基于DEFORM-3D弹簧圆锥破碎机锥形衬套温挤压

基于DEFORM-3D弹簧圆锥破碎机锥形衬套温挤压数值模拟研究王满粮（广东速美达自动化股份有限公司，广东东莞523000）摘要：本文利用DEFORM-3D有限元软件对弹簧圆锥破碎机锥形衬套温挤压过程进行了数值模拟。着重分析了锥形衬套温挤压过程中金属的塑性流动规律，等效应力、等效应变的变化规律以及分布情况，并研究了温挤压模具在温挤压过程中受到的载荷变化，得出了被挤压毛坯的最外侧、中心侧、次中心侧的金属塑性流动速度、等效应力、等效应变在整个温挤压过程分别具有相似的变化规律等结论，挤压模具承受的载荷主要来自主模具进给方向相反的变形抗力，并提出了压力机不小于150吨的建议。关键词：圆锥破碎机；DEFORM-3D；锥形衬套；温挤压；数值模拟中图分类号：TG376文献标识码：ANumericalsimulationofwarmextrusionofconicalbushingofspringconecrusherbasedonDEFORM-3DWangManliang（GuangdongSumeidaAutomationCo.,Ltd.,Dongguan,Guangdong523000）Abstract:inthispaper,thewarmextrusionprocessofconicalbushingofspringconecrusherisnumericallysimulatedbyusingDEFORM-3Dfiniteelementsoftware.Theplasticflowlawofmetal,thevariationlawanddistributionofequivalentstressandequivalentstrainintheprocessofwarmextrusionofconicalbushingareemphaticallyanalyzed,andtheloadchangeofwarmextrusiondieduringwarmextrusionprocessisstudied.Thesqueezedtheoutsidepieceofblankisobtained,thecenterside,sidemetalplasticflowvelocityandequivalentstress,equivalentstraininthewarmextrusionprocesschangeruleandsimilarrespectively,extrusionmoldunderloadismainlytomoldfeedintheoppositedirectionofdeformationresistance,andputforwardthepressshouldnotlessthan150tonsofsuggestions.Keywords:Conecrusher;DEFORM-3D;Conicalbushing;Warmextrusion;Numericalsimulation温挤压成形工艺是指将挤压毛坯加热至再结晶温度以下，将毛坯放置到具有一定温度的模具中进行挤压成形的一种高效新型加工方式[1]，较传统的热挤压方式具有压力机的要求低、能耗低、材料利用率高等特点[2-3]。由于被挤压的毛坯件处于再结晶温度以下，在强烈外力作用下被挤压毛坯受到模具的约束下，金属晶体具有很好的塑性和流动性，成形后的工件具有很好的力学性能和尺寸精度[4-6]。弹簧圆锥破碎机使用的锥形衬套安装在主轴的外侧由锡青铜材料加而成的，这种衬套可有效的减小设备的振动、降低噪音，同时由于其具有一定的耐腐蚀性能，可应用于恶劣的工况环境中[7-8]。收稿日期：修订日期：收稿日期：修订日期：作者简介：王满粮(1988-)机械工程师E-mail：smdsj02@本文利用DEFORM-3D有限元分析软件对锥形衬套进行了数值模拟分析，研究了锥形衬套在温挤压过程中金属毛坯在模具中的金属流动、等效应力分布、等效应变分布等成形规律以及模具承受载荷分布，根据锥形衬套加工中的成形机理，对锥形衬套批量化生产前压力机吨位、挤压温度、挤压速度等工艺参数的选择具有一定的指导意义。1锥形衬套温挤压成形材料的选择与结构1.1锥形衬套毛坯温挤压材料的性能参数本文选取锡青铜作为研究锥形衬套温挤压的材料。