前擠壓工件和模具的溫度分布有限元分析（1.大連鐵道學(xué)院機(jī)械工程系，遼寧大連11程機(jī)械熱力偶合有限元模擬，對(duì)材料的流動(dòng)、由于塑性變形和接觸面之間的摩擦所產(chǎn)生的熱量、工件和模具中的熱傳導(dǎo)、工件與模具之間的熱交換、在成形期間和其后冷卻過程中工件和模具中溫度的分布等進(jìn)行了分析；對(duì)工件和模具的機(jī)械和熱力學(xué)性能和諸如沖頭的速度、摩擦系數(shù)等加工條件對(duì)溫度在工件和模A中的分布的影響進(jìn)行了研究。有限元模擬的結(jié)果表明，在成形加工中由于熱膨脹和冷卻的影響，工件和模具中溫度的變化將影響工件的成形精度。工件的性能對(duì)熱的產(chǎn)生和溫度分布有決定性的影響；加X條件的變化會(huì)影響溫度的高低和分布。

　　在金屬成形中普遍存在的溫度變化影響工件的成形質(zhì)量、成形精度、潤滑效果和工具的壽命。雖然，對(duì)于熱鍛和溫鍛已經(jīng)考慮了熱的影響，然而，對(duì)于冷鍛卻沒有對(duì)熱的影響給予足夠的重視。由于工件的塑性變形和工件與模具之間的摩擦都會(huì)產(chǎn)生熱量，所以，對(duì)高精密工件的成形加工溫度在工件和模具中的變化必須給予足夠的重視。在一定工件溫度條件下工具的尺寸變化和由于塑性變形和疼卻弓的溫度變化而產(chǎn)生的熱脹和冷縮必將影響近凈成形（NearNetShapeForming）工件的精度。

　　本文對(duì)前擠壓工件和模具中熱量的產(chǎn)生和溫度變化和分布進(jìn)行了有限元模擬。通過ABAQUS的機(jī)械熱力偶合有限元模擬，對(duì)材料的流動(dòng)、熱量的產(chǎn)生和熱傳導(dǎo)及熱交換、在成形期間工件和模具中溫度的分布等進(jìn)行了分析。有限元方法不僅可以用于分析由機(jī)械力引起的成形加工誤差精度，同樣可以用于分析由于工件和模具溫度變化引起的工件成形誤差。分析工件和模具溫度變化引起的工件成形誤差對(duì)于誤差補(bǔ)償方法的研究，乃至近凈成形方法的研究都是必要的。

　　1熱的產(chǎn)生和傳導(dǎo)在成形加工中，工件材料所經(jīng)歷的塑性變形將引起溫度的變化，反過來，溫度的變化又會(huì)影響材料的性能和潤滑條件；工件與模具之間的摩擦也會(huì)產(chǎn)生熱量。塑性變形產(chǎn)生的熱量取決于工件的流動(dòng)應(yīng)力和有效應(yīng)變率工件與模具之間的摩擦產(chǎn)生的熱量與摩擦剪應(yīng)力和工件與模具間的滑動(dòng)速度成正比M由于工件和模具之間的溫度差別，工件與模具之間會(huì)產(chǎn)生熱傳導(dǎo)；這個(gè)熱傳導(dǎo)的熱流密度取決熱傳導(dǎo)系數(shù)和工件與模具之間的溫差（5）。由于位移分布和溫度分布在成形過程中互相依賴，所以必須對(duì)工件和模具中的位移場(chǎng)和溫度場(chǎng)同時(shí)求解，以保證熱量對(duì)材料流動(dòng)和溫度分布的影響。

