基于Qform2D/3D 的閥螺釘冷擠壓工藝設(shè)計＊

田海洋，楊 寧，薛慧鵬，鄭偉剛* ，肖 敏

(1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽550025;2.貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械電子工程系，貴州 貴陽550008)

冷擠壓加工工藝以其生產(chǎn)的產(chǎn)品尺寸精度高、表面光潔度好、生產(chǎn)工藝流程簡單、產(chǎn)品性能優(yōu)良、材料利用率高、產(chǎn)品范圍廣、設(shè)備投資少等諸多優(yōu)點，在國內(nèi)得到迅速的發(fā)展。材料在冷擠壓加工中受三向應(yīng)力作用，使成形后的產(chǎn)品組織致密，經(jīng)歷細(xì)化，并且材料流線沿零件輪廓連續(xù)分布，大大提高了零件的力學(xué)性能，尤其是抗疲勞性能［1-2］。在新產(chǎn)品的設(shè)計過程中，數(shù)值模擬軟件的運用可以大大縮短新產(chǎn)品的設(shè)計、試驗周期;并且可以在計算機(jī)上直觀的觀察到材料應(yīng)力場和應(yīng)變場的分布，從而為正確制定工藝方案提供指導(dǎo)。

本文以閥螺釘?shù)睦鋽D壓生產(chǎn)工藝方案為例。閥螺釘是一種外形呈階梯狀的回轉(zhuǎn)軸類零件，頭部為六角形。其傳統(tǒng)生產(chǎn)采用金屬切削的方法，對材料利用率低，制造成本高，坯料中的缺陷會被繼承下來，從而影響零件的強(qiáng)度。為了提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率和質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，采用冷擠壓工藝對其進(jìn)行試制。運用Qform2D/3D 軟件對閥螺釘成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了模擬過程中金屬流動的規(guī)律和應(yīng)力、應(yīng)變的分布，確定合理的工藝試制方案。最終通過實驗驗證了閥螺釘冷擠壓工藝方案的可行性。

1 零件擠壓工藝方案設(shè)計

1.1 工藝特點分析

閥螺釘?shù)牧慵D如圖1 所示，該零件為階梯軸類零件，有兩個階梯，頭部為正六邊形。分析零件冷擠壓工藝的特點為;a、零件小端桿徑d 接近于頭部直徑D 的一半，最適合進(jìn)行正擠壓加工［3］;b、零件材料為ML10AL，加工中存在劇烈的加工硬化，變形抗力大，成形對模具的要求較高。c，零件的斷面收縮率為84%，高的斷面收縮率增加了材料的流動難度。

圖1 閥螺釘零件圖

1.2 方案設(shè)計

根據(jù)零件的工藝特點，制定理想的工藝方案是正擠壓一次成形，最大限度減少工序，提高生產(chǎn)效率。但是，零件的正六邊形頭部增大了其變形抗力，使零件的成形難度增加。因此，分兩次擠壓成形。外螺紋通過機(jī)加工成形。制定閥螺釘?shù)纳a(chǎn)工藝流程如圖2 所示。

圖2 閥螺釘生產(chǎn)工藝流程

1.3 工藝參數(shù)計算

(1)變形程度確定

ML10AL 的變形程度與10 號鋼的變形程度近似，為50% ～80%［4］。根據(jù)零件尺寸計算，其變形程度ε0= 84%，超過了材料的許用變形程度。因此，預(yù)取零件變形程度ε1= 78.2%，根據(jù)變形程度計算公式

式中:D 為毛坯直徑，d 為擠壓零件成形直徑。經(jīng)計算得零件最小端直徑d =14 mm。超出零件尺寸部分通過機(jī)加工去除。

(2)毛坯尺寸計算

毛坯預(yù)先制成實心圓柱狀，直徑D =30 mm，與零件大端尺寸一致。零件的體積利用UG 建模后計算出為V1= 12562 mm3，根據(jù)體積不變原則計算毛坯的厚度為:

式中:H 為毛坯厚度，V1為工件體積，R 為毛坯半徑。計算得毛坯的厚度H =17.8 mm。

2 成形方案的模擬分析

2.1 幾何建模及模擬參數(shù)設(shè)置

閥螺釘毛坯和模具具有軸對稱結(jié)構(gòu)，為了減小模擬運算量，提高效率，取其1/12 進(jìn)行建模。利用UG 軟件對閥螺釘進(jìn)行三維實體造型，并保存為step 格式導(dǎo)入Qform2D/3D 進(jìn)行網(wǎng)格劃分和數(shù)值模擬。模擬過程中假設(shè)模具材料為剛性體，采用剛粘塑性有限元法，忽略材料的彈性變形。其摩擦接觸條件采用Shear 法則:

式中:τ 為摩擦剪切應(yīng)力，σ 為剪切屈服應(yīng)力，μ為摩擦系數(shù)。

其它模擬參數(shù)設(shè)定見表1。

表1 模擬參數(shù)

2.2 模擬分析

(1)應(yīng)力場、應(yīng)變場的分析

由模擬結(jié)束后的平均應(yīng)力圖(圖3)可以看出，擠壓過程較為順利，未出現(xiàn)折疊或者裂紋。最大應(yīng)力分布在成形零件上端臺階凸角處，且分布均勻。最大應(yīng)力為2808 MPa。應(yīng)注意避免出現(xiàn)內(nèi)部裂紋，在盈利最大處合理設(shè)計過渡圓角，能有效保護(hù)模具。

