的速度不够快，计算程序也处于初级发展阶段，能够模拟的算例只是一些简 单的演示，对工业生产并无实际指导意义。进入9 0 年代，计算机技术和计算机工业飞速 发展，超大型的计算已经不再是难以克服的困难，用有限元法对塑性加工过程进行数值 模拟也取得了突飞猛进的发展”。 目前，二维体积成形的有限元分析技术已经比较成熟，不但能够模拟普通的平面应 交、平面应力和轴对称成形问题，而且能够优化预成形过程，预测成形过程中的表面和内 部缺陷，模拟像双金属和粉末烧结体金属这样的特殊塑性成形过程。但在三维成形有限 元模拟方面，其应用还不成熟。对于复杂三维金属塑性成形问题，由于模具型腔几何形 状复杂，加之网格重划分技术还不成熟等诸多因素的存在，还难以开发使用便捷、适用 范围广的三维有限元模拟软件；如果将其近似为二维问题处理，数值模拟的结果很难与 实际情况相符合。所以，金属成形的三维有限元模拟技术的研究是当今的一大热点之一 1 3 6 ， o 金属塑性成形三维有限元模拟的研究在二维有限元基础发展而成，国内外学者对一 些简化模型或特定的体积成形过程进行三维有限元分析：j u i p e n gt a n g 和w tw u 用 d e f o r m 3 d 对三维轧制和无飞边槽十字轴三维有限元锻造进行了模拟“；y o o n 等对斜齿 轮的三维挤压、锻造过程进行了计算“”；儿c h e n o t 等用f o r g e3 对连杆的粉末锻造和 圆冲头压入半无限平面进行了三维计算”；h k i m 等用d e f o r m 3 d 对铝连杆的三维锻造和 线材的三维压印过程进行了模拟“1 ；此外w u 、k o e n i g 、l a n g e 等学者用三维有限元模拟 了汽车零件外行轮、内星轮、螺旋齿轮的冷锻成形过程3 ”。对于这一类较复杂零件的 成形过程，三维有限元模拟结果可以预测成形力及成形模具的填充情况，为设计者选择 设备及改进模具结构提供依据。 我国学者从8 0 年代中期开始研究应用三维塑性有限元法分析塑性成形问题，取得 喜人的成果。阎洪，胡强等采用大变形弹塑性有限元理论，对典型角铝零件的挤压成形 过程进行三维有限元模拟。得到了型材挤压过程中金属的变形流动规律和应力、应变分 6 中北大学学位论文 布。对挤压工艺参数的合理选择和优化奠定了基础啊1 。盒形件复合挤压时金属流动状 况更为复杂，属于典型的三维流动情况。周明智，薛克敏采用大变形弹塑性有限单元法 对工件整个成形过程进行数值模拟，获得了金属流动过程中的各种信息，从而验证复合 挤压工艺成形盒形件的可行性1 。虞松针对金属体积成形过程空间六面体网格自动划分 和再划分等问题和三维有限元数值模拟中的关键技术进行了深入研究和探讨，研制并开 发了三维体积成形数值模拟系统c a s f o r i - - 3 d ，该系统具有前处理界面友好，各种控制 参数输入方便，自动完成三维六面体网格的划分和再划分，有限元模拟精度高，自动进 行网格重划判断和新旧网格之间的物理量传递过程，及丰富的三维有限元后处理功能， 包括三维动画网格变形图、应力与应变等值线和彩色云图、速度矢量图和载荷行程曲线 等，可以对锻造、挤压等金属塑性成形过程进行模拟”1 。 随着塑性成形有限元数值模拟技术的发展，涌现了许多商业化有限元分析软件，其 中常见的用于体积成形过程的有限元分析软件主要有：d e f o r m ( 美国) 、f o r g e ( 法国) 、 m s c a u t o f o r g e ( 美国) 、m s c s u p e r f o r m ( 美国) 等。近年来，有限元软件行业竞争 激烈，各种专用软件相继出现，软件逐渐向专业化、并行化和智能化的方向发展。 尽管塑性成形的数值模拟技术取得了卓有成效的成果，但是对于复杂的塑性成形问 题，由于模具型腔几何形状复杂，以及网格重划技术还不成熟等诸多因素， 有限元数 值模拟技术还存在许多具体难题急待解决，国内外许多专家学者仍在为此辛苦地研究和 探索。