球面滑履冷擠壓工藝的數(shù)值模擬分析與研究

文／束昊，周燕妮·徐州重型機(jī)械有限公司鄭偉剛·貴州大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院

球面滑履冷擠壓工藝的數(shù)值模擬分析與研究

文／束昊，周燕妮·徐州重型機(jī)械有限公司
鄭偉剛·貴州大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院

球面滑履由于其薄壁球面特殊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，成形過(guò)程金屬流動(dòng)比較復(fù)雜，通過(guò)對(duì)數(shù)值模擬分析其成形的可行性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)一次成形雖然能實(shí)現(xiàn)滑履成形，但其擠壓時(shí)平均應(yīng)力超過(guò)模具鋼強(qiáng)度極限，而且一次成形

球面變形量大，成形后回彈嚴(yán)重而影響零件球面精度，因此采用預(yù)成形和整形兩次成形工藝來(lái)減小擠壓時(shí)平均應(yīng)力和變形量。最后通過(guò)工藝試驗(yàn)進(jìn)行論證，改進(jìn)后兩次成形工藝方案合理，保證了成形件的尺寸精度，同時(shí)大大降低擠壓力，有效保護(hù)模具，并大大縮短工藝試驗(yàn)周期，對(duì)該零件的生產(chǎn)應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

滑履零件是液壓泵上一種零件，結(jié)構(gòu)具有薄壁球面結(jié)構(gòu)特征，具有較高的形位精度，球徑φ12mm，球面不圓度0.02mm，表面粗糙度0.4μm，零件圖如圖1所示。在實(shí)際生產(chǎn)中需求量很大，滑履零件采用切削加工能達(dá)到精度要求，但材料損耗大，而且生產(chǎn)效率低，滿足不了日益提高的液壓泵的使用要求，改用精密冷擠成形工藝制作，可節(jié)省材料、提高效率并且改善力學(xué)性能。

滑履零件的擠壓成形符合杯形件擠壓成形的工藝特征，可以采用正擠或反擠成形，但是由于其薄壁球面特殊結(jié)構(gòu)，成形過(guò)程金屬流動(dòng)比較復(fù)雜，零件的擠壓工藝方案的理論分析結(jié)果與實(shí)際的流動(dòng)方式存在差異容易導(dǎo)致設(shè)計(jì)失敗。而采用3D塑性成形模擬分析軟件（Qform）進(jìn)行數(shù)值模擬能在一定程度上模擬出金屬的流動(dòng)規(guī)律，為設(shè)計(jì)正確的試驗(yàn)工藝方案和模具提供更有力的理論依據(jù)。

零件擠壓成形的工藝設(shè)計(jì)

零件的工藝性分析及擠壓件設(shè)計(jì)

圖1 滑履零件圖

根據(jù)冷擠壓件的設(shè)計(jì)原則和對(duì)滑履零件結(jié)構(gòu)的分析，該零件形狀是軸對(duì)稱(chēng)旋轉(zhuǎn)體，模具受力均勻，非常適合冷擠壓加工，但是該零件尺寸精度很高，特別是該零件薄壁球面成形時(shí)金屬流動(dòng)比較復(fù)雜，如何保證擠壓球面成形尺寸精度將是工藝設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。而且該零件斷面過(guò)渡處圓角太小或沒(méi)有圓角，冷擠壓過(guò)程會(huì)由于金屬流動(dòng)不暢導(dǎo)致擠壓力過(guò)大，因此需加大零件臺(tái)階處過(guò)渡圓角設(shè)計(jì)；另外滑履內(nèi)球面頂部有細(xì)小深孔，擠壓直徑過(guò)小的孔或槽是很困難的，也不經(jīng)濟(jì)，因此考慮去掉深孔，用機(jī)加工的方法來(lái)解決，通過(guò)以上分析改進(jìn)的工藝圖如圖2所示。

圖2 滑履擠壓件圖

擠壓工藝設(shè)計(jì)

滑履零件的材料為錳黃銅，其供應(yīng)狀態(tài)強(qiáng)度高、變形抗力大、存在加工硬化現(xiàn)象，擠壓成形對(duì)模具材料強(qiáng)度要求很高，而且要經(jīng)過(guò)退火軟化處理。根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主要采用正擠壓或反擠壓兩種方式一次成形擠壓工藝。一次成形擠壓工藝是最理想的工藝方案，可以最大限度節(jié)約資源，提高生產(chǎn)效率，產(chǎn)生最大經(jīng)濟(jì)效益。但是由于該零件成形是擠壓球面成形，成形球面的回彈嚴(yán)重，回彈包合力大，成形球面會(huì)將模芯球面包合在一起，反擠脫模比較困難，所以采用正擠方式。根據(jù)零件工藝分析，制定的成形工藝流程如圖3所示：供應(yīng)狀態(tài)棒料→制坯→擠壓成形→機(jī)加工→入庫(kù)。

