CN103530498A - 冷挤压模具磨损预测及减损方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷挤压模具磨损预测及减损方法，建立模具磨损预测模型（1），

将模具磨损预测模型（1）用成形模拟软件对相应的工艺进行挤压过程模拟，获得单工序模具磨损深度W，然后用成形零件所要求的精度值除以单工序模具的磨损深度W即可获得该模具的寿命值，实现模具磨损预测；进而根据模具的寿命值对工艺参数进行调整，起到减小模具墨磨损的目的。本发明对archard模型进行了修正，建立了适用于冷挤压的模具磨损预测模型，采用该模具磨损预测模型实现对模具磨损的预测和有效减损，对挤压成形工艺和模具的设计具有指导作用，有利于提高模具寿命。

Description

冷挤压模具磨损预测及减损方法

技术领域

本发明涉及一种磨损预测、减损领域，特别是一种冷挤压模具磨损预测及减损方法。

背景技术

由力学分析原理可知，挤压过程中的金属坯料是处于三向不均匀的压应力状态下，产生塑性变形并被迫向预定方向流动。坯料的激烈流动和模具接触表面产生巨大的单位压力，造成磨损失效。因此，挤压模具的寿命较其它成形工艺(如锻造，冲压)要短得多。如何减少磨损、提高模具寿命，是挤压模具设计制造需要解决的关键性问题之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种冷挤压模具磨损预测及减损方法，它通过模拟挤压过程来预测模具的使用寿命，通过预测结果反推适合的工艺参数，来达到减损的目的。

本发明的是这样实现的：冷挤压模具磨损预测及减损方法，建立模具磨损预测模型(1)，

$W={\∫}_0^{t}K\frac{{\mathrm{\σ}}_{b}c({\mathrm{\ϵ}}_f+e^{\frac{2\mathrm{\μh}}{s}})v}{H}\mathrm{dt}---\left(1\right)$

式中， W表示磨损深度，K表示磨损系数， σ_b表示材料的强度极限，c表示材料硬化系数，ε_f表示变形程度，μ表示摩擦系数，h表示凹模工作长度，s表示挤压件壁厚，v表示挤压速度，H表示模具硬度，t表示时间；将模具磨损预测模型(1)用成形模拟软件对相应的工艺进行挤压过程摸拟，获得单工序模具磨损深度W，然后用成形零件所要球的精度值除以单工序模具的磨损深度W即可获得该模具的寿命值，实现模具磨损预测；进而根据模具的寿命值对工艺参数进行调整，起到减小模具墨磨损的目的。

所述的模具磨损预测模型(1)中的可变工艺参是指变形程度ε_f和挤压速度V。

在对模具磨损预测模型(1)中的可变工艺参数进行调整的同时，调整冷挤出材料流出口的圆角半径及凸模的圆角半径，使它们的值均为3-4mm。发明人经过模拟研究后发现，冷挤出材料流出口的圆角半径及凸模半径的增大与减小会直接影响到应力集中程度，而且挤压速度在这一部分是呈急剧上升趋势的。因此，合理的上述两处半径也是减小磨损的一个因素，而对于半径的选择，申请人在经过本发明的模拟预测后，发现半径的最适合的值为3-4mm。

本发明的模具磨损预测模型的建立推导过程如下：

假设两峰元呈一对：半径相同的半球形且上峰元材料较软，其硬度为H，该对峰元所受法向载荷为δN、则

$\mathrm{\δV}=\frac{2}{3}{\mathrm{\πa}}^3=\frac{1}{3}\mathrm{\δA}.\mathrm{\δL}=\frac{1}{3}\frac{\mathrm{\δN}}{H}\mathrm{\δL};$

式中，δA为该对峰元塑性变形后的接触面积，a为该接触面积的半径。

设该对峰元一次滑动摩攘持续的行程δL＝2a，并产生一个磨损体积为δV的颗粒。可以认为此磨损颗粒的尺寸与接触峰元的尺寸成正比。物理实验显示，蘑损颗粒的形壮是等轴的，即在3个坐标上的长度尺寸时常是粗略相等的。因而对于半球形峰元来说： $V=\mathrm{\Σ\δV}=\frac{1}{3}{K}_1\frac{N\·L}{H}.$ 对于整个接触平面来说可得

