超声拉丝有限元仿真研究

　　拉丝是塑性加工中一个重要的领域。它是在外加拉力作用，迫使金属坯料通过模孔，以获得相应形状与尺寸制品的塑性加工方法。国内外众多学者对超声拉丝进行了相关的研究，主要是集中超声拉丝作用机理和实验研究方面。

　　为了更好的了解超声在拉丝塑性加工的作用机理和塑性成形过程，将以实际生产中常用来加工的铜丝为例，首次利用有限元分析软件ANSYS建立拉丝加工的三维有限元模型，对常规拉丝和超声拉丝进行全过程有限元数值模拟研究。

　　1 有限元模型的建立

　　超声拉丝加工三维模型图如图1(a)所示，其中：1为铜丝入端(大端);2为拉丝模;3为铜丝出端(小端)，考虑到实际中常进行加工的规格，定大端直径为0.3mm，小端直径为0.26mm，断面缩减率为%19。为了加快计算机计算速度，且超声拉丝加工结构具有对称性，将以它的四分之一模型为研究对象，四分之一拉丝模型，如图1(b)所示。

　　1.1 材料模型

　　从拉丝过程就其本质来看，是根据线材加工尺寸要求去除多余材料的过程。在此过程中，有拉伸、机械挤压、剪切、摩擦作用，在进行有限元仿真时采用Von Mises应力屈服准则，同时将材料考虑为具有各向同性的应变硬化性质。

　　拉拔的铜丝为青铜，等效应力—应变关系为：，铜丝的杨氏模量为E=1.17×10¹¹Pa，泊松比为0.3。密度为8.5×10³kg/m³，生产应用中拉丝模具一般都是非常坚硬耐磨的材料(如硬质合金、金刚石等)，而加工的材料相对于模具的硬度都很低，仿真时将拉丝模设为刚体，杨氏模量为E=7.5×10¹⁰Pa，泊松比为0.34。密度为7.5×10³Kg/m³。

　　1.2 单元类型选择和网格划分

　　铜丝采用8节点六面体三维实体单元SOLID185，在接触分析中，接触单元将在定义接触对时自动生成的，目标面单元类型选用TARGE170，接触面单元类型为CONTA174。对模型进行网格划分，如图2所示。建立起的有限元模型中共有2552个节点，2116个单元。

　　1.3 定义接触对摩擦系数

　　拉丝过程是典型的金属成型加工，在ANSYS分析中需要定义接触对，拉丝过程的接触问题属于刚体 - 柔体的接触类型，发生接触的是拉丝模孔内表面和金属丝外表面，在面-面接触方式中，拉丝模孔内表面为刚性的目标面，铜丝外表面为柔性的接触面，目标面和接触面构成一个接触对，选用的单元类型如上所述，铜丝与拉丝模的摩擦系数μ均设定为0.05。

　　1.4 边界条件与约束

　　在常规拉丝中定义拉丝模的所有自由度设为0;铜丝X、Y向自由度设为0;转动自由度都为0;铜丝沿Z向运动，并加载恒定的速度为0.1m/s。超声拉丝与常规拉丝相比只是在拉丝模上加载纵向超声振动，振幅为15μm。