弧面凸輪等溫?cái)D壓成形工藝仿真與參數(shù)優(yōu)化

張 華，賀柳操

（湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410151）

等溫?cái)D壓工藝是獲得高精度凈形或近似凈形機(jī)械零件毛坯的重要工藝之一。為充分驗(yàn)證等溫?cái)D壓工藝在弧面凸輪毛坯成形的可行性以及選擇工藝參數(shù)，利用UG和DEFORM-3D軟件對(duì)文獻(xiàn)［1］提出的工藝方案進(jìn)行剛粘塑性有限元模擬分析。

影響弧面凸輪等溫?cái)D壓成形的主要工藝參數(shù)有擠壓溫度、擠壓速度、潤(rùn)滑及摩擦條件等。為考察這些工藝參數(shù)對(duì)成形過程的影響，分別對(duì)圓柱毛坯在不同的擠壓溫度、擠壓速度以及摩擦系數(shù)的條件下等溫?cái)D壓成形過程進(jìn)行有限元數(shù)值模擬研究。通過對(duì)有限元仿真結(jié)果的比較分析，得到不同工藝參數(shù)對(duì)弧面凸輪等溫?cái)D壓成形的影響規(guī)律，從而為合理選擇工藝參數(shù)提供依據(jù)。

1 弧面凸輪等溫?cái)D壓成形工藝

（1）閉塞式雙向擠壓成形工藝。文章采用閉塞式模具雙向主動(dòng)加載的成形工藝，建立了如圖1所示的成形裝置。閉塞式模具又稱復(fù)動(dòng)式模具，其基本工作過程為：先將齒形左凹模5與右凹模2閉合并施加一定的預(yù)緊力，坯料3放在封閉的模腔內(nèi)，再對(duì)復(fù)動(dòng)式凸模1和凸模4雙向施加一定壓力，使坯料產(chǎn)生多向流動(dòng)充滿型腔。

圖1 成形裝置

圖2 弧面凸輪擠壓模具結(jié)構(gòu)圖

（2）等溫?cái)D壓成形模具結(jié)構(gòu)。文章中弧面凸輪擠壓閉塞式模具如圖2所示。利用圓棒毛坯，在一定溫度下兩端擠壓的等溫?cái)D壓工藝，內(nèi)凹模采用Half模型式。同時(shí)為保證擠壓件在卸出時(shí)，內(nèi)凹模與外凹模之間不因脫離而懸空，故在內(nèi)凹模與外凹模的接觸面上設(shè)計(jì)制作成一定角度的斜面。

2 弧面凸輪等溫?cái)D壓成形數(shù)值模擬

（1）模型的建立。采用UG進(jìn)行三維造型，輸出STL格式數(shù)據(jù)文件，然后導(dǎo)入DEFORM3D中進(jìn)行三維有限元模擬。幾何模型如圖3所示。

圖3 有限元分析模型

（2）基本參數(shù)設(shè)定。利用DEFORM軟件對(duì)弧面凸輪溫?cái)D壓成形進(jìn)行三維剛粘塑性有限元數(shù)值模擬，初始條件設(shè)定如下：

初始毛坯尺寸：Φ49×152mm；

毛坯材料：40Cr；

加熱溫度：工件以感應(yīng)加熱，溫度為700℃、750℃、800℃，潤(rùn)滑劑為玻璃潤(rùn)滑劑；

毛坯的網(wǎng)格尺寸：1.2～1.8mm；

擠壓速度：5mm/s，10mm/s，20mm/s；

沖頭和模具材料：H13（相當(dāng)于我國(guó)的4Cr5MoVSi，硬度為59HRC）；

模具預(yù)熱溫度：720℃；

毛坯與模具間的摩擦系數(shù)：0.15，0.25，0.40；

凸模壓下量：78mm（單側(cè)為39mm）；

增量步長(zhǎng)：0.4mm；

環(huán)境溫度：室溫20℃。

3 模擬結(jié)果分析與參數(shù)優(yōu)化

（1）擠壓溫度的影響分析。擠壓溫度是等溫?cái)D壓工藝的重要工藝參數(shù)，它對(duì)材料的成形性、變形力、產(chǎn)品的性能和表面質(zhì)量等都有很大影響。溫度高，變形力小，材料的成形性好；但溫度過高，不但會(huì)因潤(rùn)滑涂層的破壞而影響擠壓，而且會(huì)由于氧化而對(duì)制品的表面質(zhì)量造成不良影響。本文選擇毛坯的擠壓溫度分別為700℃、750℃和800℃，對(duì)其成形過程進(jìn)行有限元數(shù)值模擬。由壓力行程曲線可知，不同溫度下曲線的趨勢(shì)幾乎一致：在擠壓的開始階段，擠壓力急劇上升，到了穩(wěn)定階段，擠壓力變化平緩，只是略有上升，而到擠壓最后階段，由于毛坯與模具的接觸面積變大，而使摩擦力變大，型腔內(nèi)的金屬處于強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，擠壓力會(huì)驟然升高。三個(gè)溫度下的最大擠壓力分別約為1440kN、1370kN和1390kN。這是因?yàn)?0Cr的溫塑性變形溫度通常在600～800℃之間，高于800℃時(shí)工件的氧化變得劇烈，低于600℃時(shí)工件的變形抗力迅速增大。由于工件的變形程度較大，故將等溫?cái)D壓溫度定在750℃，在這溫度下40Cr的變形抗力為常溫下的15%，氧化極微。