工藝計(jì)算

⑴擠壓毛坯尺寸確定。

根據(jù)零件圖，零件的體積V= 2424.52mm3。在擠壓完成時(shí)，凸模與凹模的最終距離確定為4mm(距離過(guò)小時(shí)，擠壓力急劇上升)。根據(jù)V坯=V擠壓件原則，V坯= 2424.52mm3。為了使材料的變形程度和移動(dòng)量盡量小，選取毛坯的直徑與滑履零件大端直徑一致，即d為21.5mm，r=d/2，因此毛坯的高度h = V坯/ （π×r2）=6.68mm。

⑵擠壓力的計(jì)算。

選擇擠壓設(shè)備主要依據(jù)擠壓力大小,采用實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算法，冷擠壓成形時(shí)，擠壓力可按下式估算：

F＝Ap＝AxnKσb

圖3 滑履成形工藝圖

式中，F(xiàn)為擠壓力（kN）；A為坯料截面面積，為362.87mm2；p為單位擠壓力（MPa）；x為模具形狀系數(shù)，取1.1；n為擠壓變形程度系數(shù)，取6；K為安全系數(shù)，一般取1.3；σb為擠壓前毛坯的抗拉強(qiáng)度，為375MPa。所以，F(xiàn)=1167.5kN，故可以選擇315t的液壓機(jī)。

成形方案的模擬分析

模擬模型的建立

⑴根據(jù)坯料和模具結(jié)構(gòu)軸對(duì)稱(chēng)特點(diǎn)，選取坯料和模具的1/12進(jìn)行模擬，可以減小模擬的運(yùn)算量；⑵坯料和模具由SolidWorks軟件保存step文件導(dǎo)入后，劃分網(wǎng)格毛坯的單元數(shù)12156，結(jié)點(diǎn)3275；⑶材料選用錳黃銅；⑷邊界條件為常摩擦模型，模具用的潤(rùn)滑劑MoS2，摩擦系數(shù)0.12；⑸壓機(jī)速度為0.006m/s，壓力最大載荷315t；⑹溫度為冷擠溫度20℃。

Qform軟件模擬的成形結(jié)果及分析

⑴對(duì)模擬結(jié)果成形件平均應(yīng)力進(jìn)行分析。圖4是正擠成形后平均應(yīng)力圖，由圖4可知下半部分球面和柱面變形區(qū)的平均壓應(yīng)力相對(duì)較小，但平均應(yīng)力分布不均勻，有的地方幾乎是拉應(yīng)力，這是由于下半部分坯料與模具內(nèi)外面都接觸，所以摩擦力很大，特別是在潤(rùn)滑條件不好的狀態(tài)下，造成金屬流動(dòng)不均勻而且產(chǎn)生附加拉應(yīng)力，當(dāng)滑履內(nèi)球面以下塑性變形完成后處于剛性平移狀態(tài)，這時(shí)附加拉應(yīng)力便轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄳?yīng)力，最大殘余拉應(yīng)力為167.1MPa，容易產(chǎn)生裂紋和造成擠壓件變形，這對(duì)擠壓件質(zhì)量極為不利，所以要考慮采用摩擦因子小的潤(rùn)滑劑，改善潤(rùn)滑條件。同時(shí)可以考慮采用模具工作帶，減小摩擦力。整個(gè)上半部分變形區(qū)的平均壓應(yīng)力都很大，特別是臺(tái)階圓角過(guò)渡處，這里是金屬流動(dòng)死區(qū)，最大達(dá)到3138MPa，最好模具鋼材料抗壓強(qiáng)度3000MPa左右，模具會(huì)由于擠壓應(yīng)力過(guò)大發(fā)生失效。

⑵對(duì)模擬結(jié)果成形件流動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行分析。圖5所示為擠壓成形的應(yīng)變圖，在正擠壓過(guò)程中，有效應(yīng)變最大的地方主要集中在成形件內(nèi)球面，在成形件的柱面也有少許較大有效應(yīng)變，最大有效應(yīng)變3.074，變形量很大，由于材料彈性模量110GP，成形后球面回彈嚴(yán)重，影響零件球面尺寸精度。

圖4 擠壓成形平均應(yīng)力圖

圖5擠壓成形應(yīng)變圖

圖6 擠壓過(guò)程的行程-載荷曲線

⑶擠壓成形過(guò)行程和載荷因素的分析。圖6所示為該材料成形擠壓過(guò)程的行程-載荷曲線?？梢钥闯?，最初正擠早期階段的壓力比較小，壓力變化比較平穩(wěn)，到了成形球面段，擠壓變形不穩(wěn)定，壓力顯著變大，最后成形柱面，擠壓力將繼續(xù)增加，增加幅度相對(duì)平緩，但擠壓力最大，此階段對(duì)模具和設(shè)備的強(qiáng)度和剛度要求越來(lái)越高，最大成形力為1145kN，與我們估算擠壓力一致，模具的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和設(shè)備的選用要以此階段為依據(jù)。

圖7 滑履改進(jìn)后工藝流程圖

工藝改進(jìn)及改進(jìn)后的模擬結(jié)果

擠壓工藝的改進(jìn)