其性能参数如表所示：表1材料性能参数Tab.1materialperformanceparameters参数数值参数数值硬化系数0.13导热系数/(W.m-1K-1)75.4最小屈服强度/MPa220比热容(J.kg-1K-1)343屈服强度/MPa320泊松比0.3杨氏模量/GPa110热膨胀系数/10-5K1.81.2毛坯与成形件的结构毛坯零件模型如图所示，根据锥形体成形特点，为了便于锥形衬套挤压成形，将毛坯制造成锥形体，这种结构在挤压过程中有利于金属的流动，可有效的降低挤压力、减少气孔、裂纹、麻面等缺陷的产生，毛坯如图1、挤压后成形件如图2所示。图1挤压毛坯图2挤压后的成形件Fig.1ExtrusionblankFig.2Theformedpartafterextrusion2锥形衬套温挤压成形有限元模型的建立2.1几何模型的建立本文利用弹簧圆锥破碎机锥形衬套利用三维建模软件SolidWorks2018建立了几何模型，该模型由如下结构组成锥形挤压凸模1、锥形凹模2、锥形毛坯3、顶杆4组成，用SolidWorks2018软件将零部件整体转换成STL格式文件导入到DEFORM-3D软件中，装配体模型如图3所示，图3锥形衬套温挤压装配体模型图Fig.3Warmextrusionassemblymodelofconicalbushing2.2锥形衬套毛坯温挤压数值模拟设置DEFORM-3D软件具有强大的网格自划分能力，锥形衬套毛坯在挤压过程中金属内部发生塑性变形，在仿真中表现出网格的挤压与变形，计算中不收敛的网格再次自动划分，以提高计算结果的准确率[9]。故本文网格划分45000个，表面多面体数9226个，最小单元格边长为0.853994mm，挤压步长为最小单元格边长的1/3。模拟中需要设置的工艺参数有温挤压速度、模具温度、摩擦系数分别设置参数如表所示。表2锥形衬套毛坯温挤压参数表Tab.2WarmExtrusionParametersofconicalbushingblank参数数值温挤压速度6mm/s毛坯温度600℃凸模温度600℃凹模温度400℃顶杆温度400℃摩擦系数0.153数值模拟结果分析3.1锥形衬套温挤压过程中金属流动规律分析为了清晰的研究锥形衬套温挤压中金属成形规律，故选取锥形毛坯最外侧P1点、中心侧P2点、次中心侧P3点为研究对象，通过分析三点在挤压过程中金属流动速度、等效应力、等效应变的变化规律，得出锥形衬套成形规律，网格划分后的毛坯图4和选取的P1、P2、P3点如图5所示。图4网格划分后的毛坯图5选取的P1、P2、P3点Fig.4TheblankaftermeshingFig.5selectedP1,P2andP3points根据金属在挤压过程中塑性变形的体积近似不变以及金属流动遵循最小阻力的原则[10]，在凸模的压力做用下P1、P2、P3的金属流动速度方向以及流动位移沿着X/Y/Z三个方向分别发生，其中X方向为垂直于剖切面向外，Y方向为垂直于锥形毛坯大径端面即凸模进给运动的反方向，Z方向为垂直指向锥形毛坯轴心方向，根据牛顿定律可分别得到三点的和速度以及和位移，模拟结果如P1、P2、P3金属塑性流动速度图6和P1、P2、P3金属塑性流动位移图7所示。图6P1、P2、P3金属塑性流动速度Fig.6PlasticflowvelocityofP1,P2andP3metals如P1、P2、P3金属塑性流动速度图6所示在温挤压整个挤压时间内，三个点的金属塑性流动速度变化趋势近似相同，在起初0-0.3S时间内，挤压凸模向下运动，锥形毛坯发生塑性变形，P1、P2、P3三点金属塑性流速度呈VP1＞VP2＞VP3，这是由于锥形毛坯最外侧与挤压凹模具有一定的间隙导致P1点在始发阶段没有受到凹模的约束，随着挤压的继续进行锥形毛坯最外侧与挤压凹模模腔紧密接触，在0.3S-0.5S这段时间内这三个点的塑性流动速度逐渐变小，但在此阶段三个点的流动速度依然是VP1＞VP2＞VP3，随着温挤压的继续在0.3S-3.7S这段时间内三点的金属流动速度逐渐近似线性增大，此阶段金属塑性流动速度VP3＞VP2＞VP3，随着温挤压的进一步进行直到挤压完成，三个点的金属塑性流动速度基本呈现VP1＞VP3＞VP2逐渐波动增大的趋势。