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钢筋连接套筒冷镦过程有限元分析

文章来源:钢筋直螺纹套筒   作者:钢筋套筒    发布时间:2019-07-04 16:27   浏览次数:

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  钢筋连接套筒是将一根钢筋的力传送到另外一根钢筋,在建筑业中具有举足轻重的地位,所以钢筋连接套筒的质量很关键,必须保证套筒的力学性能。拟定的钢筋连接套筒加工工艺为冷镦→车削→钻孔→攻螺纹→倒圆角,为了获得良好的力学性能,一道的加工工序设为冷镦,而本文也是对该冷镦工序的研究。冷镦锻将工件镦粗,提高其力学性能。镦粗变形是使毛坯高度减小而横截面积增大的变形方式,镦粗是模锻的基本变形方式之一,在许多模锻工艺方法中都不同程度地存在镦粗变形的成份。

  传统的模具设计方法通常依赖于设计人员的经验和反复的试模、修模,具有耗材多、返工率大、浪费时间的特点。近年来随着CAE技术的应用,使许多过去受条件限制无法分析的复杂问题得到了解答,也使大量复杂的工程分析问题简单化和层次化,节约了时间,提高了分析的准确性。本文就是采用DEFORM这款专门分析金属塑性成形的有限元软件。

今日特马结果  1 镦粗变形特点分析

  1)镦粗变形示意

  如图1所示为镦粗变形的示意图,直径为D0,高度为H0的棒料,在冲头与凹模间被轴向压缩为高度为H、直径为D的工件。该工艺要求一次镦粗的高径比(H0/D0)不能大于2~ 2.5,这也是镦粗工序的成形极限。其中镦粗率也是镦粗变形的一个重要的参数,镦粗率指的是镦锻前后的高度变化ΔH和原始高度的比值,记为:

  


  


  冷镦前后的体积不变,棒料选择圆柱状,则可以得出:

  


  其中vm为变形后鼓形部分的体积,本文研究钢筋连接套筒的直径为60 mm,高为92 mm,考虑到精度的要求,套筒在冷锻后需要车削,所以冷镦成形后的套筒的直径是大于60 mm,高是大于92 mm的,综合以上的公式和条件以及高径比可以确定棒料的尺寸。本文选用以下几种类型的棒料,如表1所示。

  表1 棒料的类型

  


  2)冷镦力的分析

  冷镦力指的是在冷锻机上进行冷锻所需要的压力,冷镦力是冷镦变形所需要的作用力,冷镦时必须具有足够大的冷镦力,本文选用3种型号的棒料与原先的棒料做对比,通过DEFORM的分析可以确定需要 小冷镦力的棒料的型号,一方面降低了冷镦机的功率,节约了能量;另一方面降低了冷镦工具在工件成形的过程中所受到的变形抗力,提高冷镦工具的寿命。

  2 塑性成形缺陷预防

  在金属的塑性成形过程中,通常会伴随着充不满和折叠现象,本文在冷镦成形后的直径是大于60 mm,高是大于92 mm的,这样可以在很大的程度上降低充不满和折叠的现象带来的负面影响,冷镦后切削也可以提高零件的精度。

  排气问题也是金属塑性成形过程中的一个缺陷问题,如图2所示。在DEFORM-3D有限元的处理结果来看,图中的空隙是可以被填满的,在后处理中是无法发现排气缺陷的,但是从金属的塑性成形过程的角度出发,图中的空隙处的空气是无法排出的,在实践中也确实证明了这点。本文通过在冷镦工具上打孔来解决这个问题。

  


今日特马结果  3 DEFORM-3D冷镦工具及坯料有限元模型的建立

  3.1 冷镦工具与棒料建模

  DEFORM-3D软件不能直接建模,需要通过其他的软件建模然后导入进去。本文根据设计得出的结果,用Pro/E软件对冷镦工具和棒料进行三维实体建模,将实体图形输出为STL格式,导入到DEFORM-3D软件中,几何模型如图3所示。

  3.2 网格的划分

  DEFORM-3D采用的是自动四面体网格划分技术,网格的总数量控制在3 万左右。

  3.3 材料的选择

  


  DEFORM-3D软件提供了200多种专用材料数据库,用户可以根据自己的需要来选择材料,也可以根据实际的要求,输入材料的性能数据。套筒的材料选用AISI-1045材料[7],相当于45钢,查表得材料的许用镦粗率为40% ~45%。

  3.4 摩擦边界条件

  选择剪切摩擦方式,设定上模与棒料的摩擦因数为0.12,下模与棒料的摩擦因数为0.12。

  3。5 对象间的关系

  冷镦工具的上模速度为40 mm/s,下模固定,上模具下压到93 mm,棒料的压入量按照表1的顺序分别为26 mm、19 mm、21 mm、12 mm。在锻造的模拟过程中,选择每两步保存一次。

  4 分析结果与讨论

  本文主要从经过DEFORM-3D处理后的外观、应力、受损坏的情况,来比较这4种型号的棒料在塑性成形过程中的特点,其中图中的标号按照顺序依次对应表1的型号。原先选择的是(a)号棒料。

  4。1 外观的分析

  经过DEFORM的处理,得到棒料成形后的外观如图4所示。在棒料塑性成形的过程中,可以看出(b)图工件中部没有明显的鼓形部分,说明材料没有完全填满冷镦工具,不满足要求。

  4.2 应力的分析

  4种型号的棒料的应力情况如图5所示,从图中可以看出应力主要集中两端和中部的鼓形部分,冷镦的 大应力分别为907 MPa、872 MPa、905 MPa、880 MPa。

  


  


  4.3 损伤的分析

  4种型号棒料的损伤因子如图6所示,(a)的损伤因子为0。411,(b)的损伤因子为 0。873,(c)的损伤因子为0。477,(d)的损伤因子为0。351。通过比较发现(d)的损伤因子 小。

  通过在外观、应力和损伤方面的比较,本文得出以下的结论,如表2所示。

  表2 试验结果分析

  


今日特马结果  从表2的结果分析中可以看出,由于(b)是没有鼓形部分的,所以被排除,(a)和(c)在冷镦时 大应力大于(d),而且(a)和(c)的损伤因子也比(d)的大,(d)比(a)在材料上节约了2%左右,在 大应力上减小了3%左右。我们选择(d)号类型作为60 mm直径,92 mm高度的钢筋连接套筒冷镦的棒料。

  5 结论

  


  根据在DEFORM-3D中有限元模型的建立,冷镦后的工件外观、应力和损伤的分析情况,对4种型号的棒料进行对比,得出选用(d)号棒料较其他3种棒料的合理性,在 大应力和损伤因子上都有下降,降低了冷镦工具受到的变形抗力,提高了使用寿命。对钢筋连接套筒的优化选择也可以为其他零件冷镦时的棒料选择提高设计依据。

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