为简便起见，

式中K为磨损系数，它代表一对峰元相互摩擦产生一个峰元磨粒的概率：对于接触面任意位置而言

$\mathrm{dV}=K\frac{\mathrm{dN}\·\mathrm{dL}}{H}---\left(2\right)$

式中，dV表示磨损体积，K表示磨损系数，dN表示正向挤压力，dL表示滑动行程，H表示模具材料硬度

由式(2)可得以下3条磨损定律：①磨损量与摩擦行程成正比；②磨损量与法向载荷成正比；③磨损量与较软材料的表面硬度成反比。

设挤压接触点处磨损深度为dW，滑动速度为v，则dV,dN，dL表示为

dV＝dW·dA      (3)

dN＝σ_n·dA      (4)

dL＝v·dt        (5)

联立(2)～(3)可得

$\mathrm{dW}=K\frac{{\mathrm{\σ}}_n\·v\·\mathrm{dt}}{H}---\left(6\right)$

在冷挤压过程中，σ_n可以由公式（7)进行计算

${\mathrm{\σ}}_n={\mathrm{\σ}}_{b}c({\mathrm{\ϵ}}_f+e^{\frac{2\mathrm{\μh}}{s}})---\left(7\right)$

式中，σ_n表示单位挤压力，σ_o表示材料的强度极限，C表示材料硬化系数，ε_f表示变形程度，μ表示摩擦系数，h表示凹模工作长度，s表示挤压件壁厚

联立式(6)、(7)并积分可得式(1)：

$W={\∫}_0^{t}K\frac{{\mathrm{\σ}}_{b}c({\mathrm{\ϵ}}_f+e^{\frac{2\mathrm{\μh}}{s}})v}{H}\mathrm{dt}---\left(1\right)$

以式(1)为基础，运用成形模拟软件对相应的工艺进行挤压过程模拟可以获得单工序模具磨损的深度值，然后用成形零件所要求的精度值除以单工序模具磨损的深度值即可获得该模具的寿命值。

由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明对archard模型进行了修正，建立了适用于冷挤压的模具磨损预测模型，采用该模具磨损预测模型实现对模具磨损的预测和有效减损，对挤压成形工艺和模具的设计具有指导作用，有利于提高模具寿命。本发明的方法简单易行，使用效果好。

附图说明

附图1为实施例的流程图；

附图2为实施例建立的三维模型图；

附图3为实施例1的预测模拟结果图；

附图4为实施例1的预测模拟结果图；

附图5为实施例1的预测模拟结果图。

具体实施方式

本发明的实施例1：冷挤压模具磨损预测及减损方法，结合图1所示的流程对典型的正向冷挤压模具磨损预测和减损，采用模具磨损预测模型(1)

$W={\∫}_0^{t}K\frac{{\mathrm{\σ}}_{b}c({\mathrm{\ϵ}}_f+e^{\frac{2\mathrm{\μh}}{s}})v}{H}\mathrm{dt}---\left(1\right)$

将其载入模拟软件deform中进行预测模拟，采用SlidWorks建立的三维模型如图2，输入的其它模拟参数如表1所示(表1的数据设定只是模拟基本参数属于模拟预处理节段，模具磨损预测模型(1)是在模拟算法中导入并输出结果属于模拟计算和后处理，模拟参数表是不用涉及到模具磨损预测模型(1)的)；材料选用材料是十号钢，磨损系数K为0.000001，变形程度ε_f为44％，摩擦系数μ为0.1，凹模工作长度20mm，挤压件壁厚s为2mm，挤压速度v每时每刻都在变化的，模具硬度H为60HRC，时间t是一个变量，挤压过程的时间变量，冷挤出材料流出口的圆角半径及凸模的圆角半径均为2mm；输入上述参数后，得到的预测模拟结果如图3所示，根据图3得知，磨损深度W的最大值为0.000585mm。

本发明的实施例2：冷挤压模具磨损预测及减损方法，结合图1所示的流程对典型的正向冷挤压模具磨损预测和减损，采用模具磨损预测模型(1)

$W={\∫}_0^{t}K\frac{{\mathrm{\σ}}_{b}c({\mathrm{\ϵ}}_f+e^{\frac{2\mathrm{\μh}}{s}})v}{H}\mathrm{dt}$

(1)