經(jīng)過(guò)以上模擬分析，一次成形雖然能實(shí)現(xiàn)滑履成形，但其擠壓時(shí)平均應(yīng)力超過(guò)模具鋼強(qiáng)度極限。而且一次成形球面變形量很大，很難保證零件球面成形精度，因此采用預(yù)成形和整形兩次成形工藝。預(yù)成形完成大部分變形量，整形階段主要保證成形件的尺寸精度。同時(shí)為了減小擠壓力，便于零件成形，可以改善模具的潤(rùn)滑條件，采用摩擦因子更小的潤(rùn)滑劑，并在零件的臺(tái)階處設(shè)置一些盡可能大的圓角或錐面過(guò)渡，便于金屬流動(dòng)。根據(jù)以上工藝分析，改進(jìn)的成形工藝流程如圖7所示：供應(yīng)狀態(tài)棒料→制坯→擠壓預(yù)成形→擠壓整形→機(jī)加工→入庫(kù)。

圖8 預(yù)成形平均應(yīng)力圖

圖9 整形有效應(yīng)變圖

擠壓工藝的改進(jìn)后模擬結(jié)果

二次成形工藝預(yù)成形擠壓時(shí)平均應(yīng)力較大，由圖8可知最大平均應(yīng)力2401MPa，比一次成形平均應(yīng)力3138MPa大大降低，選擇高速鋼W6Mo5Cr4V2 (抗壓強(qiáng)度3000MPa)即可滿足模具強(qiáng)度要求。零件尺寸精度受整形階段有效應(yīng)變影響，由圖9可知整形成形件內(nèi)球面和柱面有效應(yīng)變大大減小，有效應(yīng)變控制在0.1～0.2，最大有效應(yīng)變?cè)谂_(tái)階圓角過(guò)渡處也只有1.681，大大減小成形件的變形量，從而顯著減小回彈變形的影響，保證成形件的尺寸精度。工藝改進(jìn)后，成形力也大大降低，二次成形工藝預(yù)成形擠壓時(shí)成形較大。圖10所示預(yù)成形成形力為700kN，比一次成形工藝下降445kN，有效的保護(hù)設(shè)備和模具，降低擠壓時(shí)的能耗。

圖10 預(yù)成形擠壓過(guò)程的行程-載荷曲線

工藝試驗(yàn)

工藝試驗(yàn)時(shí)應(yīng)小心地將模具裝配好，以保證冷擠件的尺寸精度。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：該兩次成形工藝方案合理，大大降低擠壓力，很好地保證成形件的尺寸精度，并且有效保護(hù)模具。但是由于工藝分析和模擬是建立在理論基礎(chǔ)之上的，所以試驗(yàn)試制過(guò)程中還存在一些問(wèn)題：

⑴在頂出時(shí)，模芯在與模芯限位板臺(tái)階配合處易發(fā)生折斷，這是由于頂出力較大，加之臺(tái)階配合容易受偏心彎矩和應(yīng)力集中作用，我們把模芯與模芯限位板采用錐面配合，可以很好地解決模芯斷裂問(wèn)題。

⑵脫模時(shí)成形件下端口由于脫模阻力過(guò)大發(fā)生微塑性變形，經(jīng)分析脫模阻力由滑履模芯與成形件的凹球接觸面上摩擦力和凹模與滑履外壁間摩擦力共同形成。為減小脫模阻力，采用先讓滑履擠壓件脫離凹模，再讓模芯與滑履擠壓件分離的梯度脫模方式，避免滑履端口承受過(guò)大的頂出力作用，保證成形精度。

采用以上合理、有效的措施，最終將滑履零件擠壓成形，尺寸和精度達(dá)到圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，實(shí)踐證明，該工藝方法宜于進(jìn)行批量生產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

結(jié)論

滑履零件具有球形孔結(jié)構(gòu)，而且零件本身精度要求高，采用機(jī)械切削加工，不但材料損耗大，而且生產(chǎn)效率低。本文通過(guò)對(duì)滑履零件成形工藝特點(diǎn)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)的滑履零件正擠一次成形工藝，然后對(duì)其成形工藝進(jìn)行數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)一次成形擠壓平均應(yīng)力超過(guò)模具鋼強(qiáng)度極限，而且一次成形球面有效應(yīng)變大而造成球面回彈嚴(yán)重，保證不了球面成形精度。因此改進(jìn)了滑履零件成形工藝，采用預(yù)成形和整形兩次成形工藝，成功地解決了一次成形擠壓平均應(yīng)力過(guò)大和球面有效應(yīng)變大的問(wèn)題，從而有效保證零件成形精度，同時(shí)大大降低了擠壓平均應(yīng)力和成形力，有效地保護(hù)了設(shè)備和模具，降低擠壓時(shí)的能耗，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)的指導(dǎo)，大大縮短了工藝試驗(yàn)的周期。經(jīng)工藝試驗(yàn)驗(yàn)證，該滑履成形工藝合理、實(shí)用，推廣應(yīng)用前景廣闊。