　　2.1碳鋼的擠壓工況A下碳鋼前擠壓后工件與模具的溫度大小與溫度分布情況工況B下碳鋼前擠壓后工件與模具的溫度大小與溫度分布情況由（b）可見擠壓后工件變形情況。在模具出口端附近工件經(jīng)受了很大的塑性變形和接觸摩擦；因而在工件的表面產(chǎn)生了較高的溫升。由于工件的塑性變形熱是通過熱傳導(dǎo)傳遞給模具，從而與工件接觸的模具表面雖然溫度也有了較篼的增加，但一般溫度低于工件表面的溫度。給出了在工況A下碳鋼前擠壓后工件與模具的溫度大小與溫度分布情況。工件的最高溫度大約是167°C，發(fā)生在與模具出口的過渡圓弧接觸處。這是因?yàn)橐环矫婀ぜ诖颂幍乃苄宰冃巫顬閯×?，塑變形產(chǎn)生的熱量最大；另一方面是因?yàn)樵谀＞叱叽缰饾u減小的這個(gè)區(qū)域剪切應(yīng)力大而產(chǎn)生的摩擦熱也就多。模具的最高溫度大約是95‘C，位置與工件最高溫度點(diǎn)的相對(duì)應(yīng)。

　　工況C下碳鋼前擠壓后工件與模具的溫度大小與溫度分布情況工況C下碳鋼前擠壓后冷卻2.5s后工件與模具的溫度大小與溫度分布情況和表示不同的沖頭速度和不同的摩擦系數(shù)時(shí)工件中溫度分布的情況。比較與可見，沖頭的速度變化后工件和模具的溫度分布規(guī)律沒有變化，溫度的大小發(fā)生了變化；工件最高溫度由于沖頭速度的增加而達(dá)到約215t，而相應(yīng)地模具的最高溫度也增加約128°C.這是因?yàn)閱挝粫r(shí)間產(chǎn)生的熱量與熱擴(kuò)散的時(shí)間發(fā)生了變化。比較與可見，摩擦系數(shù)的增加引起了擠壓載荷和生成熱量的增加；從而引起接觸區(qū)域附近的溫度增高。工件最高溫度由于摩擦系數(shù)的增加而達(dá)到約309I：，而相應(yīng)地模具的最高溫度也增加到約309°C.值得注意的是，此時(shí)工件最高溫度與模具的最高溫度相同都是約309t；這說明，在工件與模具材料性能不變的條件下，當(dāng)塑變形產(chǎn)生的熱量和摩擦熱增加到一定程度，工件最高溫度與模具的最高溫度就可能相同。表明了在冷卻2.5s后溫度在工件和模具中的分布。因?yàn)楣ぜ湍＞咧械臒釘U(kuò)散，在經(jīng)歷短暫的時(shí)間之后工件和模具的最高溫度都大大的降低，而且溫度分布趨于均勻。

　　2.2鋁材的擠壓為研究材料性能對(duì)溫度分布的影響，對(duì)鋁材A1 99.5的擠壓進(jìn)度和摩擦系數(shù)條件下進(jìn)行了分析，給出了在工況E時(shí)工件與模具的溫度情況。由圖可知，溫度分布規(guī)律與碳鋼時(shí)相似，只是溫度的大小發(fā)生了很大的變化比較與，在相同的條件下鋁材的最高溫度大大降低，僅為約。工件和模具中的最高溫度低于碳鋼時(shí)的值，這是由于鋁的較低的流動(dòng)應(yīng)和良好的熱傳導(dǎo)性。由表2可知，與碳鋼時(shí)相似，沖頭速度和摩擦系數(shù)的增加都會(huì)起工件和模具溫度的增加；只不過增加的幅度遠(yuǎn)小于碳鋼時(shí)的值。另外，由于鋁的良好的熱傳導(dǎo)性，工件與模具的最高溫度相同。

　　了有限元模擬。同樣在不同的沖頭速有限元模擬表明在加工和冷卻期間工件和模具中的溫度變化工況E下結(jié)材前擠壓后工件與模具是明顯的。工件材料性能對(duì)熱量的產(chǎn)生和工件中溫度的分布有著的溫度大小與溫度分布情況決定性的影響；加工條件的變化也對(duì)溫度的變化和分布產(chǎn)生影響工件的熱力學(xué)性能對(duì)冷成形加工工件的精度有著重大影響。