基于DEFORM-3D的碗形件擠壓成形力分析

王培安

（商丘工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 商丘 476000）

0 引 言

碗形件是一種常用轉(zhuǎn)向零件，可以保證機(jī)械靈活運(yùn)動，是節(jié)省人力的重要零部件。碗形件雖然形狀簡單，但是加工也存在難點(diǎn)，在成形過程中容易因?yàn)樽冃慰沽Υ螅斐稍O(shè)備的損壞和模具的開裂，降低模具的使用壽命。如果零件質(zhì)量差，使用過程還會造成安全隱患。冷擠壓成形技術(shù)是一種高質(zhì)量、高材料利用率、高加工效率的近凈工藝，所以當(dāng)前碗形件多采用冷擠壓技術(shù)加工[1-2]。2018 年，王培安等提出了鋼碗的冷擠壓成形的三種方案，并對優(yōu)方案中的模具磨損進(jìn)行了優(yōu)化分析，為碗形件的實(shí)際加工過程提供理論參考依據(jù)[3]，但該研究僅涉及模具的磨損以及成形方案，未對成形載荷進(jìn)行優(yōu)化分析。國內(nèi)外在成形載荷研究方面成果較多，如：利用數(shù)值模擬分析不同下壓速度、摩擦因數(shù)及凸模材料硬度因素對梭心在成形過程中成形載荷的影響，并對其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[4]；利用DEFORM-3D操作軟件對碗形件的實(shí)際加工過程進(jìn)行仿真分析，獲得復(fù)合擠壓過程中不同摩擦因子、成形速度等對成形載荷的影響規(guī)律，為前筒類零件的生產(chǎn)加工提供理論參考[5]。

本文借助DEFORM-3D模擬軟件對碗形件的成形效果模擬研究，以成形載荷作為正交試驗(yàn)指標(biāo)，重點(diǎn)分析成形載荷問題，探尋不同成形速度和摩擦系數(shù)對成形載荷的影響規(guī)律，以提高碗形件以及相似類零件的成功優(yōu)化率。

1 碗形件成形工藝分析

1．1 毛坯尺寸的選定

為確保碗形件在實(shí)際使用過程中能達(dá)到所需的力學(xué)性能，文章采用20#鋼作為碗形件擠壓件材料。通過分析圖1碗形件的零件圖的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可計(jì)算出擠壓件的體積Vp=2713.285mm3。

圖1 碗形件的零件

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要求以及國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鋼材直徑標(biāo)準(zhǔn)，暫時選用直徑為φ36mm的毛坯。根據(jù)體積相同原則，能夠計(jì)算出毛坯的高度。毛坯高度H0由式（1）確定。

式中：V0為毛坯體積（mm3）；A0為橫斷面面積（mm2）。選取毛坯的尺寸為φ36×3.45mm。

1．2 工藝方案的確定

根據(jù)碗形件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，初步提出加工碗形件的工藝成形方案。碗形件實(shí)際生產(chǎn)工藝流程為：下料—表面處理—磷化+皂化潤滑—復(fù)合擠壓（上部大端部分留0.4mm的凹坑） —沖孔，如圖2 所示。此工藝過程在進(jìn)行復(fù)合擠壓時提前留0.4mm的凹坑，在沖孔時可以作為穩(wěn)定帶（緩沖帶）以減小零件與廢料在分離時在分離位置的損傷情況。

圖2 碗形件成形工藝過程

1．3 擠壓力計(jì)算

經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算單位擠壓力簡單明了，結(jié)果相對比較精確，能夠達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)的精度范圍，故采用式（2）計(jì)算：

式中：P為單位擠壓力（MPa）；Z為模具形狀影響系數(shù)，取Z=1.1；n為擠壓方式及變形程度系數(shù)，取n=3；σb為擠壓前材料的強(qiáng)度極限，σb=380MPa。

