齿轮轴挤压模具寿命的预测

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摘要：磨损是温挤压模具正常的主要的失效形式。本文依据Archard磨损计算模型，借助于有限元模拟技术和线性回归方法，对齿轮轴挤压模具的磨损进行预测和分析，最终以磨损深度为判据预测了模具的使用寿命。



1 模具的寿命与失效

模具寿命是指在模具失效前所能成形出的合格产品数。模具寿命受多种因素的影响，通过对模具的失效进行分析，可以找出相应的措施加以改进，达到提高模具使用寿命的目的。模具的失效分为正常失效和非正常失效两种形式。非正常失效的形式主要有塑性变形、断裂、局部严重磨损等,使模具不能正常工作；正常失效是指模具经多次使用，因缓慢塑性变形或较均匀地磨损或疲劳断裂而不能继续服役[1]。挤压模具的失效形式主要有：磨损、塑性变形、疲劳破坏和断裂。一般认为，磨损是其正常的、主要的失效形式[2]。
齿轮在温挤压成形时，毛坯在凹模型腔中进行塑性变形，坯料不断与模具接触且有相对运动，将对型腔表面产生摩擦作用，摩擦力的大小与正压力以及毛坯和模具的表面状况有关；温挤压模具在较高温度以及挤压力作用下，磨损十分严重，影响模具的使用寿命，因此有必要对模具的磨损进行分析。



2 模具磨损计算模型

对模具的磨损进行分析，首先需选择磨损计算模型，在DEFORM模拟分析软件中给出了两种计算模型：Archrd模型和Usui’s模型。Archrd模型是以磨粒磨损为主要计算对象，主要应用在分析金属塑性成形时模具的磨损，是最经典和最常用的磨损模型[3,4]；Usui’s模型以粘着磨损为主要计算对象，一般用在金属切削加工时刀具的磨损。这里选择Archard磨损模式，公式表示如下




式中，ZAB
为磨损深度，p为界面压力，v为滑移速度，H为模具的硬度，t为时间。a, b, c, K为通过实验确定的修正系数， 一般取a＝1,b＝1；对于工具钢来说，取c = 2；K的值取0.002。
图1为齿轮轴件。图2为挤压齿轮轴的模具实物照片,模具材料为H13钢，其硬度为59HRC。


                                          


磨损模拟结果分析


图3所示为挤压成形终了时凹模的磨损分布状况。由图可以看出，凹模磨损的主要区域在凹模锥角处（即成形区），最大磨损深度是在其齿顶端，因为在挤压成形的过程中，该区域不仅承受着较大的界面压力，同时有大量的金属从该区域向下流动，与模具间产生相对运动。而且该区域由于与热毛坯的接触面大，由于摩擦作用，使得该区域的温度急剧上升，从而降低了模具的力学性能。其次，在齿腔的渐开线边界处也有大量金属由此向下流动，磨损深度亦较大。
在DEFORM后处理中，不仅记录了凹模在一次成形过程中总的磨损深度，而且也记录各个增量步的磨损深度。图4所示为齿轮在成形过程中，凹模当前磨损深度的变化曲线。可以看出，齿轮在温挤压成形过程中，凹模的磨损深度是随着成形的进行而变化的。在挤压初始阶段，挤压力急剧上升，凹模的当前磨损深度也在不断的增大，到挤压稳定阶段，磨损深度也趋于稳定，挤压后期凹模的磨损会随着挤压力及滑移速度的降低而有所下降。

                                                   






4 用一元线性回归法预测模具的使用寿命




为对模具的正常使用寿命进行预测，对成形过程进行多次模拟(本文取10次)，记录各次成形时模具的磨损深度，然后运用一元线性回归法分析模具的磨损深度与服役次数之间的关系。作散点图如图5所示，由图可以看出磨损深度h与服役次数t之间大致呈反比例函数关系，于是可令

                               
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，其中a，b为不依赖于t的未知参数。为求线性回归方程，即求a，b的估计值

                               
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，模拟次数n＝10，可得到线性回归方程。


                 
                                            

为检验该回归曲线的准确性，继续对模具的磨损规律进行10次模拟。如图6所示为凹模前20次服役时，各次磨损深度的回归曲线及磨损深度模拟值的散点图。由图可以看出，这些点基本上沿着回归曲线上下波动，线性回归效果很好，能够很好地反映模具磨损深度的变化趋势。

由公式（3）可以计算出模具每次工作的当前磨损深度，则模具服役n次后，磨损的总深度
                                                               


本齿轮件的精度等级为7级，其下偏差为0.062mm，相应的模具精度要求不小于6级，即模具的上偏差应低于0.039mm。从而可得

n≈6760
                                                                  

因此，我们可以预测该齿轮轴温挤压成形时，模具的使用寿命为6700件左右。


参考文献
邓明，胡亚民，彭成允.模具技术讲座.机械工人(冷加工)，2001(3) :55~57.
曾珊琪，丁毅.模具寿命与失效.化学工业出版社，2005:16~43.
B.A. Behrens, F. Schaefer. Prediction of wear in hot forging tools by means of finite-element-analysis. Journal of Materials Processing Technology, 2005(167): 309-315.
D.H. Kim, H.C. Lee, B.M. Kim, K.H. Kim. Estimation of die service life against plastic deformation and wear during hot forging processes. Journal of Materials Processing Technology,2005(166): 372-380.

poxiangzi

这个论文贴成这样是怎么贴的，还有公式、图片，怎么编辑成这个样子的。

admin

文字就不用说了，图片是上传附件后，在文字中间“插入”附件，添加的“附件”后有“插入”两字。

fw7757

可能是对DEFORM中的模具寿命预测不熟悉，我很想知道，文中对成形过程模拟10次，如何能保证跟实际情况一样，模具是循环工作了10次？期待解答！谢谢！

fw7757

怎么没人解答：请问在DEFORM中如何实现模具的连续工作？

fw7757

怎么没人解答呀！

master-caili

H13，HRC59？？？

taoshaoling

zhangshengxi