今后，塑性成形有限元数值模拟研究将向三个方向发展，一是数值模拟理论研究 的深入和完善，二是数值模拟的专用程序和专用软件的开发，三是数值模拟技术应用的 拓宽和推广“”。 1 。2 3 氧枪喷头底座成形的发展现状 氧枪技术自氧气顶吹转炉出现以来，就在不断地改进与发展。众所周知，在氧气顶 吹转炉出现之初，氧枪喷头底座是单孔直筒形的，随着转炉容积的加大，要求按比例地 增加氧气流量，使用一个单孔直筒形喷头供应氧气，就会增大喷溅，降低金属收得率。 至1 j 1 9 6 4 年逐渐地从直筒型喷头过渡到收缩一扩张型拉瓦尔式多孔喷头。多孔氧枪的主要 优点是容易化渣，提高金属收得率、减少喷溅、吹炼过程平稳，并提高了氧气利用效率 7 中北大学学位论文 【弼j o 我国转炉使用的氧枪喷头基本上都是纯铜铸造、中心水冷、多孔的氧枪喷头，这种 铸造中心水冷多孔氧枪喷头，由于射流分散，使射流的冲击能力下降，在冶炼过程中为 了保持搅拌力，必须降低枪位，使喷头容易受到侵蚀。此外，这种喷头结构复杂、制作 困难、成本高。近2 0 年来，我国钢铁工业发展迅猛，到目前为止，钢产量已达j ! l j l 亿吨 以上。但在转炉氧枪喷头的设计制造以及使用上还有较大的差距，国内还没有统一的喷 头设计制造及使用标准嚣1 。 李承祚，张飞虎等研究了采用锻压工艺制造的氧气转炉锻压组合式氧枪喷头，其使 用性能与进口德国同类喷头相当，冶金效果好，抗变形能力强，在首钢第二炼钢厂2 1 0 t 转炉上使用，在溅渣护炉工艺条件下，平均使用寿命在5 0 0 炉以上，与同期德国喷头相 比使用效果相当，现已开始在3 座2 1 0 t 转炉上正常使用，大型转炉锻压组合式喷头的 制造技术取得重大进步m 。氧枪喷头损坏和产生变形的部位主要是喷头端底，因此， 研究喷头底座的制造工艺，对于提高喷头寿命意义是重大的。 1 3 课题的主要工作 本文在总结目前国内外研究成果的基础上，针对氧枪喷头底座成形主要存在的问 题，主要进行以下几个方面工作： 1 ) 利用三维实体造型p r o e n g i n e e r 软件建立氧枪喷头底座的三维立体模型，并初步选 定较为合理的变形工艺和模拟参数，为该零件挤压成形的计算机模拟优化作充分准 备。 2 ) 应用有限元法数值模拟技术，研究该零件挤压成形过程中的金属流动规律，确定合 理的毛坯尺寸，分析工艺参数对零件成形的影响。 3 ) 根据计算机模拟的结果，选取最佳匹配的变形温度、变形速度摩擦系数等工艺参数， 制定成形工艺，以达到用塑性成形的方法制造高精度氧枪喷头的目的。 4 ) 氧枪喷头底座挤压成形的工艺试验。 5 ) 针对生产过程中模具表面出现的失效形式，对模具进行失效分析，并进一步提出改 进措施。 8 中北大学学位论文 第二章数值模拟过程中关键技术的处理 随着塑性有限元法的数学理论的完善，金属有限元数值模拟技术已进入实用阶段， 二维有限元数值模拟技术已被许多生产厂家用来设计和改进模具结构，取得了明显的效 果。但对于三维有限元数值模拟技术在实现的过程中，还有一些需要解决的实际问题， 如：复杂模具几何形状的数学描述；材料性能的施加：接触的定义；边界情况的定义； 网格重划分以及后处理等。这些问题处理妥当与否直接关系着有限元数值模拟技术的求 解精度、效率等。因此本章将系统研究数值模拟过程中的关键技术的处理。 2 1 几何模型的建立 在进行数值模拟之前，必须根据工件在成形过程中的一些实际情况建立合适的数学 模型并对一些原始的条件进行数据处理，这样有限元分析程序启动后可直接从已打开的 数据文件读入己知的数据及控制参数，以实现工件成形过程的模拟。在金属成形过程中， 由于模具对坯料施加压力，迫使坯料成形，因此，工件形状及性能与模具的几何形状紧 密相关，模具型腔的几何描述不仅直接影响数值模拟的精度，还影响到有限元模拟的速 度，甚至导致模拟难以进行。简单合理的模具描述为摩擦边界条件的施加、边界节点与 模具的接触状态判别提供便利。因此，在数值模拟中必须选择正确合理的方法来描述模 具的几何形状。 