由模擬結(jié)束后的有效應(yīng)變圖(圖4)可以看出，材料的整體變形是不均勻的，應(yīng)變主要發(fā)生在零件中部，在小臺階下部有效應(yīng)變最大，分布均勻，最大有效應(yīng)變?yōu)?.782。在有效應(yīng)變最大處材料變形劇烈，容易產(chǎn)生缺陷，因此要適當(dāng)控制變形速度。上端臺階和下端臺階凸角處由于擠壓存在金屬死區(qū)，材料不發(fā)生變形。

圖3 平均應(yīng)力圖(MPa)

圖4 有效應(yīng)變圖

(2)載荷分析

圖5 載荷—距離曲線

由圖5 載荷—距離曲線可以看出，擠壓過程分三個階段:第一階段為坯料擠出第一個臺階，即凸凹模距離為14 mm 時，此階段隨著第一個臺階的擠出，載荷不斷增加，當(dāng)載荷達(dá)到0.47 MN 時達(dá)到穩(wěn)定階段。第二階段為擠出中間小臺階，載荷在此時上升，小臺階成形后載荷趨于平穩(wěn)，并出現(xiàn)輕微的下滑，即載荷減小，最終穩(wěn)定在0.6 MN。第三階段為閥螺釘最小端成型階段，此階段成型壓力最大，載荷由0.6 MN 直接升到1.27 MN，此階段對模具和設(shè)備的強(qiáng)度和剛度要求逐漸增大。模具設(shè)計應(yīng)以此階段為依據(jù)。

3 工藝驗證

3.1 模具安裝調(diào)試

根據(jù)設(shè)計方案的模擬結(jié)果，設(shè)計了閥螺釘?shù)臄D壓成型模具，其結(jié)構(gòu)如圖6 所示。采用四導(dǎo)柱導(dǎo)套式模架，導(dǎo)柱對模板的垂直度誤差小于0.01 mm，導(dǎo)柱導(dǎo)套的配合精度不低于IT7。采用兩層預(yù)應(yīng)力組合凸凹模［5］，以增強(qiáng)凹模的徑向強(qiáng)度，降低模具更新的成本。為了保證凸、凹模的同軸度，模具采用雙重導(dǎo)向，即模架本身采用導(dǎo)柱、導(dǎo)套導(dǎo)向，同時凸、凹模再進(jìn)行模口導(dǎo)向。工作時，坯料放入凹模2 中，凸模4 下行，進(jìn)入凹模23.5 mm，零件擠壓成型。保壓6 s 后凸模回程，頂桿4 頂出成形零件。

圖6 閥螺釘擠壓成型模具圖

在裝配模具時，為了提高凸、凹模的同軸度，保證零件的成形精度，要反復(fù)的對凸、凹模進(jìn)行對中調(diào)整。凸模的下行要嚴(yán)格控制，防止擠壓力力大幅上升而導(dǎo)致凸模壽命大幅度降低。模具工作一段時間后，凹模內(nèi)表面粗糙度會降低，進(jìn)而影響零件的表面質(zhì)量，此時應(yīng)卸下模具，用油石條將模具表面研磨即可繼續(xù)使用。

3.2 試驗驗證

根據(jù)制定的工藝方案，在315 t 液壓機(jī)上進(jìn)行加工。成形試件如圖7 所示。試驗中零件成形順利，沒有出現(xiàn)表面褶皺、微裂紋等。最終產(chǎn)品尺寸、表面粗糙度達(dá)到設(shè)計要求。實踐證明，該成形工藝方案適合批量生產(chǎn)，且經(jīng)濟(jì)效益良好。

圖7 工藝試驗得到的閥螺釘

4 結(jié)論

(1)階梯軸類零件冷擠壓成形的難點是其最小端成形壓力大，此階段對模具和設(shè)備的強(qiáng)度要求較高。在設(shè)計冷擠壓工藝時應(yīng)考慮最小端的變形程度，并結(jié)合當(dāng)前設(shè)備，設(shè)計出合理的冷擠壓零件圖。

(2)利用數(shù)值模擬分析軟件，對設(shè)計的零件的工藝方案進(jìn)行數(shù)值模擬，驗證其可行性。為零件最終結(jié)構(gòu)尺寸提供設(shè)計依據(jù)。同時模擬了成型過程中的材料的流動情況，應(yīng)力應(yīng)變分布，以及可能產(chǎn)生的缺陷等等，并以此為依據(jù)不斷改進(jìn)設(shè)計方案，為最終的生產(chǎn)提供指導(dǎo)。利用Q -form2D/3D 對閥螺釘?shù)姆治?，即減少了實驗材料的損耗，又縮短了工藝方案試驗的周期。

［1］馬飛良.國外核反應(yīng)堆壓力容器用A 50823 鋼及制造［J］. 大型鑄造鍛件，1990(4):35 -46.

［2］姜桂榮. 熱旋封頭工藝的研究與開發(fā)［J］. 熱加工工藝，2003(7):32 -36.

［3］洪慎章. 冷擠壓實用技術(shù)［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004:129 -130.

［4］王超然. 金屬材料手冊［M］. 北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社，1995.

［5］鄭偉剛，束昊，吳啟山，等.球面滑履冷擠壓模脫模裝置的改進(jìn)設(shè)計研究［J］.鍛壓技術(shù)，2009，34(3):100 -102.