杯形件正擠壓過(guò)程數(shù)值模擬與分析

顏國(guó)華 陳慶歐

（浙江農(nóng)林大學(xué)暨陽(yáng)學(xué)院，諸暨 311800）

杯形件廣泛應(yīng)用于日常生活用品制造、汽車制造、軍工以及航空航天等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的杯形件主要利用鍛造、機(jī)加工等方式成形，操作復(fù)雜，大批量生產(chǎn)耗時(shí)耗力。隨著科技進(jìn)步，杯形件制造方法也在不斷更新，目前在杯形件批量生產(chǎn)過(guò)程中，擠壓成形工藝得到越來(lái)越多的應(yīng)用，擠壓成形工藝參數(shù)設(shè)置對(duì)擠壓成形效果起著至關(guān)重要的作用。因此，本文將利用有限元分析軟件DEFORM-3D對(duì)杯形件正擠壓成形過(guò)程進(jìn)行仿真分析，得到擠壓過(guò)程中的相關(guān)規(guī)律，對(duì)杯形零件擠壓成形生產(chǎn)實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)意義。

1 有限元模型的建立

1.1 幾何模型的建立

本文所用杯型零件材料為40Cr鋼（AISI5140），杯形零件幾何模型如圖1所示。

圖1 杯形件幾何模型

根據(jù)零件圖具體尺寸，計(jì)算所需坯料尺寸，然后利用SolidWorks軟件建立杯形件坯料模型和模具模型，然后導(dǎo)出為stl文件，并將stl文件導(dǎo)入到DEFORM-3D軟件中，經(jīng)過(guò)處理、求解和后處理三個(gè)階段，得到杯形件正擠壓過(guò)程中載荷隨行程曲線以及不同載荷應(yīng)力應(yīng)變情況，然后進(jìn)行結(jié)果分析。模擬流程如圖2所示。

為分析方便，將模具形狀進(jìn)行簡(jiǎn)化，在Solidworks中建立杯形件正擠壓的1/4模型，如圖3所示。

1.2 杯形件材料性參數(shù)設(shè)置

正擠壓坯料選擇40Cr，具體參數(shù)如表1所示。

1.3 設(shè)置擠壓條件

擠壓速度為40mm/s；工序擠壓行程約為17.2mm；；熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.3，坯料與沖頭接觸面、坯料與凹模接觸面為熱傳導(dǎo)邊界；設(shè)置熱邊界條件為坯料與沖頭接觸面、坯料與模具接觸面，設(shè)置成熱傳導(dǎo)邊界。；設(shè)定結(jié)構(gòu)對(duì)稱面和位移邊界，總共對(duì)四個(gè)模型設(shè)置對(duì)稱面；生成各個(gè)模具及坯料之間摩擦因子，將其應(yīng)用到所有工件；摩擦類型選擇剪切摩擦，取值0.3，接觸邊界條件公差自動(dòng)計(jì)算為0.0234。

圖2 模擬流程圖

圖3 擠壓過(guò)程1/4模型圖

表1 坯料材料參數(shù)選擇

1.4 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分采用默認(rèn)四面體單元，根據(jù)模型最小尺寸0.61，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格化示意圖

2 模擬結(jié)果分析

2.1 擠壓成形過(guò)程與行程載荷曲線分析

經(jīng)過(guò)DEFORM-3D軟件數(shù)值模擬計(jì)算，整個(gè)成型過(guò)程基本上可以被分為三個(gè)階段，即初始階段、滑移階段與穩(wěn)定階段，坯料流動(dòng)過(guò)程及行程載荷如圖5、圖6所示。

圖5 擠壓過(guò)程中坯料狀態(tài)

圖6 行程載荷圖

2.1.1 初始階段

初始階段坯料放到擠壓模具當(dāng)中，在下端凸臺(tái)約束及上端沖頭開(kāi)始擠壓坯料，對(duì)坯料進(jìn)行初始鐓粗過(guò)程，載荷值基本呈線性增加。

2.1.2 滑移階段

這個(gè)階段是在初始階段之后，在上端沖頭作用下繼續(xù)向坯料擠壓，坯料不斷地被鐓壓，坯料變形；在被鐓粗的同時(shí)，金屬流開(kāi)始從模口往外流出，本階段載荷繼續(xù)增加，增長(zhǎng)幅度放緩。

2.1.3 穩(wěn)定階段

穩(wěn)定階段，坯料金屬流開(kāi)始流出，并且進(jìn)入到穩(wěn)定狀態(tài)，沖頭不斷地往下移動(dòng)，載荷值基本保持在一定的范圍波動(dòng)，該階段載荷可以分為兩個(gè)部分：第一，克服金屬變形抗力；第二，變形區(qū)與模套壁之間摩擦力以及坯料與出口部分摩擦力。

2.2 擠壓成形過(guò)程金屬流動(dòng)分析

在金屬擠壓過(guò)程中，一直受到上端沖頭擠壓。當(dāng)?shù)搅嘶齐A段，坯料金屬開(kāi)始向模口流出，分析金屬在整個(gè)擠壓成型中的變化特征如圖7所示。

圖7 各階段金屬流動(dòng)分析圖

2.2.1 初始成型階段

第一個(gè)上端沖頭剛開(kāi)始?jí)喝氲脚髁希c坯料上端面接觸，坯料發(fā)生變形，這時(shí)候載荷值呈線性增加，但是流動(dòng)速度較小。

2.2.2 金屬流階段

第二階段上端沖頭繼續(xù)往下移動(dòng)，繼續(xù)對(duì)坯料進(jìn)行鐓粗，同時(shí)金屬流開(kāi)始向?？诹鞒?，從圖中可以看出流動(dòng)方向主要從中心向四周流動(dòng)。

2.2.3 穩(wěn)定階段

第三階段進(jìn)入穩(wěn)定變形時(shí)期。上沖頭以一定速度下移，已成型金屬僅做剛體運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有金屬的流動(dòng)，上部金屬流動(dòng)包括兩個(gè)方向：一個(gè)是中心向四周流動(dòng)；另一個(gè)是從上往下流動(dòng)。

2.3 成形過(guò)程中等效應(yīng)力分析

擠壓階段應(yīng)力分布和應(yīng)變?cè)茍D如圖8所示。

圖8 應(yīng)力應(yīng)變分布圖

從圖8應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D可以看出，擠壓成型初期，上端沖頭壓入坯料，這時(shí)沖頭與坯料接觸載荷值呈線性增加，說(shuō)明受力屬于均勻狀態(tài)，而且應(yīng)力分布相對(duì)比較集中，主要在較大形變區(qū)域應(yīng)力比較高；當(dāng)金屬流開(kāi)始向?？跁r(shí)，坯料受壓均勻，但是底部應(yīng)力值較大，達(dá)到750MPa；進(jìn)入穩(wěn)定成型階段，載荷值有所下降，杯形件底部應(yīng)力開(kāi)始略微減小，最后穩(wěn)定在625MPa。

3 結(jié)論

本文通過(guò)DEFORM-3D軟件對(duì)杯形件成形過(guò)程進(jìn)行了仿真分析，經(jīng)過(guò)前處理、過(guò)程模擬仿真和后處理三個(gè)階段，得到杯形件正擠壓過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變以及金屬流特征。分析過(guò)程給擠壓成形工藝設(shè)計(jì)人員提供了一定依據(jù)，有效降低降低了成本，縮短了產(chǎn)品缺陷反饋時(shí)間，提升了產(chǎn)品質(zhì)量和性能。