游动芯头拉拔模具受力和温度分布的数值模拟

(呼和浩特市生产力促进中心，内蒙古 呼和浩特 010020)
摘 要： 文章采用非线性有限元软件对铜管游动芯头拉拔工艺进行了数值模拟和分析研究，得 出了铜管与模具接触面的法向力和摩擦力的分布规律、拉拔过程中的温度分布，从而推断出 了游动芯头发生粘铜和局部崩裂的主要原因。
关键词：模具； 游动芯头拉拔；数值模拟 
中图分类号：TG356  文献标识码：A  文章编号：1007—6921(2009)22—0092—02

铜管是中国铜加工生产中发展最快的产品之一，拉拔是管类件加工的常用的塑性加工方法， 游动芯头拉拔的特点是拉拔力小，可提高道次变形量，减少工具的消耗，生产率高、成品率 高和管材的内表面质量好，因此在高质量的铜管加工中常用这种拉拔方法。

在实际生产过程中，由于现场条件与观测条件的限制，人们很难实时、定量的把握金属成形 过程，确定一个合理的工艺方案，如游动芯头拉拔铜管生产过程中出现的问题，铜管的表面 划伤、裂纹、断裂、起皮；模具表面磨损、拉碎等情况，如果依赖于反复的试验、反复的修 改找原因，将会严重影响企业的生产效率和经济效益。采用计算机有限元数值模拟技术将为 解决这类问题提供理论依据。
1 有限元模型的建立
1.1 拉拔模具和铜管单元体的建立

游动芯头的拉拔过程由于芯头不固定，在变形区中通过芯头与管坯接触面间力平衡使之保持 平衡，游动芯头在变形区内的稳定性取决于芯头上作用力的轴向平衡。其受力分布情况，如 图1，由于拉拔工艺属于稳态变形，又是轴对称变形过程，故其数值模型可简化二维轴对称模型，单元体用四节点、四边形单元表示，铜管单元体可取长15mm,宽等于实际加工 的铜管的初始壁厚1.65mm，将其划分720个四边形、四节点单元，总节点数819。由于模具的 外形并不十分规整，在有限元软件中用自动划分面网格和体网格的工具将，外模划分为162 个四节点四边形单元，整体总节点数207，游动芯头划分为132个四节点四边形单元，总节点 数172。数值模型如图2。

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1.2 模拟分析参数的选择

变形体的材料为磷脱氧铜，牌号为TP2，其物理性能与力学性能如表1和表2。

弹性模量为1.172×1 011MPa,泊松比为0.33,密度为8.940g/cm³。

为能够得到准确的真实的应力—应变曲线，对直径为38mm，壁厚1.65mm铜管做了真实的应力 —应变曲线的实验，真实应力—应变曲线如图3。

σs 为204.46MPa，σb 为336.45MPa，拉伸速率为0.3mm/s。

模具的材料为硬质合金YG8，其物理性能与机械性能如表3。

2 模拟分析
2.1 模具与铜管表面接触部分受的法向力和摩擦力的分布

模具与铜管表面接触部分受的法向力如图4所示，模具铜管表面接触部分受的摩擦力如图5所 示，图中箭头长短表示力的大小，从图4和图5可看出，对于外模，其圆锥段和圆锥段与定径 段过渡圆角附近的法向力和摩擦力都达到最大值，外模在此处容易磨损，这与实际的外模磨 损情况相符，其磨损外模如图6所示。摩擦力比较均匀的分布定径段的接触面上。

对于游动芯头，接触面主要是定径带和过渡圆角附近锥面，法向力最大值在圆角区域及定径 段初始端，因此在此处游动芯头容易被压有环状凹坑，这与实际受损的游动芯头情况相符， 环沟芯头如图7。摩擦力最大值在定径段，所以定径段容易受磨损，是芯头破坏的主要区域 。其芯头定径段磨损如图8所示，从生产统计的数据看，芯头破坏比外模高一倍，即芯头平 均使用寿命只有外模的1/3，所以改善芯头定径带的受力是提高其耐磨能力的关键。

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2.2 温度分布对模具寿命的影响及分析验证

模具和铜管变形区和定径段的温度分布如图9所示，由图9可看出，在过渡圆角与定径带区域 模具的表面温度最高，这是由于铜管在拉拔过程中随着直径的减小，壁厚的增大，减小，铜 管变形逐渐增大，产生的塑性变形热量逐渐增多，外模和芯头定径带摩擦力都很大，铜管与 模具的摩擦越来越强烈，产生的摩擦热越来越多，因而温度变化快，在过渡圆角附近，铜管 的变形最为剧烈，摩擦产生的热量也最多，所以温度最高。模具、铜管本身的热传导性和与 环境和冷却剂的热交换，使得越向模具的外表面温度越低，由于铜导热性好，铜管的拉出部 分的温度很快降低。由于模具的导热性很差，因此芯头各处的温度分布是不同的，在定径带 附近温度最高，然后逐渐降低，由于温度 的影响从而芯头使各处的膨胀不一致；导致芯头的内应力增加。在内应力、摩擦力、拉拔力 的共同作用下，模具将发生局部崩裂，导致模具失效，降低了模具的使用寿命。在盘拉中速 度高达15m/s时，根据现场测量温度最高达320℃，再加上盘拉时铜管受的是拉伸应力与弯曲 应力的叠加，模具也会受到拉伸应力与弯曲应力的叠加。如果润滑条件不好，再加上模具受 的温度高而且分布不同，所以在内应力、摩擦力、拉拔力、弯曲应力的共同作用下，模具将 容易发生局部崩裂或拉裂，导致模具失效，降低了模具的使用寿命。拉裂的芯头如图10所示 。由于拉拔过程中在芯头定径带区域温度比较高，将会改变润滑剂的粘度，有可能使润滑油 膜变薄，使得润滑条件被恶化，严重时将使边界润滑油膜破裂向干摩擦转化，再加上摩擦力 、法向力、内应力和拉拔力的作用将会使芯头产生粘铜现象。其粘铜芯头如图11所示。

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3 结论

通过模拟得到了模具与铜管接触表面受的法向力和摩擦力的分布规律；根据此分布规律，外 模容易磨损的区域为圆锥段下端和过渡圆角区域；芯头易磨损区为过渡圆角区域和定径段； 得到了拉拔过程铜管及模具的温度分布规律，模具温度分布不均匀，芯头定径段的温度较高 ，芯头将发生粘铜或局部崩裂，导致芯头失效，降低了芯头的使用寿命。这符合实际的拉拔 过程中出现的情况。
［参考文献］
［1］ 张士宏，许沂.塑性加工技术的新进展［J］.锻压技术，2001,(3).
［2］ 孟凡中.弹塑性有限元变形理论和有限元法［M］.北京：清华大学出版社，198 5.
［3］ 温诗铸，黄平.摩擦学原理［M］.北京：清华大学出版社，2002.

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