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鋼筋連接套筒冷鐓過程有限元分析
發布時間:2020/1/12 11:10:27 作者:山東聊城金峰金屬制品有限公司

鋼筋連接套筒是將一根鋼筋的力傳送到另外一根鋼筋,在建筑業中具有舉足輕重的地位,所以鋼筋連接套筒的質量很關鍵,必須保證套筒的力學性能。擬定的鋼筋連接套筒加工工藝為冷鐓→車削→鉆孔→攻螺紋→倒圓角,為了獲得良好的力學性能,一道的加工工序設為冷鐓,而本文也是對該冷鐓工序的研究。冷鐓鍛將工件鐓粗,提高其力學性能。鐓粗變形是使毛坯高度減小而橫截面積增大的變形方式,鐓粗是模鍛的基本變形方式之一,在許多模鍛工藝方法中都不同程度地存在鐓粗變形的成份。

  傳統的模具設計方法通常依賴于設計人員的經驗和反復的試模、修模,具有耗材多、返工率大、浪費時間的特點。近年來隨著CAE技術的應用,使許多過去受條件限制無法分析的復雜問題得到了解答,也使大量復雜的工程分析問題簡單化和層次化,節約了時間,提高了分析的準確性。本文就是采用DEFORM這款專門分析金屬塑性成形的有限元軟件。

  1 鐓粗變形特點分析

  1)鐓粗變形示意

  如圖1所示為鐓粗變形的示意圖,直徑為D0,高度為H0的棒料,在沖頭與凹模間被軸向壓縮為高度為H、直徑為D的工件。該工藝要求一次鐓粗的高徑比(H0/D0)不能大于2~ 2.5,這也是鐓粗工序的成形極限。其中鐓粗率也是鐓粗變形的一個重要的參數,鐓粗率指的是鐓鍛前后的高度變化ΔH和原始高度的比值,記為:

其中vm為變形后鼓形部分的體積,本文研究鋼筋連接套筒的直徑為60 mm,高為92 mm,考慮到精度的要求,套筒在冷鍛后需要車削,所以冷鐓成形后的套筒的直徑是大于60 mm,高是大于92 mm的,綜合以上的公式和條件以及高徑比可以確定棒料的尺寸。本文選用以下幾種類型的棒料,如表1所示。

 2)冷鐓力的分析

  冷鐓力指的是在冷鍛機上進行冷鍛所需要的壓力,冷鐓力是冷鐓變形所需要的作用力,冷鐓時必須具有足夠大的冷鐓力,本文選用3種型號的棒料與原先的棒料做對比,通過DEFORM的分析可以確定需要 小冷鐓力的棒料的型號,一方面降低了冷鐓機的功率,節約了能量;另一方面降低了冷鐓工具在工件成形的過程中所受到的變形抗力,提高冷鐓工具的壽命。

  2 塑性成形缺陷預防

  在金屬的塑性成形過程中,通常會伴隨著充不滿和折疊現象,本文在冷鐓成形后的直徑是大于60 mm,高是大于92 mm的,這樣可以在很大的程度上降低充不滿和折疊的現象帶來的負面影響,冷鐓后切削也可以提高零件的精度。

  排氣問題也是金屬塑性成形過程中的一個缺陷問題,如圖2所示。在DEFORM-3D有限元的處理結果來看,圖中的空隙是可以被填滿的,在后處理中是無法發現排氣缺陷的,但是從金屬的塑性成形過程的角度出發,圖中的空隙處的空氣是無法排出的,在實踐中也確實證明了這點。本文通過在冷鐓工具上打孔來解決這個問題。

3 DEFORM-3D冷鐓工具及坯料有限元模型的建立

  3.1 冷鐓工具與棒料建模

  DEFORM-3D軟件不能直接建模,需要通過其他的軟件建模然后導入進去。本文根據設計得出的結果,用Pro/E軟件對冷鐓工具和棒料進行三維實體建模,將實體圖形輸出為STL格式,導入到DEFORM-3D軟件中,幾何模型如圖3所示。

  3.2 網格的劃分

  DEFORM-3D采用的是自動四面體網格劃分技術,網格的總數量控制在3 萬左右。

  3.3 材料的選擇

DEFORM-3D軟件提供了200多種專用材料數據庫,用戶可以根據自己的需要來選擇材料,也可以根據實際的要求,輸入材料的性能數據。套筒的材料選用AISI-1045材料[7],相當于45鋼,查表得材料的許用鐓粗率為40% ~45%。

  3.4 摩擦邊界條件

  選擇剪切摩擦方式,設定上模與棒料的摩擦因數為0.12,下模與棒料的摩擦因數為0.12。

  3.5 對象間的關系

  冷鐓工具的上模速度為40 mm/s,下模固定,上模具下壓到93 mm,棒料的壓入量按照表1的順序分別為26 mm、19 mm、21 mm、12 mm。在鍛造的模擬過程中,選擇每兩步保存一次。

  4 分析結果與討論

  本文主要從經過DEFORM-3D處理后的外觀、應力、受損壞的情況,來比較這4種型號的棒料在塑性成形過程中的特點,其中圖中的標號按照順序依次對應表1的型號。原先選擇的是(a)號棒料。

  4.1 外觀的分析

  經過DEFORM的處理,得到棒料成形后的外觀如圖4所示。在棒料塑性成形的過程中,可以看出(b)圖工件中部沒有明顯的鼓形部分,說明材料沒有完全填滿冷鐓工具,不滿足要求。

  4.2 應力的分析

  4種型號的棒料的應力情況如圖5所示,從圖中可以看出應力主要集中兩端和中部的鼓形部分,冷鐓的 大應力分別為907 MPa、872 MPa、905 MPa、880 MPa。

4.3 損傷的分析

  4種型號棒料的損傷因子如圖6所示,(a)的損傷因子為0.411,(b)的損傷因子為 0.873,(c)的損傷因子為0.477,(d)的損傷因子為0.351。通過比較發現(d)的損傷因子 小。

  通過在外觀、應力和損傷方面的比較,本文得出以下的結論,如表2所示。

從表2的結果分析中可以看出,由于(b)是沒有鼓形部分的,所以被排除,(a)和(c)在冷鐓時 大應力大于(d),而且(a)和(c)的損傷因子也比(d)的大,(d)比(a)在材料上節約了2%左右,在 大應力上減小了3%左右。我們選擇(d)號類型作為60 mm直徑,92 mm高度的鋼筋連接套筒冷鐓的棒料。

  5 結論

根據在DEFORM-3D中有限元模型的建立,冷鐓后的工件外觀、應力和損傷的分析情況,對4種型號的棒料進行對比,得出選用(d)號棒料較其他3種棒料的合理性,在 大應力和損傷因子上都有下降,降低了冷鐓工具受到的變形抗力,提高了使用壽命。對鋼筋連接套筒的優化選擇也可以為其他零件冷鐓時的棒料選擇提高設計依據。

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