基于數(shù)值模擬驅(qū)動的斜花齒零件冷擠壓成形工藝參數(shù)優(yōu)化

趙 霞，王 霄

(1.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，江蘇 句容 212400)(2.江蘇大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

傳統(tǒng)的冷擠壓成形工藝，主要是依靠工程師的經(jīng)驗來設(shè)計模具并制定加工工藝，沒有一個系統(tǒng)的理論研究和分析，造成大量資源浪費，導(dǎo)致成品質(zhì)量和加工成本難以達到預(yù)期要求。隨著產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高及企業(yè)競爭壓力的增加，迫切需要在企業(yè)中全面推廣產(chǎn)品開發(fā)新技術(shù)。近年來，對模具成形工藝參數(shù)優(yōu)化的研究主要集中在以實驗為基礎(chǔ)的工藝參數(shù)的建模與優(yōu)化方面。陳浩等[1]進行了激光投射焊接的數(shù)值仿真模擬研究及多目標優(yōu)化；傅珂等[2]對汽車空調(diào)出風(fēng)口開展了計算流體動力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)數(shù)值模擬研究及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。此方法雖然對生產(chǎn)實踐有直接的指導(dǎo)作用，但是實踐過程費時費力、成本較高。目前，隨著計算機輔助工程(computer aided engineering, CAE)技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)中的普及與深入，CAE技術(shù)已從廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)的驗證與反饋指導(dǎo)產(chǎn)品開發(fā)走向更科學(xué)先進的階段。李聰波等[3]提出一種基于Archard模型和有限元的分析方法，通過數(shù)值模擬機床導(dǎo)軌的磨損過程來預(yù)測機床導(dǎo)軌的磨損深度?；跀?shù)值模擬驅(qū)動的實驗設(shè)計與優(yōu)化能直接面向產(chǎn)品的最終目標性能進行工藝參數(shù)優(yōu)化，便于工程師直接判斷優(yōu)化解的質(zhì)量。

本文使用DEFORM-3D有限元軟件對斜花齒零件進行冷擠壓成形過程數(shù)值模擬來代替實際冷擠壓調(diào)試，通過正交試驗設(shè)計，對變形量最大的工序凸模磨損量進行試驗設(shè)計與優(yōu)化，從而得出最優(yōu)工藝參數(shù)組合。

1 成形工藝分析及工藝參數(shù)的確定

1.1 成形工藝分析

圖1為斜花齒零件圖，材料為10鋼。該零件毛坯變形程度較大，一次成形不能獲得最終產(chǎn)品，因此工藝方案設(shè)計尤為重要。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合生產(chǎn)實踐，不斷調(diào)整工藝方案，最終確定4步成形工藝路線：第1步擠出頭部和底部的小錐形毛坯;第2步擠出頭部的圓柱面;第3步擠出頭部的斜花;第4步打通孔。

1.2 工藝參數(shù)的確定

根據(jù)冷擠壓前后體積不變原則計算毛坯尺寸，打通孔時會有部分材料被擠出，因此毛坯體積接近于第3步結(jié)束后零件的體積。本文初定斜花齒零件初始毛坯直徑為19.65 mm，經(jīng)DEFORM-3D軟件測得體積為4 219.82 mm3，確定毛坯長度為14 mm，故初定毛坯尺寸為φ19.65 mm×14 mm。

圖1 斜花齒零件圖

2 有限元模型的建立

2.1 建立Archard磨損模型

Archard模型是一種常用的磨損分析模型。近年來，很多專家對其進行了研究，如王培安等[4]將有限元試驗分析法和Archard磨損模型結(jié)合起來，確定擠壓速度、摩擦系數(shù)、凸模材料硬度及凹模材料硬度對模具磨損的影響。高恒強等[5]開展了球盤摩擦磨損試驗，并利用Archard模型和有限元方法，建立內(nèi)圈與球磨損的仿真模型，分析出影響軸承磨損的因素有運行時間、接觸角和徑向載荷等。本文采用Archard模型進行研究，表達式如下：

(1)

式中：W為磨損深度；K為磨損因子；P為界面壓力；v為運行速度；H為初始硬度；a,b,c為標準常數(shù)。

2.2 設(shè)置模擬參數(shù)

通過DEFORM-3D軟件對斜花齒零件成形過程進行數(shù)值模擬分析，得知第3步變形量最大，因此對變形量最大的工序進行分析。在SolidWorks 2016中建立凸模、凹模以及主要工作部件，并進行裝配，隨后將裝配好的毛坯和模具以STL格式依次導(dǎo)入至DEFORM-3D軟件中。為縮短計算機運行時間，采用1/12模型進行數(shù)值模擬[6]。沖棒材料為H55模具鋼，但材料庫中無此材料，因此運用JmatPro軟件生成H55模具鋼的流體應(yīng)力應(yīng)變曲線，其化學(xué)成分的質(zhì)量分數(shù)見表1。本文針對沖棒的磨損情況進行網(wǎng)格劃分，共劃分出25 000個四面體網(wǎng)格，為確保其準確性，需加密沖棒表面網(wǎng)格。