图2 1 所示为五孔式氧枪喷头底座的三维模型图。该零件形状复杂，直接挤压出五 个凸台上的阶梯孔比较困难，因此采用机加。经简化后，挤压件的三维模型图如图2 2 所示，该挤压件不能用平面的轴对称模型来表达，因此需要对其进行三维模拟。虽然模 拟软件m s c s u p e r f o r m 自身具有以a c i s 为核心的几何造型功能，支持创建各种几何 点、线、曲面和实体，并可进行各种曲线、曲面相交、裁剪操作及实体的布尔运算等各 种建模操作。但是，现存的有限元软件其几何造型功能有限，加之在三维体积成形中， 所使用的模具种类繁多，且形状千差万别，模具的型腔曲面形状十分复杂，因此在这些 模拟软件中对一些复杂模具造型还有一定的困难。由于计算机辅助设计在金属成形行业 的广泛应用，通常在计算机辅助设计环境下设计模具或坯料尺寸，以及坯料的最后成形 形状。所以可以通过这些c a d 软件与m s c s u p e r f o r m 仿真软件之间的接口快速进行数 9 中北大学学位论文 据转换，缩短产品设计周期。 图2 1 零件的三维模型图图2 2 挤压件的三维模型图 m s c s u p e r f o r m 与常用的各种c a d 数据标准都存在无损交换数据的接口。这些接口 包括a u t o c a d 、 i p 、s o l i dd e s i g n e r 、p r o e 、i g e s 等。由于在成形过程中模具的几何 形状非常重要，其变形程度、变形速度、塑变区的应力应变状态等与模具型腔轮廓形状 密切相关。模具形状对整个成形过程的影响十分关键。为了方便网格划分和避免奇异点 的产生，往往在保证计算精度的前提下，对模型适当地简化。 p r o e n g i n e e r 采用特征建模，具有参数化设计、全相关性和基于单一数据库的特点， 因而具有强大的三维建模功能。本文根据该挤压件成形模具的特点，对模具型腔进行描 述，首先采用p r o e n g i n e e r 曲面造型功能建立型腔模型，再利用i g e s 标准数据接口实 现p r o e n g i n e e r 和m s c s u p e r f o r m 之间的数据转换。由于该零件形状复杂，尺寸较大， 用有限元模拟软件m s c s u p e r f o r m 进行三维模拟时，大量的网格使得模拟计算比较困难， 为了简化模拟过程中大量的计算，利用其几何对称性，取模具及坯料的1 5 进行模拟。 综上所述，得到模具的几何模型如图2 3 所示： a 凸模 图2 3 模具的几何造型 1 0 b 凹模 中北大学学位论文 2 2 材料性能的旆加 1 零件材料及基本性能 该零件所用材料为t u 。，t u 。是含氧量极少的铜，具有纯度高、导电、导热性高的特 点，加工性能、焊接性、耐蚀性、耐寒性均好。其化学成分见表l ： 表2 1 材料的化学成分 牌号化学成分 c u p f en ip bs nsz no t u l 9 9 9 70 0 0 20 0 0 40 0 0 20 0 0 30 0 0 20 0 0 40 0 0 30 0 0 2 铜的导热性在所有工业金属中是最好的，t u ，的热 导率在2 0 时为3 9 1 w ( m k ) ，而铝的仅为2 3 5 2 w ( m k ) 。此外，t u 也有一定的抗氧化性，无氧铜在 空气中退火，渗氧深度与退火温度及时间的关系如图 2 4 所示，喷头工作时表面温度可达5 0 0 6 0 0 ，在 此温度范围内，经退火6 0 m i n 后，无氧铜的渗氧深度 在0 2 m m 以下，所以选用该材料成形氧枪喷头能够达 到其对抗氧化能力的要求。 无氧铜的冷热加工性能均好，可以拉伸、压延、 挤压、弯曲、冲压、剪切等，热加工温度在7 5 0 c 9 0 0 4 1 1 0 2 材料参数的定义 1 6 l j 1 0 n l n 6 0 4 n 2 0 0 o 粥柏 遍火时阃肺h 图2 4 在空气中无氧铜渗氧深 度与退火温度、时间的关系 模拟软件中可以选择的材料模型有弹塑性、刚塑性或热一弹塑性、热一刚塑性。