空调机用黄铜三通阀的温挤压成形数值模拟

第 220卷10
第 年3
2期 月
精 密 成 形 工 程
J OU RNAL O F N ETSHA PE FORMIN G EN GIN EERIN G 51
空调机用黄铜三通阀的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ挤压成形数值模拟
陶文琉1 ,2 , 赵升吨1 , 张琦1
(1. 西安交通大学机械工程学院 , 西安 710049 ; 2. 黎贵敦理工大学 , 越南 河内)
挤出孔及填充法兰 ,原因是该区域金属的阻力比其 他的小 。法兰充填满后 ,金属开始流到支管 。这样 应该考虑到两个冲头与模具的相对位置及其速度 。 如果配合不合适时 ,在初始阶段法兰被填得较厚时 , 在其次阶段金属从法兰流到支管 ,金属流的路径较 远 ,阻力增大 ,容易导致挤压力过大 ,支管填不满 ,法
图 2 三通阀体的温挤压成形工艺方案 Fig. 2 Drawing of t he t riple valve forming by t he warm ex2
t rusion met hod
可以看出 ,采用温挤压可以将阀体顶部的大孔直接 挤压成形 ,并且没有飞边 ,经过计算采用新的温挤压 工艺方案后 ,工件的质量约为 81. 8 g ,比热锻的减轻 16. 9 g (17. 08 %) ,后续机加工也减少了切边 、打孔 等工序 ,提高了产品的质量 。除了节省原材料以外 , 采用温挤方法还可节省能源 ,提高生产率 ,降低产品 成本 。
长 ,变形区转到坯料的中部 ,如图 6c , d 所示 。在中 段时 ,金属已填好法兰以及挤出孔 ,开始流到支管 。 图 8 表明 ,在最终阶段 ,温度分布不均匀 ,其在法兰 区及孔区温度较低 (280 ～ 290 ℃) ,在支管区较高 (350～360 ℃) ,坯料两端的阻力比其他大 。这样 , 如果初始阶段在法兰区域金属填得较厚 ,其后阶段 金属就很难流到支管 ,导致填不满或力过大的缺陷 。
收稿日期 : 2009212230 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (50975222) 作者简介 : 陶文琉 (1977 - ) ,男 ,越南安兴省人 ,博士研究生 ,主要研究方向为塑性成形工艺及设备 。
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精 密 成 形 工 程
2010 年 3 月
采用通用挤压设备 ,降低生产成本 。温挤压与热挤 压相比 ,可以提高工件的尺寸精度和力学性能 ,减少 辅助工序 ,提高生产效率 。温挤压适用于对常温成 形时变形抗力高 ,塑性差 ,加工硬化激烈且又很难成 形的高强度金属及耐蚀耐热钢 、不锈钢等 ,以及形状 复杂的非轴对称异形零件的成形[1 ,3 ] 。
3 所示 。C3771 铜合金坯料的直径为 15 mm ,长度 为 56 mm 。因为零件具有一个对称面 ,所以为减少
求解时间 ,只需模拟一半 。
空调三通阀的材料为 C3771 黄铜 , 该材料的化
学成分和物理特性见表 1 和表 2 ,材料在不同温度 和应变速率下的应力2应变曲线如图 4 所示 。
表 1 黄铜 C3771 的化学成分 (质量分数 , %) [5] Table 1 Chemical compo sitio n of C3771 brass
Abst ract : Air2co nditioner’s brass t riple valve has complex geomet ry and high demand of mechanical p roperties , is p ro2 duced in large quantities. As a classical technology , hot forging has some disadvantages : low coefficient of material usage , co n2 siderable amo unt of po st machining and low p roduction efficiency. This paper rep resent s a new technology , warm ext rusio n met hod to replace t he classical hot forging technologies. An FEM model of warm ext rusion p rocess has been established by u2 sing nonlinear finite element analysis D EFORM23DTM software , mechanism of plastic defo rmation and t he influences of technol2 ogy parameters o n t he quality of t riple valve are investigated. And t hen , t he reasonable forming parameters fo r t his warm ex2 t rusion p rocess to fo rm Triple Valve are obtained.
