熱擠盂壁厚差分析與控制研究

武維康，任乃棟，王建

（孝義市東義鎂業(yè)有限公司，山西 孝義 032300）

熱擠盂過程產(chǎn)生的問題在實(shí)際生產(chǎn)中層出不窮，本文采用DEFORM軟件對該制件進(jìn)行塑性變形分析。DEFORM可以分析金屬成形過程中，通過研究凸膜和毛坯偏移大小對結(jié)果的影響，可以及時(shí)調(diào)整凸膜毛坯位置，從而減少毛坯的損壞率，提高生產(chǎn)率。通過研究熱擠盂變形過程中應(yīng)力和應(yīng)變曲線，得出可行的熱擠壓工藝參數(shù)，可以縮短工藝的研發(fā)周期，同時(shí)為熱反擠壓工藝設(shè)計(jì)及設(shè)備選擇提供理論依據(jù)。

1 有限元模型的建立

借助三維設(shè)計(jì)制圖軟件SolidWorks建立凸膜、凹膜、坯料的幾何模型，并將模型的幾何信息轉(zhuǎn)化為DEFORM軟件可使用的數(shù)據(jù)格式（.STL），導(dǎo)入DEFORM-3D軟件中進(jìn)行物理模型的構(gòu)建，所有參數(shù)均依照實(shí)際工況選取。

1.1 毛坯的選取及有限元網(wǎng)格的劃分

實(shí)際生產(chǎn)所用坯料為圓臺形狀，大面直徑129mm，小面直徑122mm，高43mm，材質(zhì)為20號鋼。本次的鐓粗模型為軸對稱模型，劃分50000個(gè)網(wǎng)格，坯料起始溫度設(shè)定950℃。坯料網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 坯料網(wǎng)格劃分

1.2 上下模具的設(shè)定

上下模具按實(shí)際生產(chǎn)所用模具建立，上下模為剛體，上模下行速度10mm/s，最大壓力108N（即10000t），起始溫度設(shè)為50℃，環(huán)境溫度為30℃。通過一系列的設(shè)置，有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

2 反擠盂過程的有限元模擬分析

2.1 凸膜偏移對擠壓工藝的影響

凸膜在沖壓的過程中不可避免的會產(chǎn)生磨損，在力的作用下凸膜也會逐漸地偏離軸心，考慮到擠壓過程中凸膜的磨損與偏移會對結(jié)果造成影響，分別模擬凸膜偏移1mm、2mm、3mm時(shí)對擠壓結(jié)果造成的影響。

（1）毛坯、凸膜和凹膜呈軸對稱正放置時(shí)，毛坯與凹膜相切如圖2所示，擠壓結(jié)果如圖3（a）所示，仿真結(jié)果的左側(cè)高為103.93mm，右側(cè)高為103.72mm，距頂端10mm處左側(cè)壁厚為10.19mm，右側(cè)壁厚為10.17mm兩側(cè)呈對稱分布。

圖3 不同凸膜偏移下的仿真結(jié)果

（2）凸膜偏離軸心1mm時(shí)的仿真結(jié)果如圖3（b）所示，仿真結(jié)果的左側(cè)高為100.68mm，右側(cè)高為107.06mm，距頂端10mm處左側(cè)壁厚為9.31mm，右側(cè)壁厚為10.78mm。

（3）凸膜偏離軸心2mm時(shí)的仿真結(jié)果如圖3（c）所示仿真結(jié)果的左側(cè)高為96.85mm，右側(cè)高為108.91mm，距頂端10mm處左側(cè)壁厚為8.07mm，右側(cè)壁厚為11.84mm。

（4）凸膜偏離軸心3mm時(shí)的仿真結(jié)果如圖4（d）所示，仿真結(jié)果的左側(cè)高為92.23mm，右側(cè)高為113.26mm，距頂端10mm處左側(cè)壁厚為7.47mm，右側(cè)壁厚為12.94mm。

為了清晰地對比出結(jié)果，將擠壓數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)到如下表格中（如表1），圖4為不同凸膜偏移時(shí)高度差與壁厚差變化。

表1 擠壓結(jié)果統(tǒng)計(jì)

通過圖4可清晰地看出：隨著凸膜偏移程度的增加，盂子壁厚差逐漸增大，高度差逐漸增大，因此距離標(biāo)準(zhǔn)值也越來越遠(yuǎn)，質(zhì)量也越來越差，成為殘品。在凸膜偏移超過2mm時(shí)，模擬出的結(jié)果顯示盂子壁厚差較大，高度差較大，不再能用作下一步的模具，成為廢品。在生產(chǎn)過程中要及時(shí)地發(fā)現(xiàn)凸膜偏移量，及時(shí)地進(jìn)行校正，以免產(chǎn)生更多廢品。

