一種大高徑比銅棒鐓擠工藝研究

陳 攀，戴益波，郭宇航，楊衛(wèi)國(guó)，黃忠富

（江蘇科技大學(xué)材料學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003）

0 引言

在現(xiàn)代的材料成形發(fā)展中，鐓粗與擠壓是兩種重要的材料成形工藝。鐓粗是自由鍛最基本的工序，是通過使用液壓機(jī)等設(shè)備，經(jīng)設(shè)備將所需鐓粗力傳輸給模具，再對(duì)坯料施加壓力，使金屬坯料橫截面面積增加，而高度減小的材料加工方法[1]。擠壓是在冷態(tài)下將置于模具型腔中的毛坯利用壓力設(shè)備迫使坯料從型腔預(yù)留的孔中擠出，以得到所需要求制件的工藝[2]。擠壓工藝近年發(fā)展非常迅速，既可以單獨(dú)采用擠壓的方法成型零件，也可將擠壓與別的工藝相結(jié)合而成形。擠壓工藝分為正擠壓、反擠壓、復(fù)合擠壓、徑向擠壓、減徑擠壓五大類不同的擠壓方式[3]。雖然鐓粗和擠壓2種工藝對(duì)材料成形至關(guān)重要，但不代表2種工藝適用于任何材料成形設(shè)計(jì)中。鐓粗工藝十分受限于材料的尺寸，而擠壓工藝十分受限于材料的種類以及設(shè)備的噸位?，F(xiàn)代的材料成形朝著數(shù)字化、效率化和一次成形方向發(fā)展[4]，在能夠完全保證成型出符合要求質(zhì)量的零件這一前提下，高效節(jié)能是發(fā)展的必要追求。目前，大高徑比金屬棒材的成形工藝是材料成形方向的一個(gè)熱點(diǎn)。采用合理的設(shè)備和工藝參數(shù)，不但可以保證成形過程不出現(xiàn)失穩(wěn)這一重要前提，還可降低設(shè)備噸位，從而減少生產(chǎn)中的能耗，以及通過合理的工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)成形步驟的減少，從而提高生產(chǎn)效率，增加企業(yè)收益，促進(jìn)成形工藝的發(fā)展，十分符合現(xiàn)代化材料成形生產(chǎn)的要求[5]。

本文主要介紹一種可行的大高徑比銅棒成形工藝方法。為了實(shí)現(xiàn)成形，目前有3種方案，分別是單一鐓粗、單一擠壓和鐓粗+擠壓2種工藝相結(jié)合的3種模式，通過模擬分析找出其中最佳方案。研究是通過利用DEFORM軟件進(jìn)行3組模擬，確定出可行的方案；然后，在方案可行的基礎(chǔ)上進(jìn)行比較，選擇出最優(yōu)1組；再對(duì)最優(yōu)方案實(shí)現(xiàn)工藝優(yōu)化并得到最終成形方法這一過程，實(shí)現(xiàn)工藝的確定。

1 零件工藝計(jì)算

1.1 坯料尺寸

此次成型的材料為純銅，將一根棒料成形成如圖1所示的零件。鐓粗后的零件總高度80 mm，其中不變形初始坯料高占60 mm，毛坯的變形部分如圖所示，是一個(gè)高度20 mm帶有半徑10 mm圓角的40 mm寬對(duì)稱體。經(jīng)過變形前后體積不變?cè)碛?jì)算，采用的坯料二維圖如圖2所示。

1.2 坯料高徑比計(jì)算

坯料變形部分的高度為：

如若采用夾持不變形部分對(duì)坯料進(jìn)行鐓粗成型的工藝方法，由于變形部分的高徑比為4.83，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于3，而自由鐓粗的最大高徑比一般不能超過3[6]，預(yù)測(cè)成形無法成功。

圖1 成形零件二維圖

2 方案討論

2.1 單一鐓粗

采用DEFORM軟件對(duì)坯料進(jìn)行模擬，采用單一鐓粗方案，直接進(jìn)行自由鐓粗。其鐓粗的棒料長(zhǎng)度采用實(shí)際變形部分高度，模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 單一鐓粗大高徑比模擬結(jié)果

經(jīng)過以上模擬的結(jié)果，坯料鐓粗時(shí)出現(xiàn)的情況正如預(yù)測(cè)一樣，在自由鐓粗的過程中出現(xiàn)了彎曲現(xiàn)象，這種彎曲現(xiàn)象就代表成形失敗。即便坯料能進(jìn)入凹模且能夠填充滿凹模，成形后的制件也必將出現(xiàn)折疊，完全達(dá)不到要求的零件質(zhì)量。所以單一自由鐓粗的方案是行不通的，無法達(dá)到成形的要求。