在 在m s c s u p e r f o r m 中的材料参数定义有两种方式：一种是程序自带常用材料库中提取相 应的材料数据：另一种是用户自定义，将所掌握的材料数据，按曲线、表格或函数等方 式输入到材料定义的相应子菜单对于在材料库中的每一种材料，提供了不同温度和应变 率下材料流动应力一应变曲线和热膨胀系数、弹性模量、泊松比、比热、导热系数等随 温度变化的曲线。 e瞄鬣蕾 中北大学学位论文 材料的流动模型不仅影响变形过程材料的流动方法，还严重影响成形载荷以及等效 应变的求解精度。m s c s u p e r f o r m 软件只提供了部分材料在一定温度范围内的流动应力 变化模型，用插值法可以推算出室温下材料的流动应力模型，但由于材料在冷、温、热 锻温度范围内的流动应力模型变化非常大，在不同温度段内采用插值方法推算流动应力 会严重影响数值模拟的精度。另外，国内外材料成分及处理存在差异，所以为了提高金 属材料有限元数值模拟精度，应通过实验的方法，尽可能多地实测流动应力分布情况， 并将其已引入有限元仿真系统，这样在进行计算时有利于减少插值跨度，从而提高有限 元仿真的精度。 通过与材料库中各种铜及铜合金材料成分的对比，本文选用材料库中高导电性无氧 铜a s 虹c o p p _ 3 1 来对其进行模拟。 2 3 摩擦边界条件的处理 材料成形过程中，工件与模具在接触边界发生剧烈的摩擦和热交换，工件与模具问 的摩擦力对金属流动模式、模具受力状态和总载荷等都有很大的影响。同时，热塑性加 工中的摩擦通常都是在高温、高压下发生的，并且伴随着工件的塑性变形，因此其机制 十分复杂，影响摩擦力的因素很多，有时在加工过程中还要变化。由于影响因素众多， 对其研究还不够完善，故很难定量地确定其大小，一般都作一些假设进行近似计算。在 数值模拟过程中，准确的描述接触边界的工作状态对工件材料的流动、变形载荷、工件 与模具的温度场和应力场的计算都十分必要，如何正确地给定摩擦力直接影响到有限元 地计算精度。为便于分析计算，通常采用简化的摩擦力学数学模型来处理摩擦边界条件。 其中比较常用的有： ( 1 ) 库仑摩擦定律 假设摩擦系数肛为一个常数，摩擦应力与摩擦表面上的正压力成正比，即 彳，l _ f l 口。 ( 2 一1 ) 式中为摩擦系数，以为正压力。对于刚塑性、刚粘塑性问题，采用这种摩擦力学 模型将导致不对称的刚度矩阵，而且在复杂变形中，该模型与实际情况相差较多，一般 不被采用。 中北大学学位论文 ( 2 ) 剪切摩擦模型 假设在摩擦表面上存在摩擦因子坍是一个常数，即： f ，i 小七( 2 2 ) 式中，m 为摩擦表面上的摩擦因子，k 为剪切屈服极限。适用于塑性变形区部分。 上述两种摩擦模型难以处理存在的速度中性点问题，在成形分析中，因为会发生相 对速度很小或相对速度方向变化，使接触状态变化，造成计算出的摩擦力大小和方向突 变，从而引起计算不稳定性。而由c c c h e n 和s k o b a y a s h i 提出的反正切摩擦模型考 虑到相对滑动速度的影响，更为接近事实，且能有效地处理速度中性点的摩擦力方向变 化问题。 ( 3 ) 反正切摩擦模型 假设摩擦力为相对滑动速度的反正切函数。即： 矿- m k 2 a r c t a n t 浯s ， 式中，以为工具与坯料的相对速度；鳓为常数，一般可取鳓= 1 0 。1 0 ；f 为相对速度 反方向的单位矢量“”1 。 在实际成形时必须选用合适的润滑剂，以保证成形的顺利进行。在建立成形有限元 模型时，须选用与成形条件( 包括变形材料的种类、变形温度、速度、润滑剂) 相当的摩 擦模型，摩擦模型应该简单实用、易于引入有限元程序。反挤压属于体积成形，接触压 力相对较高，故本文采用剪切模型模拟摩擦。 2 4 接触分析 m s c s u p e r f o r i l l 软件提供的接触算法有： ( 1 ) 间隙单元法：基于拉格朗日乘子法或罚函数法的接触界面单元( g a p ) 。 ( 2 ) 非线性弹簧：基于罚函数法，通过用户子程序u s p r i n g 施加非线性弹簧。 ( 3 ) 接触迭代算法：基于直接约束的接触算法，是解决所有接触问题的通用方法。 特别是对大面积接触，以及事先无法预知接触发生区域的接触问题，程序能根据物体的 运动约束和相互作用自动探测接触区域，施加接触约束。 1 3 中北大学学位论文 本文涉及的是三维体积成形问题，所采用的是第三种接触算法，即接触迭代算法。 m s c s u p e r f o r m 中可变形接触体是对接触过程中产生的变形加以考虑的接触物体， 它必须是由组成实际变形体的常规单元描述：例如二维连续体可用三角形单元和四边形 单元描述；三维连续体可用四面体单元和六面体单元描述；板壳和梁结构可用板单元， 壳单元和梁单元描述。该系统主要研究零件的塑性变形，所以定义零件为可变形接触体， 对坯料进行网格划分。 对于接触过程中所产生的交形可以忽略的物体，用刚性接触体描述。刚性接触体由 描述刚体轮廓的几何刚体组成，例如二维曲线或三维曲面。刚性接触体只需要生成参与 接触的局部几何，没有必要定义不可能产生接触的那部分刚体轮廓。定义刚性接触体最 重要的是区分刚性接触体的可接触表面与不可接触表面。 在本文中，首先把模具定义为刚性接触体 进行模拟，以确定合理的坯料尺寸、成形温度、 摩擦系数等，进一步确定合理的加工工艺。另 外，在实际生产过程中，由于各方面原因，模 具寿命受到一定影响，为了分析模具的失效原 因，优化其结构，需要对模具进行受力分析， 此时将模具定义为可变形体进行模拟。如图2 5 所示为模具被视为刚性接触体时接触的具体定 义。 在变形体与刚体的接触中变形体的力和位图2 5 接触的具体定义 移往往是通过与之相接触的刚体的运动产生的。m s c s u p e r f o r m 中提供了三种方式描述 刚体运动：( 1 ) 给定位移；( 2 ) 给定速度：( 3 ) 给定载荷。本系统在挤压成形分析中， 使用位移控制刚体p u n c h 运动的方式控制变形体运动。在实际受力分析中，使用载荷控 制刚性转动的方式控制变形体运动。 2 5 网格自适应与网格重划分 1 网格自适应技术 中北大学学位论文 m s c s u p e r f o r m 具有强大的网格自适应功能，网格自适应技术可以根据用户设定的 误差准则，自动调节有限元分析网格的疏密程度，使得数值计算在网格疏密相对优化的 有限元模型上完成，最终以合理的计算成本获得精度较高的分析结果”。网格自适应技 术是以某种误差判据为依据的，一旦误差准则在指定的单元中被违反，这些单元会按给 定的单元细化级别在指定的载荷增量步内被细化。这样，就可避免在追踪过大的材料流 动过程中，因试图改善网格畸变而采取繁琐的手动网格重新划分操作。并且能依据分析 的需要自动调整网格的疏密，消除网格畸变对求解精度的影响“”。 2 网格重划分技术 对于塑性成形类大变形阅题，用塑性有限元分析时常采用增量法，即增量加载法。 在每一增量加载时，将塑性成形问题近似处理为准静态变形，也就是在增量开始时，将 初始状态作为变形参考计算增量值，并不断更新后续增量的参考状态。虽然这种方法有 很多优点，但是在分析成形过程中工件与模具的干涉和单元畸交使得模拟精度降低，甚 至引起计算不收敛。这是因为在金属成形的初期，原始坯料形状比较简单，网格中的单 元形状及密度都比较容易控制，可是随着变形的发展，坯料的几何形状变得复杂，并且 各部分的交形不一致，这就使得与坯料发生同样交形的有限元网格单元的形状逐渐变 坏，甚至产生畸变，若把这种已经畸变的网格形状作为增量分析的参考状态，将导致计 算精度降低，甚至不能继续进行计算；另外在变形过程中。变形工件与模具型腔表面之 间有很大的相对运动，使得工件的某些边界网格与模具边界发生边界干涉，这时网格边 界所描述的工件外形与模具型腔相差较大，将会使模拟结果产生误差。因此，对于涉