图7P1、P2、P3金属塑性流动位移Fig.7PlasticflowdisplacementofP1,P2andP3metals如P1、P2、P3金属塑性流动位移7图所示在温挤压整个挤压时间内，P1、P2点的金属塑性流动速度变化趋势近似相同，P3点的金属塑性流动位移基本稳定变化较小，在挤压完成后P2点发生位移最大，P1点的发生塑性流动位移次之，P3点发生塑性流动位移最小，此时P1点发生的位移为30.95mm，P2点发生的位移为37.52mm，P3点发生的位移为18.61mm，可得出在锥形衬套温挤压过程中被挤压锥形毛坯中心侧的金属发生塑性流动位移最大，处于最外侧金属发生塑性流动的位移次之，次中心侧发生金属流动位移最小。3.2锥形衬套锥形温挤压过程中等效应力分析如图8所示，选取三个P1、P2、P3点的等效应力在整个温挤压过程具有相似的变化规律，首先选取P1、P2、P3三点在挤压开始时候等效应力变化呈现线性先上升后下降趋势，然后随着挤压的进行三个点的等效应力呈现上升趋势，最后随着进一步的挤压锥形毛坯P1点和P3等效应力变化呈现稳定的状态，P2的等效应力要大于另外两个点受到的等效应力，当挤压完成后三个点最终的等效应力分别为133.7MPa、173.8MPa、133.MPa。图8P1、P2、P3等效应力变化曲线Fig.8EquivalentstresschangecurveofP1,P2,P3为了更加全面的分析锡青铜锥形毛坯在温挤压过程中受到的等效应力的分布状态，特分别选取温挤压完成52.2%（96步）和65.2%（120步）的状态的等效应力进行分析，其等效应力、等效应变分布云图分别如图9所示。a.96步等效应力云图b.120步等效应力云图图9第96和120布等效应力分布Fig.9.Equivalentstressdistributionofcloth96and120根据第96步和120步等效应力分布云图所示，凸模模头与被挤压锥形毛坯底部接触部位的等效应力最大值分别为247MPa和257MPa，第96步等效应力主要集中在93MPa-155MPa，第120步等效应力主要集中在104MPa-165MPa，而且从截面图可以明显的得到，挤压成锥形筒的部分等效应力是分布均匀的。3.3锥形衬套锥形温挤压过程中等效应变分析如图10所示，选取三个P1、P2、P3点的等效应变在整个温挤压过程具有相似的变化规律，呈现指数增长的趋势，挤压初期P2点的等效应变大于P3点的等效应变，随着挤压的进一步继续进行，P3点的等效应变大于P2点的等效应变，整个过程P1点的等效应变变化最小，由此可得出结论，刚发生温挤压时，次中心侧的金属变形程度要大于中心侧的金属变形程度，随着挤压的进行，中心侧的金属变形程度逐渐变大而且大于次中心侧的金属变形程度，最外侧金属变形程度最小。图10P1、P2、P3等效应变变化曲线Fig.10EquivalentstraincurveofP1,P2,P33.4锥形衬套锥形温挤压过程中模具载荷分析在温挤压过程中锥形挤压凸模、锥形凹模、顶杆分别承受X、Y、Z三个方向的载荷，如图11所示，挤压过程中锥形挤压凸模和锥形凹模在X方向上受到的载荷基本上受力状态一致具有相似的波峰和波谷，总体上在凹模受到的载荷要大于凸模受到的载荷，当温挤压进行到8.45S时凹模上的X方向的受到的载荷达到最大为12662.7N，在整个过程中顶杆在X方向受到的载荷最大值为639.2N。图11温挤压过程中模具X方向载荷Fig.11LoadinXdirectionofdieduringwarmextrusion如图12所示，挤压过程中锥形挤压凸模、锥形凹模、顶杆在Y方向上受到的挤压力基本上受力状态一致，整体呈近似线性上升趋势，在整个温挤压过程中凸模受到的载荷均大于凹模和顶杆受到的载荷，当温挤压进行到8.9S时顶杆受到的挤压力抗力达到峰值为548814.2N，当挤压到最后9.16S时凸模和凹模受到的载荷分别达到峰值为935004.6N和550812.1N。图12温挤压过程中模具Y方向载荷Fig.12LoadinYdirectionofdieduringwarmextrusion如图13所示，挤压过程中锥形挤压凸模和锥形凹模在Z方向上受到的载荷基本上受力状态一致具有相似的波峰和波谷，并与X方向上受到力的波动曲线规律相似，总体上在凹模受到的载荷要大于凸模受到的载荷，当温挤压进行到8.15S时凹模上的Z方向的受到的载荷达到最大为17379N，在整个温挤压过程中顶杆在Z方向受到的载荷最大值为623.8N。