冷挤压组合凹模失效分析及挤压过程数值模拟

论文摘要

冷挤压作为一种高精、高效、优质低耗的先进生产工艺技术,已被广泛应用于工业生产。冷挤压金属在三向压应力作用下变形,使得挤压模具承受的挤压力非常大,模具寿命短,因此研究挤压过程中凹模的应力变化对分析模具失效、提高模具寿命起到了重要作用。本文通过螺钉挤压成形实验,观察冷挤压组合凹模模具的失效现象;同时基于弹塑性有限元模拟技术,采用有限元软件DEFORM-2D对螺钉挤压过程进行模拟,改变凹模的挤压半锥角、长径比及挤压比,分析冷挤压组合凹模应力的分布及变化情况,对冷挤压组合凹模的疲劳破坏机理进行探讨,并建立了模具疲劳寿命估算模型,得出以下主要结论:（1）冷挤压组合凹模的失效主要是疲劳失效,疲劳裂纹主要出现在挤压锥角附近。在挤压锥角入口处和挤压锥角出口附近,裂纹主要沿与凹模内表面成45°方向产生并向模具外表面扩展,而在挤压锥角入口后方数毫米处,内表面裂纹主要沿90°方向产生并向模具外表面扩展。（2）由DEFORM-2D软件对组合凹模的挤压过程模拟的结果可知,在组合凹模的挤压过程中,凹模的切向受力由压应力逐渐变化成拉应力,切向拉应力和最大等效应力主要发生在挤压锥角入口到入口后方数毫米之间和挤压锥角出口前方数毫米处,与实验中裂纹出现的位置相一致。（3）凹模挤压半锥角、长径比及挤压比对模具应力产生影响,当挤压半锥角和模具长径比减小时,凹模挤压锥角处的最大等效应力增大;当挤压比减小时,挤压锥角处的最大等效应力减小。（4）将有限元模拟结果与局部应力-应变法相结合,建立模具疲劳寿命估算模型,为挤压凹模的优化设计提供新的方法和途径。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 冷挤压技术概况
• 1.1.1 冷挤压工艺的特点
• 1.1.2 冷挤压技术进展及发展方向
• 1.2 冷挤凹模的应力分析
• 1.2.1 整体式凹模的应力分布
• 1.2.2 预应力组合凹模应力分布
• 1.2.3 工作时的应力分布
• 1.3 冷挤压模具的失效与寿命估算
• 1.3.1 冷挤压模具的失效
• 1.3.2 模具疲劳破坏机理
• 1.3.3 模具失效分析的意义
• 1.3.4 模具寿命估算方法概述
• 1.4 冷挤压有限元仿真的现状
• 1.5 本课题研究的意义及主要内容
• 第2章 实验观察及分析
• 2.1 螺钉挤压成形
• 2.1.1 实验设备和模具结构
• 2.1.2 实验材料
• 2.2 模具破坏过程
• 2.3 裂纹扩展过程
• 2.4 模具失效机理探讨
• 2.5 本章小结
• 第3章 组合凹模挤压过程的数值模拟
• 3.1 有限元模拟介绍
• 3.1.1 DEFORM-2D 有限元软件介绍
• 3.1.2 弹塑性有限元法在金属塑性加工中的应用
• 3.2 螺钉冷挤压成形的数值模拟
• 3.2.1 有限元模型的建立
• 3.2.2 计算条件的设置
• 3.2.3 模具应力分析
• 3.3 不同形状凹模的应力分析
• 3.3.1 挤压半锥角θ对凹模应力的影响
• 3.3.2 模具长径比 L/R 的影响
• 3.3.3 模具挤压比η的影响
• 3.3.4 凹模形状对应力影响的分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 组合凹模疲劳寿命估算
• 4.1 寿命估算方法分析与选择
• 4.1.1 疲劳形成寿命预测方法比较
• 4.1.2 寿命估算方法选择
• 4.2 寿命估算
• 4.2.1 局部应力应变法
• 4.2.2 组合凹模寿命估算
• 4.2.3 结果分析
• 4.3 小结
• 第5章 结论和展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录（攻读硕士学位期间已公开发表的论文）