表1 H55模具鋼的化學(xué)成分

3 正交試驗設(shè)計

在擠壓過程中，模具表面硬度、沖壓速度以及摩擦系數(shù)是影響磨損的關(guān)鍵因素。模具表面硬度是影響模芯磨損的重要因素，與抗磨性成正比。沖壓速度是由擠壓速度決定的，擠壓速度增大，直接加大擠壓件和模具之間的摩擦，導(dǎo)致磨損增加。采用良好的潤滑措施，摩擦系數(shù)就能得以控制，從而極大地減少模具磨損。在第3步中發(fā)現(xiàn)合理選擇入模角度可避免出現(xiàn)“死區(qū)”，使金屬流動均勻，從而降低成型載荷，提高模具的使用壽命，經(jīng)驗選取入模角度為10°～20°。因此，綜合以上4個影響因素分別設(shè)置3種模擬試驗水平[7-8]，建立如表2所示的四因素三水平正交試驗表。以凸模磨損量為優(yōu)化目標，分組進行數(shù)值模擬，正交試驗結(jié)果見表3。

表2 四因素三水平正交試驗表

表3 正交試驗結(jié)果

4 磨損結(jié)果分析

4.1 極差分析

極差分析法能直觀體現(xiàn)每個因素對磨損結(jié)果的影響程度，極差數(shù)值的大小與試驗結(jié)果的影響成正比關(guān)系。表4為凸模磨損極差分析結(jié)果。圖2為凸模磨損正交試驗效應(yīng)圖?？梢钥闯?，沖壓速度取10 mm/s時最大磨損量為2.73×10-6mm，磨損最小。隨著速度增加，最大磨損量呈直線式上升。對于凸模磨損量的影響因素順序為B>A>D >C,即沖壓速度為主要因素，入模角度和模具表面硬度為次要因素，摩擦系數(shù)為最不明顯因素。為了減少凸模磨損，應(yīng)從主要因素上考慮[9]，因此取沖壓速度10 mm/s、模具表面硬度52.00 HRC、入模角度10°、摩擦系數(shù)0.04作為最優(yōu)工藝參數(shù)組合。

表4 凸模磨損極差分析結(jié)果

圖2 凸模磨損正交試驗效應(yīng)圖

4.2 方差分析

由于極差分析法無法判斷由試驗條件改變和試驗誤差所引起的數(shù)據(jù)變動，且無法精確預(yù)估各因素對試驗結(jié)果的影響，因此為了突出對凸模最大磨損量有顯著影響的因素，本文采用方差分析法進行分析。方差分析可以彌補極差分析的缺陷，表5為凸模磨損方差分析結(jié)果。

表5 凸模磨損方差分析結(jié)果

由方差分析原理得知，F(xiàn)值越大，代表該因素對凸模磨損的影響越顯著。從表5中可以看出，沖壓速度的F值要遠遠高于其他因素的F值，沖壓速度對凸模磨損的影響最明顯，與極差分析結(jié)果一致。

4.3 最優(yōu)組合驗證

模具一旦在穩(wěn)定期出現(xiàn)點蝕，之后會加劇磨損，若不及時修模，很快就會失效，其穩(wěn)定磨損時期點蝕深度為60 μm[10]。在最優(yōu)參數(shù)組合成形過程中，最大磨損量為2.69×10-6mm，圖3為最優(yōu)參數(shù)凸模磨損云圖?，F(xiàn)行凸模優(yōu)化前最大磨損量為3.58×10-6mm，現(xiàn)行凸模優(yōu)化前磨損云圖如圖4所示。計算得現(xiàn)行凸模優(yōu)化前壽命為18 622件，最優(yōu)參數(shù)組合下凸模壽命為24 783件，較優(yōu)化前提高了6 161件，壽命明顯提高。

5 結(jié)束語

本文采用數(shù)值模擬技術(shù)和正交試驗相結(jié)合的方法，實現(xiàn)了斜花齒零件冷擠壓成形工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，得出最優(yōu)工藝參數(shù)組合，并根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)果對凸模的磨損進行了預(yù)測和分析。試驗方法對實際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義，但同時也存在一定的局限性，需要與相關(guān)企業(yè)聯(lián)合做試驗，并根據(jù)試驗結(jié)果及時修正參數(shù)，以進一步完善冷擠壓成形工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的相關(guān)理論。

圖3 最優(yōu)參數(shù)凸模磨損云圖

圖4 現(xiàn)行凸模優(yōu)化前磨損云圖