所擠壓鋼材的單位擠壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于2500MPa，模具發(fā)生破壞的概率相對較小。擠壓力是選擇擠壓設(shè)備的關(guān)鍵，總擠壓力計(jì)算公式如下：

式中：F為總擠壓力（KN）；P 為單位擠壓壓力（MPa）；A為凸模與坯料接觸面在垂直擠壓力平面上的投影面積（mm2）；c為安全系數(shù)，一般取c=1.3。

1．4 CAE模型建立與參數(shù)設(shè)置

碗形件在模擬仿真前需選擇模擬參數(shù)值，其模擬參數(shù)值如下表1所示。

碗形件屬于對稱結(jié)構(gòu)，為確保模擬分析效率，在模擬成形過程中選擇整個坯料的1/8進(jìn)行試驗(yàn)。借助SolidWorks三維軟件建立模型，導(dǎo)入DEFORM中建立相對應(yīng)的FEM模型，F(xiàn)EM模型如圖3所示。

表1 碗形件的模擬參數(shù)值

圖3 FEM模型

2 模擬過程成形效果分析

由圖4a～d擠壓過程的成形效果可以看出，下壓1～16 步時，凸模與坯料開始接觸，坯料逐漸開始發(fā)生彈性變形，整體材料向上流動不斷地填充0.4mm凹坑以及向下部空腔流動；下壓16～30步時，材料開始經(jīng)過圓角部位不斷地被擠入下部的型腔；下壓30～ 9 步時，金屬材料持續(xù)向下部空腔流動填充，直至填充完整，由成型結(jié)果可知，擠壓件成形效果較好。

圖4 擠壓過程的成形效果

根據(jù)圖5a～d沖孔過程的成形效果圖，下壓1～20步時，凸模與擠壓件接觸，需要被沖掉的材料開始出現(xiàn)彈性變形，因?yàn)榻饘俨牧显跀D壓時在大端位置留了0.4mm的壓痕，留有0.4mm的穩(wěn)定帶區(qū)域，向下變形流動有一定的緩沖帶；下壓20～46步時，凹凸模刃口部位接近了金屬材料的抗剪強(qiáng)度值，材料開始發(fā)生斷裂；下壓46～70步時，金屬材料會被沖到下面，成為廢料，由圖可以看出，碗形件的成形效果很好。

圖5 沖孔過程的成形效果

3 碗形件擠壓過程的正交試驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化分析

3．1 正交試驗(yàn)各因素水平的選定

成形載荷的大小直接關(guān)系到擠壓噸位的選取，成形載荷減小，壓力機(jī)的噸位也隨之減小，可有效地減小加工成本；成形載荷減小，坯料內(nèi)應(yīng)力也會相應(yīng)減小，大大提高零件的整體質(zhì)量。成形載荷過大，會導(dǎo)致模具開裂以及擠壓設(shè)備的損壞，因此應(yīng)盡可能降低成形載荷值。由此可以看出，成形載荷的大小對生產(chǎn)加工過程具有舉足輕重的作用，因此本文主要以成形載荷作為優(yōu)化目標(biāo)。

摩擦系數(shù)、成形速度以及凸模模具硬度對成形載荷都有一定的影響，故選擇下壓速度、摩擦系數(shù)和凸模模具硬度作為優(yōu)化參數(shù)。選擇的試驗(yàn)因素及其取值范圍分別為：v的取值范圍為1mm/s～15mm/s；μ的取值范圍為0.1～0.15；凸模初始硬度的取值范圍為50HRC～62HRC。

3．2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在擠壓件的成形過程中，設(shè)置三種水平四個因素的正交表La(bc)=L9(34)（1 列空列作為試驗(yàn)誤差）。正交試驗(yàn)水平如表2 所示，并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)填入下表3正交試驗(yàn)記錄表中。