2.2 單一擠壓

采用徑向擠壓的方法，這種方法的結(jié)構(gòu)如圖4所示。該方案的模具分為上模和下模兩個(gè)部分，完全采用徑向擠壓的工藝；上模帶動(dòng)小墩頭下行，將固定于固定模中的坯料擠壓進(jìn)入凹模內(nèi)成型；零件成型后四周應(yīng)力狀態(tài)相同，表面和內(nèi)部成形質(zhì)量都比較好。對(duì)該方案進(jìn)行DEFORM模擬[7]，結(jié)果如圖5、圖6所示。

在對(duì)單一擠壓這一方案的模擬過程中，由于最后擠壓填充尖角處所需力非常大，DEFORM軟件模擬的速度比較慢，耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)。從擠壓方案的最大主應(yīng)力圖分析可知，坯料主要變形部分和未變形部分靠近墩頭處局部受應(yīng)力非常大，過程中最大應(yīng)力達(dá)到了2 050 MPa左右。如此巨大的變形應(yīng)力下，通過分析墩頭載荷圖，在成形過程中墩頭所需載荷快速增大，最終墩頭承受載荷為1.13×106MPa。該方案依靠直徑20 mm的小墩頭進(jìn)行擠壓，尤其是當(dāng)應(yīng)力快速增大后，仍然采用這個(gè)墩頭，對(duì)墩頭的強(qiáng)度要求非常高；而一般模具鋼材料強(qiáng)度不夠，即使少數(shù)材料的強(qiáng)度能夠達(dá)標(biāo)，材料價(jià)格昂貴且制造的墩頭使用壽命較低，也需要經(jīng)常更換墩頭，模具損傷大；且設(shè)備噸位要求高，生產(chǎn)能耗就高，不符合綠色生產(chǎn)、節(jié)能減排的要求。

圖4 傳統(tǒng)方案示意圖

圖5 應(yīng)力-等效圖

圖6 墩頭載荷圖

2.3 鐓粗+擠壓結(jié)合

將中間起固定坯料作用的固定塊設(shè)計(jì)成浮動(dòng)的，凹模設(shè)計(jì)在浮動(dòng)固定塊中，與下面平行墊板存在一定的高度間隔。由于自由鐓粗高徑比大于1.5后，容易出現(xiàn)雙鼓型而影響成形件質(zhì)量[1]，因此將此高度定為10 mm。上模部分小墩頭下行，對(duì)坯料進(jìn)行擠壓，當(dāng)上模碰到浮動(dòng)的固定塊，帶動(dòng)浮動(dòng)固定塊下行，此時(shí)小墩頭不再單獨(dú)承受擠壓力的作用，而是進(jìn)入浮動(dòng)固定塊夾持坯料的孔中，受到固定塊的穩(wěn)定作用，保證了小墩頭壽命；上模與浮動(dòng)的固定塊一同下行將會(huì)對(duì)坯料進(jìn)行鐓粗，最終填充滿凹模型腔，成型完成[8]。模具示意圖如圖7所示。進(jìn)行DEFORM模擬，最大主應(yīng)力圖如圖8所示，成形載荷圖如圖9所示。

鐓擠結(jié)合這一方案模擬過程較快，從最大主應(yīng)力圖可知，銅棒材主要變形區(qū)應(yīng)力很大，模具需要傳輸足夠大的力；而從墩頭及固定塊載荷圖中可以看出，在初始鐓粗時(shí)，由于銅材延展性比較好，墩頭所受載荷較??；隨著應(yīng)變的增大，墩頭受力增大，但增幅比較緩慢，數(shù)值仍然保持在比較小的范圍內(nèi)，最終墩頭承受載荷為6.92×105MPa。該方案采用墩頭和浮動(dòng)固定塊結(jié)合鐓擠的方式，依靠小墩頭在坯料易變形階段進(jìn)行鐓粗，在不易變形的階段才利用浮動(dòng)固定塊進(jìn)行鐓擠實(shí)現(xiàn)成形。由于墩頭同浮動(dòng)固定塊一同下行時(shí)，浮動(dòng)固定塊承受力大部分載荷，減輕了墩頭的負(fù)擔(dān)。雖然浮動(dòng)固定塊承受的載荷急劇增加，但此時(shí)由于浮動(dòng)固定塊的直徑較大、強(qiáng)度足夠，仍能有效保護(hù)墩頭。

圖7 改進(jìn)后模具示意圖

圖8 最大主應(yīng)力圖

圖9 成形載荷圖

3 方案的確定及優(yōu)化

3.1 方案確定

通過對(duì)3個(gè)方案初步模擬顯示，單一鐓粗被直接淘汰。而經(jīng)過對(duì)另2個(gè)方案墩頭載荷圖進(jìn)行比較，單一擠壓方案墩頭所受載荷為1.13×106MPa，鐓粗+擠壓后墩頭所受載荷為6.92×105MPa；鐓粗+擠壓方案墩頭載荷減少了40%，墩頭壽命得以增加，模具損傷減小，故鐓粗+擠壓方案更加符合要求，采用此方案進(jìn)行本次設(shè)計(jì)。

