冷挤压塑性流体动力润滑分析pdf

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　　基金项目:国家自然科学基金资助项目50575097),安徽省自然科学基金资助项目03044105),江苏大学高级人才基金项收稿日期:2005-03-14作者简介:博士,教授,博导,主要从事塑性加工摩擦学及模具技术研究1E-mai:冷挤压塑性流体动力润滑分析11江苏大学材料科学与工程学院江苏镇江212013;21合肥工业大学材料科学与工程学院安徽合肥230009)摘要:应用流体动力润滑理论和塑性成形原理,分析了冷挤压润滑过程,在挤压的起始和终止阶段为非稳态流体动力润滑,而中间阶段可近似为稳态流体动力润滑。考虑冷挤压在高压及大剪切应变率工况下润滑剂的非牛顿特性,运用Ostwald非牛顿体模型,分别建立了冷挤压非稳态和稳态的塑性流体动力润滑PHD)模型。采用MonteCarlo法得到了冷挤压润滑过程的油膜厚度、油膜压力以及摩擦力的分布规律。关键词:冷挤压;非牛顿模型;塑性流体动力润滑中图分类号:TG301文献标识码:文章编号hanismstudied,whichsteadyplastohydro-dynamiclubrication.non-Newtonianfeaturelubricantunderhighpressurelargeshearingstrainratioduringcoldextrusion,mathematicsmodelssteadyplastohydrodynamiclubrica-coldextrusionwereestablishedrespectivelyOstwaldnon-Newtonianmode.ldistributionlubricantfilmthicknessstressduringcoldextrusionMonteCarlomethod.Keywords:coldextrusion;non-Newtonianmode;lplastohydrodynamiclubrication冷挤压是一种高效、优质、低消耗的无切削加工工艺,广泛应用于机械、轻工、宇航等部门。冷挤压工作条件恶劣,模具与工件间剧烈摩擦,严重影响产品质量和模具寿命,因此润滑是挤压成败的关键,。但挤压过程的润滑分析不同于机械传动的润滑分析,挤压塑性变形常常在高压及大剪切应变率下,润滑剂具有非牛顿特性。此挤压比轧制、拉拔等润滑过程复杂,它是一个非稳态过程。Thosnpson和Symmons对冷挤压起始阶段流体动力润滑进行了分析他们的分析限定在坯料和挤压模模体之间被封闭的润滑膜的计算。Wilson和Mahdavian分析了静液挤压的稳定润滑过程。但他们都没有考虑到在高压及大剪切应变率的冷挤压工况下润滑剂的非牛顿特性,这与实际生产情况不符,结果不精确。因而需要对他们的理论分析进行修正。本文作者考虑冷挤压工况下润滑剂的非牛顿特对冷挤压成形的润滑过程进行了分析;建立了冷挤压的塑性流体动力润滑模型;蓖麻油作润滑剂为例,采用MonteCarlo法计算了冷挤压过程的润滑油膜厚度、油膜压力以及摩擦力的分布。稳定润滑机理冷挤压开始时,坯料在冲头和挤压筒之间镦粗,被密封在坯料和挤压筒之间的润滑剂开始产生压力梯度。坯料进入锥形凹模可以分为4个连续阶段,金属坯料以一定的2006年174期)润滑与密封LUBRICATIONENGINEERINGFeb12006No12serialNo1174)速度进入锥形凹模时,粘附在坯料表面的润滑剂随之同步运动,中间润滑剂作层流运动,润滑剂被带入锥形型腔。由于凹模与坯料间存在着较大的速度差,在凹模与坯料界面形成流体动力润滑,产生了压力梯度。在这个阶段存在着3个区域:入口区;滑工作区;无润滑工作区,如图1所示。在入口由于流体动力效应产生的压力梯度,使工作区边缘处坯料所受到的压力达到其屈服极限,坯料发生塑性变形,进入工作区。在有润滑工作区,形成流体动力润滑膜,完全隔开了坯料和模具,减少了模具和坯料间的摩擦力。而在无润滑工作区坯料和模具仍处于干摩擦状态。由于润滑剂粘附在坯料表面,被坯料所携带,沿着坯料运动方向向前输送,因而随着挤压过程的进行,无润滑工作区逐渐变小,如图在最后阶段无润滑工作区消失,进入稳定流体动力润滑状态,此时也存在3个区域:入口区;出口区,如图2所示PHD)模型冷挤压润滑过程很复杂,在建立润滑模型时,了便于数学处理,需根据实际情况作适当的假设:坯料服从Tresca屈服准则和相应的流动规油膜很薄,不影响工件尺寸和接触区大小。冷挤压成形在高压、大剪切应变率工况下,挤压工艺中使用的润滑剂表现出较强烈的非牛顿性,要特征为伪塑性或热伪塑性。一般采用Ostwaldn为润滑剂非牛顿特性参数,S为油膜剪切应为润滑剂大气压下的粘度,A为压粘系数,为油膜压力。根据油膜内单元力的平衡方程及润滑剂流量守恒可得非牛顿体流体的雷诺方程为dpdx为塑性变形开始处油膜厚度。211入口区(xE在入口区雷诺方程为:dpdx为坯料材料的屈服应力,s为单位面积挤压212有润滑工作区dpdxdpdxdvdz213无润滑工作区2fcotH为摩擦因数。在上述模型中随时间而变化。由润滑剂体积守恒得:2PxtQcotH=x1x22PxhcotHdx11)可得:12)同样由工件体积守恒得:13)由于坯料前端比润滑剂前沿要先到达模具出口,因此当坯料前端到达模具出口而润滑剂前沿仍未到达模具出口时,无润滑工作区消失,冷挤压进入稳定润滑状态。对稳定润滑状态进行分析时,入口区和工作区的分析同非稳定润滑状态入口区和有润滑工作区的分析采用同一方法,只是出口区采用不同的解析方法。出口区该区域雷诺方程为:dpdx14)252006年第为出口区工件直径。工作区结束点处油膜厚度为:15)该区域油膜厚度为:16)在工作区与出口区交界处同时满足工作区和出口区的雷诺方程,由此可得:塑性流体动力润滑模型的求解及实例上述建立的模型,理论上可以求出油膜压力、膜厚及摩擦力, 但解析解非常困难, 一般采用数值分析 方法求解。本文采用蒙特卡洛法求解, 求解思路如 13)计算 10)计算 10)计算的结果应该一 的结果后,利用式 10),分别计算各处的压力, 利用式 计算各处的膜厚,利用式 计算油膜的剪应力即摩擦力。 非稳定润滑过程润滑油膜厚度和压力分布根据本文建立的润滑模型, 件材料,以蓖麻油作润滑剂进行冷挤压分析, 计算了 冷挤压成形过程中润滑剂油膜厚度及压力的分布。其 中挤压工艺参数和润滑剂特性参数如下: 坯料直径 20mm, 挤压件直径D 14mm, 凹模与坯料间 01008mm, 挤压速度 011mm 模具锥角2H= 90b, 润滑剂粘度为 399101 mPa# 压粘系数为216 挤压温度为30 3为非稳态润滑过程各个时间段,入口区油膜 压力和有润滑工作区油膜压力及油膜厚度的分布。从