表2 試驗(yàn)因素水平分析

表3 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

極差Rj的計(jì)算公式為：

第j列偏差平方和Sj的計(jì)算公式為：

第j列偏差平方和的自由度fj等于該列的水平數(shù)減1：

自由度為（fj,fe）的F分布的計(jì)算公式為：

α表示顯著性水平，不同的α表示不同的出錯程度，如果其數(shù)值越小，就表示出錯的可能性就越小。一般情況下如果顯著性水平α≥0.25的話，其因素對試驗(yàn)結(jié)果基本無影響，應(yīng)該將其偏差平方和以及自由度歸入試驗(yàn)誤差中進(jìn)行計(jì)算。顯著性水平α的判別程度如表4所示。

表4 顯著性水平α判別

為了改善或者減小模具在擠壓過程中所受的抗力情況，碗形件在擠壓成形時以成形載荷作為評判指標(biāo)，以此來優(yōu)化模具的受力問題。由表5 可知，主次因素排序?yàn)锽>A>空列>C，最優(yōu)水平為A3B1C3，但因素C對試驗(yàn)結(jié)果的影響程度卻小于空列，所以不足以作為成形載荷的影響因素。

表5 成形載荷極差分析

由表6可知，因素A的F比=2.879＞F0.25(2, 4)=2.00，因素B的F比=4.366＞F0.10(2, 4)=4.32，結(jié)合表5 可知，因素A的顯著性水平α≤0.25，顯著性程度相對比較弱，置信水平＞75%；因素B的顯著性水平α≤0.1，為顯著性因素，置信水平大于90%，說明因素A在碗形件的成形過程中對成形載荷的影響程度較弱，顯著性較差；因素B 在碗形件的成形過程中對成形載荷的影響程度比較明顯，說明其顯著性水平較高；C因素?zé)o顯著性。

表6 成形載荷方差分析

通過試驗(yàn)結(jié)果可知，碗形件的仿真分析中以成形載荷的值作為評判標(biāo)準(zhǔn)，獲得優(yōu)水平為A3B1C3，但因素A顯著性較差；因素C為無關(guān)因素，無顯著性，暫時可確定A3B1可以使成形載荷最小的最優(yōu)的參數(shù)值，即成形速度為15mm/s，摩擦系數(shù)為0.1。

4 不同參數(shù)值對碗形件成形過程中成形載荷的影響

4．1 不同摩擦系數(shù)對碗形件成形過程中成形載荷的影響

摩擦系數(shù)值的較小變化一般也會造成成形載荷值發(fā)生改變。通過正交試驗(yàn)的結(jié)果可以看出來，摩擦系數(shù)與其他因素相比較，其對成形載荷的影響程度最明顯，說明成形載荷值隨摩擦系數(shù)值的變化，會出現(xiàn)較大波動。為了指明進(jìn)一步試驗(yàn)的方向及驗(yàn)證成形載荷隨不同摩擦系數(shù)變化的規(guī)律，選取摩擦系數(shù)為0.08、0.1、0.12和0.15模擬分析研究，最后進(jìn)行研究其規(guī)律。為保證數(shù)值模擬不受其它因素的干擾，在改變摩擦系數(shù)時，成形速度為15mm/s。

使用DEFORM軟件把參數(shù)及不同摩擦系數(shù)0.08、0.1、0.12 以及0.15 在前處理界面里面設(shè)置，分別進(jìn)行數(shù)值模擬，在后處理中查看圖6 載荷-行程圖，根據(jù)圖6a～d可知，摩擦系數(shù)為0.08、0.1、0.12 和0.15時，最大成形載荷值分別為4.38×105N、4.38×105N、5.57×105N和5.81×105N，由上述數(shù)據(jù)，制作圖7 不同摩擦系數(shù)對最大成形載荷的影響趨勢圖，通過圖可以看出，隨著摩擦系數(shù)越大，成形載荷總體趨勢是越來越大，因?yàn)榻饘僭诹鲃訒r與碗形件接觸的摩擦阻力開始不斷地變大，這時為了抵抗成形過程中的摩擦阻力就需要更大的成形載荷。摩擦系數(shù)超過0.1時，可以看出摩擦系數(shù)值的改變會造成成形載荷出現(xiàn)較大變化，說明潤滑效果較差時，對成形載荷值影響程度比較大，造成成形載荷值急劇增大；摩擦系數(shù)在0.08～0.1 這個范圍內(nèi)發(fā)生變化，對成形載荷值影響非常小，所以這個變化基本可以忽略，表示摩擦系數(shù)為0.08 和0.1 時的潤滑效果都比較理想，雖然對成形載荷沒有很大的影響，但是在碗形件的實(shí)際加工過程中，將潤滑效果做到0.08 比0.1 需要花費(fèi)太多的成本。通過上述分析可知，應(yīng)該優(yōu)先選用摩擦系數(shù)為0.1進(jìn)行實(shí)際加工。