圖4 不同凸膜偏移時(shí)高度與壁厚差變化

2.2 毛坯偏移對擠壓工藝的影響

實(shí)際生產(chǎn)過程中，當(dāng)毛坯偏離中心位置時(shí)，會產(chǎn)生一側(cè)靠在凹膜內(nèi)壁上的情況，與凹膜底面產(chǎn)生一個(gè)角度，如圖5所示，當(dāng)凸膜下壓時(shí)，毛坯會回到原來位置，因此不影響毛坯的正常擠壓，會隨著凸膜直接下壓下去，從而會造成毛坯的損壞，成形的盂子也是廢品，因此工人在放置毛坯的時(shí)候應(yīng)注意毛坯的位置，在確保毛坯擺放正確時(shí)，再啟動開關(guān)進(jìn)行擠壓。

圖5 毛坯傾斜放置時(shí)擠壓過程

2.3 凸膜下壓速度對擠壓工藝的影響

凸模下壓速度也是保證擠壓過程順利進(jìn)行的關(guān)鍵因素。擠壓速度的大小直接影響著生產(chǎn)率，因此在保證產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備承受能力的條件下，盡可能提高擠壓的速度。通常情況下，油壓機(jī)推動凸模的下壓速度為0.3m/min，而水壓機(jī)的下壓速度為0.5～0.8m/min，其鍛錘下壓速度為5～8m/s。選取不同的凸模下壓速度，分別取1mm/s、5mm/s、10mm/s，模擬計(jì)算和分析擠壓成形過程，得到不同下壓速度時(shí)凸模和擠壓件的載荷變化曲線，如圖6所示。從圖中可看出，凸模載荷隨著其下壓速度的增大而升高。

圖6 不同下壓速度時(shí)凸膜和擠壓件的載荷變化

為了量化研究材料在擠壓過程中變形區(qū)的情況，選擇坯料上節(jié)點(diǎn)p1進(jìn)行研究，選點(diǎn)示意圖如圖7所示，p1點(diǎn)坐標(biāo)為（275,100,220）。圖8、圖9為不同的擠壓速度下，節(jié)點(diǎn)p1應(yīng)力、應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系，灰色線為擠壓結(jié)束線。

圖7 選點(diǎn)示意圖

圖8 不同擠壓速度下應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系

圖9 不同擠壓速度下應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系

由圖8可知，等效應(yīng)力隨著擠壓的進(jìn)行不斷增大。當(dāng)擠壓速度為10mm/s，時(shí)間為4.05s時(shí)，成形結(jié)束，變形相對均勻，由圖9可知，在擠壓過程中隨著時(shí)間的增加，應(yīng)變值增加較快，隨著擠壓的進(jìn)行，節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變值隨擠壓的速度差別增大。

2.4 摩擦因數(shù)對擠壓工藝的影響

圖10所示為模具與毛坯之間摩擦系數(shù)不同時(shí)刻的擠壓力/行程曲線。從圖中可以看出，隨著摩擦系數(shù)的增加，擠壓力升高，因此會增大零件底部斷裂的可能性。在擠壓時(shí)，需要提高模具內(nèi)表面的表面質(zhì)量降低其粗糙度，在擠壓前進(jìn)行良好的模具表面潤滑，減小模具與工件之間的摩擦。通過模擬出來的結(jié)果顯示擠壓效果μ=0.2時(shí)最好，擠壓件底部圓角部分的應(yīng)變分布均勻。

圖10 不同摩擦系數(shù)時(shí)凸膜和擠壓件的載荷變化

3 應(yīng)力應(yīng)變分析

通過仿真軟件的模擬，可以模擬實(shí)際工作狀態(tài)，了解模具實(shí)際工作情況與相關(guān)應(yīng)力產(chǎn)生的位置，為設(shè)計(jì)時(shí)局部改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)提供依據(jù)，可以延長模具的使用壽命，圖11是從軟件中截取的坯料在擠壓過程中不同時(shí)刻的應(yīng)力云圖，可以清晰地看出坯料底部圓角處受力始終較大。

圖11 熱擠盂過程中坯料的應(yīng)力云圖

4 結(jié)語

（1）在凸膜偏移超過2mm時(shí)，模擬出的結(jié)果顯示盂子壁厚差較大，高度差較大，不再能用作下一步的模具，成為廢品。在生產(chǎn)過程中要及時(shí)地發(fā)現(xiàn)凸膜偏移量，及時(shí)地進(jìn)行校正，以免產(chǎn)生更多廢品。

（2）得出了最佳熱擠壓工藝參數(shù)：擠壓速度為10mm/s，摩擦因數(shù)為0.2。

（3）通過模擬可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)毛坯變形和受力的最大位置，預(yù)測模具可能發(fā)生嚴(yán)重磨損的地方，如毛坯底部圓角處，以此為依據(jù)可合理修改模具圓角外形及凹膜尺寸材質(zhì)，降低毛坯件的變形，解決模具磨損問題，提高模具使用壽命。