液壓擠壓毛坯過程特點

蔡徐偉，唐麗琴，許守貴，趙峰冰，王佳佳，馮楊

工業(yè)中越來越多使用低塑性和難變形金屬及其合金。除了規(guī)定的幾何參數(shù)和必需的力學(xué)性能外，還應(yīng)該具有光潔表面。在壓力加工過程中，這些材料黏附在模具上，造成材料變形不均，在制造零件表面形成缺陷。

現(xiàn)在有一系列方法減少變形工藝不均勻性：減小模具工作表面接觸摩擦影響，補充處理毛坯表面等。由于變形材料和模具間有潤滑層隔開，能夠降低外摩擦影響。這個方法在液體擠壓中應(yīng)用，為的是降低擠壓應(yīng)力并提高模具壽命。在《鍛模設(shè)計技術(shù)及實例》中說明了在積極摩擦力作用下，提高金屬塑性并保證變形均勻性。在擠壓周期終了，當(dāng)擠壓零件突發(fā)事故時，擠壓行程不可控性是液壓擠壓缺陷之一。為了提高毛坯在變形過程中位移的可操作性，采用液力擠壓方法，計算在擠壓中高壓液體作用的壓力和機械力。

1.工作目的

由于潤滑層厚度對毛坯應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)力能參數(shù)有巨大影響，選擇最佳潤滑層厚度順利實施液壓擠壓是非常必要的。

現(xiàn)在工作的目的：研究進行液體擠壓時力能參數(shù)和毛坯潤滑層厚度；以保證降低擠壓力并沿著毛坯截面降低變形不均。給出兩個擠壓過程工程分析比較舉例：通常正擠壓和液體擠壓（見圖1）。其中模擬材料選擇硬鋁2A12。

2.過程分析

使用整套模擬軟件DEFORM—2D對正擠壓和液力擠壓進行模擬，以確定軸對稱毛坯在室溫20℃下等溫擠壓力。擠壓桶直徑Dj=30mm，凹?？诠ぷ鲙е睆?0mm。

在DEFORM2D整套基本數(shù)據(jù)庫里沒有2A12抗拉強度曲線，所以據(jù)其物理—力學(xué)性能選擇了相近國外類似鋁合金—2024，數(shù)據(jù)庫中有其強度曲線。有關(guān)文獻給出潤滑材料流變性能。

毛坯正擠壓模擬時劃分成1500個元素，而在液體擠壓和潤滑層厚度模擬時對應(yīng)分成1000個和500個單元。模擬時使用設(shè)備為液壓機，凸模位移速度0.1mm/s。在液體擠壓時使毛坯和擠壓桶對應(yīng)半徑Rm和Rj變形。擠壓力和變形節(jié)距關(guān)系如圖2所示。

正擠壓過程模擬結(jié)果對應(yīng)該過程的典型曲線如圖2a所示。按照變形規(guī)范建立壓力為29.5kN。

對應(yīng)半徑比Rm/Rj=0.8的條件下液力擠壓過程可以分成兩個階段：第一階段毛坯在凹模中發(fā)生變形，擠壓力33kN；第二階段為設(shè)定規(guī)范過程出口，擠壓力降低到25kN（見圖2b）。同時，毛坯在變形區(qū)域第二階段減小了變形，潤滑層的流動開始超過毛坯表面層的流動，因此，擠壓過程具有積極摩擦力的作用。圖2b（進入凹模錐形部分）直徑截面變形開始區(qū)域，毛坯與潤滑層有個分離界面。

在Rm/Rj=0.85條件下，液力擠壓過程增加了毛坯在凹模中擠壓持續(xù)性，與正擠壓相比，按設(shè)定規(guī)范擠壓力降低到27.5kN（見圖2c）。潤滑層流動速度甚至超過毛坯表層流動速度，產(chǎn)生了積極摩擦力。

圖1 擠壓實例

在Rm/Rj=0.9條件下，液力擠壓過程增加了毛坯在凹模中擠壓的持續(xù)性。與正擠壓相比，按設(shè)定規(guī)范擠壓力降低到29kN（見圖2d）。但在此情況下，潤滑層的流動速度略低于毛坯表層流動速度。因此，在第二階段擠壓力得到增加（凹模頂出工件完成）。這可通過毛坯變形區(qū)域擴大和毛坯進入凹模錐形區(qū)域前就被吸入變形區(qū)域來解釋（見圖2d右側(cè)箭頭所示）。

分析所獲得毛坯截面應(yīng)力分布圖模擬結(jié)果可得出：在規(guī)定變形規(guī)范條件下，在Rm/Rj=0.9時，液力擠壓零件表面將形成裂紋。出現(xiàn)那樣缺陷的同時，在按規(guī)范擠壓時毛坯表層金屬的位移速度低于中心。擠壓件表層就會出現(xiàn)拉應(yīng)力和毛坯心部的金屬爆裂。

為消除所指出的缺陷和提高零件質(zhì)量，提出降低擠壓速度或安裝輔助凹模以阻止過大的拉應(yīng)力值，保證必需的阻力以消除形成類似缺陷。第一種方法缺陷是降低了擠壓過程的生產(chǎn)率并保存了變形不均的缺點；而第二種方法提高了模具裝備的復(fù)雜性。且研究了與潤滑劑厚度有關(guān)的沿著毛坯各種截面不均勻變形過程。最小不均勻變形在液力擠壓條件下半徑的比值Rm/Rj=0.85，最大是在常規(guī)正擠壓條件下。在變形最小不均判據(jù)基礎(chǔ)上確定潤滑層的最佳厚度。

3.結(jié)語

（1）在規(guī)范內(nèi)，液力擠壓力比常規(guī)正擠壓時低，這是以合適應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)和在液力擠壓時有積極摩擦力作用為前提。

（2）為了降低低塑性金屬變形時形成表面裂紋的概率，建議使用雙重凹模：基本變形和補充變形+整形。

（3）在最小化曲線應(yīng)用的基礎(chǔ)上及壓力和缺陷變形顯示，在液力擠壓時潤滑層的最佳厚度在半徑比Rm/Rj=0.85。

圖2 正擠壓和液體擠壓下擠壓力與變形節(jié)距關(guān)系