圖6 載荷-行程

為了分析成形載荷與摩擦系數(shù)的關(guān)系，用下面的表達(dá)式表示：

4．2 不同成形速度對碗形件成形過程中成形載荷的影響

通過正交試驗(yàn)結(jié)果可知，成形速度相對于摩擦系數(shù)來說顯著性低，對成形載荷的影響較小，但成形速度值的變化也會造成成形載荷值的變化。為了進(jìn)一步指明試驗(yàn)的方向及驗(yàn)證成形載荷隨不同成形速度變化的規(guī)律，選取成形速度為1mm/s，10mm/s，15mm/s和20mm/s時分別進(jìn)行模擬，探尋其規(guī)律。為保證數(shù)值模擬不受其他因素干擾，在改變成形速度時，其他因素不變。

據(jù)圖8a～d，成形速度為1mm/s，10mm/s，15mm/s 和20mm/s 時，最大成形載荷值分別為5.55×105N、5.56×105N、4.38×105N和5.26×105N。由上述數(shù)據(jù)，制作圖9不同成形速度對最大成形載荷的影響趨勢圖可知，隨著成形速度的不斷變大，成形載荷總體趨勢是越來越小。通過分析，成形速度在1～10mm/s之間，雖然坯料金屬流動變快，但成形載荷并未出現(xiàn)明顯變化。如果成形速度值≥10mm/s時，隨著成形速度的不斷變大，成形載荷值也不斷出現(xiàn)降低趨勢，證明速度變大，金屬內(nèi)部材料之間出現(xiàn)熱作用，塑性得以提高，變形抗力大大降低，故成形載荷值也相應(yīng)降低；當(dāng)成形速度大于15mm/s時，隨著成形速度的不斷變大，成形載荷開始出現(xiàn)增大趨勢，說明隨著速度的不斷變大，雖然金屬材料的塑性得以提高，但是變形面積開始增大，金屬材料內(nèi)部之間以及與模具之間在同一時間內(nèi)的摩擦長度增加，摩擦阻力增大，故成形載荷增大。因此，應(yīng)該優(yōu)先選擇15mm/s的成形速度值進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)。

圖8 載荷-行程

圖9 不同摩擦系數(shù)對最大成形載荷的影響趨勢

為分析成形載荷與成形速度的關(guān)系，用下面的表達(dá)式表示：

5 結(jié) 論

（1）以正交試驗(yàn)作為數(shù)據(jù)處理的手段，以成形載荷值作為評判標(biāo)準(zhǔn)，獲得最優(yōu)參數(shù)組合為A3B1，并探尋不同摩擦系數(shù)和成形速度對成形載荷的影響規(guī)律，獲得使成形載荷最優(yōu)的參數(shù)值，即成形速度為15mm/s，摩擦系數(shù)為0.1。

（2）碗形件獲得較好的成形效果，大大降低了設(shè)備損壞的可能性，減小了凸模開裂的可能性，減小了凸模的磨損，降低了生產(chǎn)過程中的試模成本。

（3）可以為碗形件以及其他相似類零件的生產(chǎn)，提供一個理論參考方案以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理優(yōu)化的 手段。