图13温挤压过程中模具Z方向载荷Fig.13LoadinZdirectionofdieduringwarmextrusion由以上温挤压过程中锥形挤压凸模、锥形凹模、顶杆三个模具承受的载荷都主要承受Y方向上分别是935004.6N、550812.1N、548814.2N，即在选择压力机时可选择不小于150吨。4结论利用DEFORM-3D数值模拟软件对弹簧圆锥破碎机锥形衬套温挤压数值模拟研究，着重分析了锥形衬套温挤压过程中金属的塑性流动规律，等效应力、等效应变的变化规律以及分布情况以及温挤压模具在挤压过程中受到的载荷，并根据这些得到了如下结论：（1）在温挤压起始阶段锥形毛坯件最外侧金属的塑性流动速度依次大于毛坯中心金属塑性流动速度大于毛坯次中心侧金属的塑性流动速度，随着温挤压的继续进行毛坯次中心侧的金属塑性流动速度大于毛坯中心金属塑性流动速度大于中心侧的金属塑性流动速度，而且三个区域的金属塑性变形速度曲线走向近似相同。（2）在锥形衬套温挤压过程中被挤压锥形毛坯中心侧的金属发生塑性流动位移最大，处于最外侧金属发生塑性流动的位移次之，次中心侧发生金属流动位移最小。（3）锥形毛坯外侧、毛坯中心、毛坯次中心的等效应力、等效应变在整个温挤压过程分别具有相似的变化规律。（4）温挤压过程中锥形挤压凸模、锥形凹模、顶杆三个模具承受的载荷主要来自凸模进给方向相反的变形抗力，并得出了选择压力机不小于150吨的结论。参考文献吴诗惇.冷温挤压技术[M].国防工业出版社,1995杨华龙.连杆衬套温挤压预成形技术及数值模拟研究[D].中北大学,2017.肖寒,崔鋆昕,熊迟,陈磊,张雄超,李永坤,周荣锋.退火温度对触变挤压锡青铜轴套组织性能的影响[J].稀有金属材料与工程,2021,50(11):4119-4127.张京,吴淑芳,苗润忠,陈风龙.油泵活塞温挤压成形工艺数值模拟与模具设计[J].热加工工艺,2019,48(13):98-102.李志伟,樊文欣,原霞,李姝,张晓宇,秦晋.田口算法在锡青铜连杆衬套挤压参数优化中的应用研究[J].特种铸造及有色合金,2019,39(02):225-227.魏炜,张文琼.变形温度对反挤压耐磨锡青铜合金组织性能的影响[J].锻压技术,2017,42(08):62-65.赵培峰,周延军,宋克兴,等.新型耐磨锡青铜合金包套挤压工艺及组织性能(英文)[J].塑性工程学报,2012,19(3):8-12.邱纯良.圆锥破碎机直衬套破裂事故的探讨[J].矿山机械,2007(04):38-39.郑彦博.基于DEFORM-3D星形套闭式温挤压成形分析[J].模具制造,2020,20(08):71-75.郭成，秦莹，王长林，等．套筒零件挤压成形金属流动规律研究[J]．锻压技术，2008,33(4):43-47．ReferenceWuShidun.Coldandwarmextrusiontechnology[M].NationalDefenseIndustryPress,1995YangHualong.Researchonwarmextrusionpreformingtechnologyandnumericalsimulationofconnectingrodbushing[D].NorthCentralUniversity,2017.XiaoHan,CuiJunxin,XiongChi,ChenLei,ZhangXiongchao,LiYongkun,ZhouRongfeng.EffectofAnnealingTemperatureonMicrostructureandPropertiesofThixotropicExtrudedTinBronzeBushings[J].RareMetalMaterialsandEngineering,2021,50(11):4119-4127.ZhangJing,WuShufang,MiaoRunzhong,ChenFenglong.Numericalsimulationanddiedesignofoilpumppistonwarmextrusionformingprocess[J].ThermalProcessingTechnology,2019,48(13):98-102.LiZhiwei,FanWenxin,YuanXia,LiShu,ZhangXiaoyu,QinJin.ApplicationofTaguchialgorithminoptimizationofextrusionparametersoftinbronzeconn