鐓粗+擠壓方案是將凹模設(shè)計(jì)在浮動(dòng)固定塊中。方案雖然可以保證能夠成型成功，但由于上模已經(jīng)接觸了浮動(dòng)固定塊，且成型后零件留存于凹模中，此時(shí)的墩頭并不能單獨(dú)繼續(xù)下行，使零件無法取出。如若采用打孔等方式對(duì)上模進(jìn)行改進(jìn)而推出零件，將使模具結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，增加模具設(shè)計(jì)難度，需要進(jìn)一步優(yōu)化。

圖10 方案優(yōu)化示意圖

3.2 初步優(yōu)化

優(yōu)化后將凹模設(shè)在下模，這樣直接采用推件塊上頂出裝置便可輕易取出零件，保證了模具的簡(jiǎn)單特性[9]。當(dāng)然，這樣下模需厚板用以設(shè)計(jì)凹模，此時(shí)浮動(dòng)的固定塊就變成了鐓模。在凹模上設(shè)置孔，采用強(qiáng)力彈簧控制鐓模與凹模之間的高度，示意圖如圖10所示。利用DEFORM軟件模擬結(jié)果如圖11所示。

圖11 第一次優(yōu)化成型后零件上下視圖

通過成形結(jié)果圖可以看出，成形零件上表面與側(cè)面的尖棱處成型效果不好，存在未充滿的缺陷。下表面尖棱處存在毛刺，但已經(jīng)完全填充滿，而毛刺在鐓擠中是必定存在的，并非是判斷成形成功的重要指標(biāo)，而凹陷和未充滿卻是成形成功與否的重要標(biāo)志。因此，還需對(duì)模具進(jìn)行二次優(yōu)化，優(yōu)化成功與否需從優(yōu)化后模擬結(jié)果來看。

3.3 二次優(yōu)化

初步優(yōu)化下邊緣，由于受到正擠壓而使得金屬填充效果較上邊緣好，若零件上部分與下部分同時(shí)受到擠壓作用，則上邊緣也具有較好的填充效果。將鐓模底部設(shè)計(jì)為與推件塊形狀一樣，使得在充填最后階段，坯料上邊緣部分材料受到反擠壓作用進(jìn)入鐓模與凹模的間隙中，坯料下邊緣部分材料受到正擠壓作用進(jìn)入推件塊和凹模間隙中。這樣，坯料上下邊緣部分均可充分填充，零件成型效果好?？蓪寄Ｉ疃仍黾?0 mm，鐓模底部變成同零件變形部分尺寸相同的形狀且細(xì)部高度設(shè)為10 mm，這樣就可以保證鐓模仍起鐓壓作用。鐓模下行到最低處進(jìn)入凹模10 mm，這樣可保證坯料一直處于凹模內(nèi)，不會(huì)溢出造成大量飛邊以及成型不充分等問題。如此，成形零件邊緣部分的填充和表面質(zhì)量也能符合要求。二次優(yōu)化方案如圖12所示，模擬結(jié)果如圖13所示。

通過比較圖11和圖13，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過最終優(yōu)化后的模具在上邊緣部分成型結(jié)果較好，上下邊緣沒有出現(xiàn)凹陷這樣的重大缺陷，零件的各個(gè)表面較光滑，沒有毛刺的出現(xiàn)，使得表面質(zhì)量較好。邊緣的毛刺必不可少，但可以后期通過采用簡(jiǎn)易的工藝方法去除，不影響零件的性能。同時(shí)，設(shè)備的噸位降低，模具設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)便，模具磨損減少使得壽命增加，證明該優(yōu)化后的方案對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中方案的設(shè)計(jì)有一定貢獻(xiàn)。

圖12 最終方案圖

圖13 第二次優(yōu)化成形結(jié)果圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用鐓粗和擠壓2種工藝相結(jié)合的方式，經(jīng)過最終模擬結(jié)果的實(shí)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)2種工藝相結(jié)合能夠滿足成型要求并得到較好的成型結(jié)果。成型過程中，先采用墩頭將坯料鐓擠進(jìn)入凹模內(nèi)，再利用上模下行帶動(dòng)浮動(dòng)鐓模一同對(duì)凹模內(nèi)金屬進(jìn)行鐓粗，最終達(dá)到成形目的。相較于采用單一的墩頭擠壓工藝而言，鐓擠結(jié)合后墩頭所承受載荷減少40%，降低了設(shè)備噸位，減少了墩頭承受載荷。依靠墩頭先鐓擠后浮動(dòng)鐓模一同鐓擠的方式，可以在后期大變形量以及金屬充滿邊角這種大應(yīng)力情況下有效保護(hù)墩頭，而浮動(dòng)鐓模因大直徑而有足夠強(qiáng)度，減少模具損耗。