（2）擠壓速度的影響分析。在擠壓過程中，當(dāng)擠壓速度過快時(shí)，會(huì)造成金屬流動(dòng)不均勻，模具溫度較高等現(xiàn)象，如果此時(shí)金屬變形產(chǎn)生的余熱不能及時(shí)帶走，模具就可能因局部過熱而失效，當(dāng)擠壓速度較適宜時(shí)，就避免了上述不良后果的發(fā)生，擠壓速度一般應(yīng)控制在25mm/s以下。如圖4所示為凸模單向壓下速度分別為5mm/s，10mm/s和20mm/s時(shí)對(duì)應(yīng)的擠壓力曲線。由圖可以看出，擠壓速度對(duì)擠壓力的影響不大，三個(gè)不同速度對(duì)應(yīng)的最大擠壓力分別約為1340kN、1370kN和1470kN。其原因在于：一方面，擠壓速度的增大會(huì)使得更多的金屬同時(shí)變形，使得擠壓力升高；另一方面，擠壓速度的提高會(huì)使大量的塑性變形功所產(chǎn)生的熱量來不及向周圍介質(zhì)傳遞，而使工件的溫度升高，擠壓力降低。綜合考慮，優(yōu)選擠壓速度為10mm/s左右。

圖4 不同擠壓速度下載荷分布情況

（3）潤(rùn)滑條件的影響分析。良好的潤(rùn)滑不僅能提高熱擠壓件的表面光潔度，減小擠壓力，而且能保持模具表面質(zhì)量，從而提高模具的使用壽命。摩擦因子越大，材料的流動(dòng)就相對(duì)更困難，摩擦越小時(shí)更有利于材料的流動(dòng)。從圖5可以看出摩擦因子對(duì)凸輪的充填性能影響不大，隨著摩擦因子的增大，其充填能力只有輕微的下降，但模具所受的力卻有大幅的提高，摩擦因子為0.25時(shí)，作用力最大為1370kN，而當(dāng)摩擦因子增大到0.4時(shí)，其作用力最大為1440kN，此時(shí)模具的受力狀況將發(fā)生較大變化，材料與模具表面的作用力增加，模具表層將更易被拉裂而引起失效。故優(yōu)選摩擦因子為0.25。

圖5

4 成形效果

綜上結(jié)果可知，為保證弧面凸輪的質(zhì)量和擠壓過程順利進(jìn)行，對(duì)擠壓溫度、擠壓速度、摩擦系數(shù)等工藝參數(shù)的比較分析，優(yōu)選如下工藝參數(shù)：加熱溫度為750℃、擠壓速度為10mm/s、摩擦因子為0.25左右。

圖6為優(yōu)化工藝參數(shù)后數(shù)值模擬的凸輪制件成形效果圖?？梢钥闯?，金屬填充流暢均勻、凸輪凸脊光滑飽滿、成形質(zhì)量較高。

圖6 等溫?cái)D壓成形效果圖

5 結(jié)語

（1）采用DEFORM-3D實(shí)現(xiàn)了弧面凸輪等溫?cái)D壓成形過程數(shù)值模擬，分析了擠壓溫度、擠壓速度、摩擦條件對(duì)擠壓過程中溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分布的影響規(guī)律。擠壓應(yīng)力和擠壓溫度會(huì)隨擠壓速度等工藝參數(shù)的變化而變化，但它們的分布規(guī)律不變

（2）通過反復(fù)模擬得到了合理的擠壓工藝參數(shù)：在擠壓溫度為750℃、擠壓速度為10mm/s、摩擦因子為0.25的條件下可獲得良好的成形效果和較低的成形載荷。

［1］張華，胡自化.弧面凸輪二維等溫?cái)D壓成形數(shù)值模擬與模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.熱加工工藝，2008，（17）:69-71.

［2］張華，胡自化.弧面凸輪等溫?cái)D壓成形剛粘塑性三維有限元數(shù)值模擬［J］.熱加工工藝，2010．

［3］張華.弧面凸輪等溫?cái)D壓成形剛粘塑性三維有限元模擬與優(yōu)化［J］.湘潭:湘潭大學(xué)，2009．

［4］李傳民，王向麗，閆華軍，等.DEFORM5.03金屬成形有限元分析實(shí)例指導(dǎo)教程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.