将其载入模拟软件deform中进行预测模拟，采用SlidWorks建立的三维模型如图，输入的其它模拟参数如表1所示；材料选用材料是十号钢，磨损系数K为0.000001，变形程度ε_f为44％，摩擦系数μ为0.1，凹模工作长度h为20mm，挤压件壁厚s为2mm， 挤压速度v每时每刻都在变化的，模具硬度H为60HRC,时间t为是一个变量，挤压过程的时间变量，冷挤出材料流出口的圆角半径及凸模的圆角半径均为4mm；输入上述参数后，得到的预测模拟结果如图4所示，根据图4得知，磨损深度W的最大值为0.0000648mm。

本发明的实施例3：冷挤压模具磨损预测及减损方法，结合图1所示的流程对典型的正向冷挤压模具磨损预测和减损，采用模具磨损预测模型(1)

$W={\∫}_0^{t}K\frac{{\mathrm{\σ}}_{b}c({\mathrm{\ϵ}}_f+e^{\frac{2\mathrm{\μh}}{s}})v}{H}\mathrm{dt}$

(1)

将其载入模拟软件deform中进行预测模拟，采用SlidWorks建立的三维模型如图2， 输入的其它模拟参数如表1所示；材料选用材料是十号钢，磨损系数K为0.000001，变形程度ε_f为75％，摩擦系数μ为0.1，凹模工作长度h为20mn，挤压件壁厚s为2mm，挤压速度v每时每刻都在变化的，模具硬度H为60HRC，时间t为是一个变量，挤压过程的时间变量，冷挤出材料流出口的圆角半径及凸模的圆角半径均为4mm；输入上述参数后，得到的预测模拟结果如图5所示，根据图5得知，磨损深度W的最大值为值为0.000298mm。

以上实施例通过模拟得到了不同圆角半径和变形程度下模具磨损深度值，采用实施例1的圆角半径为2mm、变形程度为44％时，其值为0.000585mm，假设该工件要求表面精度为1mm那么模具寿命用表面精度除以磨损值约等于1709件。

采用实施例2的圆角半径为4mm、变形程度为44％时，磨损较小，其值为0.0000648mm，假设该工件要求表面精度为1mm那么模具寿命用表面精度除以磨损值约等于15000件。

采用实施例3的圆角半径为4mm、变形程度为75％时，磨损较小，其值为0.000298mm，假设该工件要求表面精度为1mm那么模具寿命用表面精度除以磨损值约等于3355件。

也就是说适当的圆角半径、降低变形程度是减少磨损的有效措施。

冷挤压工艺参数中，变形程度ε_f，坯料与模具接触面上的挤压速度V直接影响到模具磨损程度，在挤压工艺设计时，应控制单工序的坯料变形程度ε_f;挤压速度的大小可通过选择合适的变形速率来确定，以此减少模具磨损。

表1模拟参数

Claims (3)

1.一种冷挤压模具磨损预测及减损方法，其特征在于：建立模具磨损预测模型(1)，

$W={\∫}_0^{t}K\frac{{\mathrm{\σ}}_{b}c({\mathrm{\ϵ}}_f+e^{\frac{2\mathrm{\μh}}{s}})v}{H}\mathrm{dt}---\left(1\right)$

式中，W表示磨损深度，K表示磨损系数，σ_b表示材料的强度极限，c表示材料硬化系数，ε_f表示变形程度，μ表示摩擦系数，h表示凹模工作长度，s表示挤压件壁厚，v表示挤压速度，H表示模具硬度， t表示时间；将模具磨损预测模型(1)用成形模拟软件对相应的工艺进行挤压过程模拟，获得单工序模具磨损深度W，然后用成形零件所要求的精度值除以单工序模具的磨损深度W即可获得该模具的寿命值，实现模具磨损预测；进而根据摸具的寿命值对模具磨损预测模型(1)中的可变工艺参数进行调整，起到减小模具墨磨损的目的。

2.根据权利要求1所述的冷挤压模具磨损预测及减损方法，其特征在于：所述的模具磨损预测模型(1)中的可变工艺参是指变形程度ε_f和挤压速度V。

3.根据权利要求1所述的冷挤压模具磨损预测及减损方法，其特征在于：在对模具磨损预测模型(1)中的可变工艺参数进行调整的同时，调整冷挤出材料流出口的圆角半径及凸模的圆角半径，使它们的值均为3-4mm。

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