料需要高的耐热性 ,尺寸精度差等 。介于冷挤压和 热挤压之间的温挤压是近年来在冷挤压基础上发展 起来的新工艺 。温挤压是将工件加热到金属再结晶 温度以下某个适当的温度进行挤压成形 。与冷挤压 相比 ,温挤压时金属变形抗力减少 ,成形较容易 ,可 以采用大的变形量 ,这样就可以减少工序数目 ,延长 模具寿命 ,而且不需要刚性极高的高价挤压设备而
泊松 系数 0. 31
热膨胀系 数/ K- 1 2. 08e - 5
热传导系数/ (W ·m- 1 ·K- 1)
122. 613
数值模拟所用基本参数如下 。
图 4 C3771 黄铜材料的应力2应变2温度曲线 Fig. 4 St ress2st rain2temperat ure curves of C3771 brass
Key words : air2conditio ner ; brass ; t riple valve ; warm ext rusio n
金属挤压成形技术作为一种高效 、优质 、低消耗 的无切屑加工工艺 ,在机械 、轻工 、汽车 、宇航 、军工 、 电器等部门获得了广泛的应用 。挤压工艺由成形温 度区间不同可分为冷挤压 、温挤压和热挤压[1 - 3] 。 冷挤压法变形抗力大 ,需要进行毛坯软化及润滑处 理 ,其工艺复杂 ;热挤压法虽然变形抗力小 ,变形量 大 ,但需要在高温下成形 ,产品表面质量差 ,模具材
f or t he Air2conditioner’s B rass Trip le V alve
D A O V anl u u1 ,2 , Z H A O S hen g2d u n1 , Z H A N G Qi1
(1. School of Mechanical Engineering , Xi’an Jiaotong U niversity , Xi’an 71049 ; 2. Le Quy Do n Technical U niversity , Ha Noi , Viet Nam)
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精 密 成 形 工 程
2010 年 3 月
兰过厚等的缺陷 。 三通阀温挤压过程中的等效应力分布情况如图
6 所示 。等效应变分布及温度分布如图 7 ,8 所示 。 从图 6 , 7 ,8 可以看出三通阀温挤压成形过程中的 特点 。在初始成形阶段 , 变形区在于坯料的两端 (该区域的等效应力为最大值 ,如图 6a , b 所示) ,该 阶段金属主要充填法兰以及挤出孔 。随着时间延
1) 变形温度 :这是最重要的工艺参数 。对于该 种材料 ,取温度范围为 250～350 ℃。
2) 摩擦系数 :考虑温挤压采用好的润滑剂 ,取 剪切摩擦系数为 m = 0. 25 。
3) 冲 头 的 速 度 : 左 右 冲 头 的 速 度 为 5 ～ 10 mm/ s 。
4) 模具温度 :200 ℃。
陶文琉等 :空调机用黄铜三通阀的温挤压成形数值模拟
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密接触 ;成形中 ,左右两个冲头同时运动对金属棒料 进行挤压成形 ; 成形结束后 ,左右冲头沿反方向运 行 ,上模具向上运动 ,从而取出挤压后的零件 。
图 3 三通阀阀体温挤压工艺原理 Fig. 3 Schematic diagram of warm ext rusio n technology to
材料 黄铜 C3771
铜 (Cu) 58～61
铅 ( Pb) 铁 ( Fe) 1. 5～2. 5 ≤0. 3
锌 ( Zn) 余量
表 2 黄铜 C3771 的物理特性[5 - 6 ] Table 2 Physical p roperties of C3771 brass
材料 黄铜 C3771
杨氏模量 / MPa 105000
空调机用三通阀的壳体使用 C3771 铜合金 ,如 图 1a 所示 ,该阀体形状复杂 。传统的工艺方法是热
1 空调机用三通阀温挤压合理成形 工艺
三通阀的热锻后实物产品如图 1b 所示 。锻前 坯料的质量为 98. 7 g ,成形后质量为 51. 2 g ,材料利 用率仅为 51. 87 %。温挤压后的工件如图 2 所示 ,
图 1 空调用三通阀体 Fig. 1 Drawing of air2conditio ner’s t riple valve
锻法 ,其热锻时加热温度很高 (700～800 ℃) ,在高 温下材料毛坯的氧化和热膨胀等使热锻工艺不能保 证成形件的质量 ,飞边较多导致材料使用率较低 ,余 量较多 (如图 1b 所示) ,后续机械加工工序较多 ,能 耗大 。如采用温挤压来制造该阀体 ,在该温度下 , C3771 铜合金的塑性较高 ,变形抗力较低 ,成形更加 容易 ,成形件的精度高 ,尺寸稳定 ,而且模具结构简 单 ,生产 工 序 少 , 生 产 率 高 , 材 料 利 用 率 大 大 提 高[3 - 4] 。该挤压件形状复杂 ,无法依靠理论计算获 得其塑性变形情况及所需变形力大小 ,为此对该阀 体的温挤压成形工艺问题利用数值模拟的方法进行 了系统的研究 。