基于DEFORM-3D的柱塞冷擠壓成形質(zhì)量分析

李佳林，邵耿，郭斌

（1.四川瑞霆電力科技有限公司，成都 610000；2.四川坤成潤(rùn)科技有限公司，成都 610101；3.四川大學(xué)，成都 610065）

0 引言

為滿足液壓系統(tǒng)節(jié)能減材要求，液壓柱塞泵正朝著輕量化、結(jié)構(gòu)緊湊化方向發(fā)展。傳統(tǒng)的柱塞都是實(shí)心結(jié)構(gòu)，質(zhì)量較大，所需驅(qū)動(dòng)力也相應(yīng)增加，而且在制作工藝過(guò)程中，柱塞所使用的材料多，從而使其生產(chǎn)成本大幅增加，實(shí)心柱塞的容積效率比空心柱塞的容積效率更低。柱塞的好壞直接影響了液壓系統(tǒng)的工作性能，目前不少專家學(xué)者都對(duì)空心柱塞進(jìn)行了研究。例如，田奎等[1]通過(guò)對(duì)河南井下700型壓裂車在使用過(guò)程中柱塞失效模式進(jìn)行了研究，并根據(jù)失效原因?qū)χY(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，將一體化實(shí)心柱塞改為空心柱塞后，提高了柱塞的使用壽命。汪崎生等[2]研究了空心柱塞的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，得出了空心柱塞在油井液中下落的運(yùn)動(dòng)速度、間歇中流體的流速分布等參數(shù)，為實(shí)際應(yīng)用提供了理論依據(jù)。文獻(xiàn)[3]～[5]提出了利用冷擠壓技術(shù)，能夠有效提高成形零部件的疲勞壽命，改善其抗振等性能。在處理板件等變形過(guò)程技術(shù)中，主要的仿真平臺(tái)為DEFORM-3D，文獻(xiàn)[6]～[10]利用該平臺(tái)針對(duì)工件淬火、模具鈑金等成形過(guò)程變形進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[11]～[15]利用DEFORM-3D軟件分別對(duì)鋁合金蓄能器殼體、螺帽、花鍵軸、筒形件等進(jìn)行冷擠壓成形仿真分析，得出零件成形的理論參數(shù)，為同類結(jié)構(gòu)的零件成形提供借鑒。

本文研究了一種空心柱塞成形過(guò)程，著重分析了該柱塞材料成形中變化特點(diǎn)及相對(duì)性的應(yīng)力應(yīng)變情況。完成模擬后，零件充型完全，沒(méi)有裂紋等缺陷。研究結(jié)果為同類零件的工藝設(shè)計(jì)提供了重要的理論參考。

1 750空心柱塞成形工藝分析

1.1 冷擠壓分析

冷擠壓工藝主要應(yīng)用在汽車行業(yè)、軍工行業(yè)、高強(qiáng)度緊固件等。也是柱塞成形過(guò)程中重要的工藝手段，利用冷擠壓工藝，可以使毛坯發(fā)生變形進(jìn)而得到目標(biāo)零件。該方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）節(jié)約原材料。采用冷擠壓工藝，可以提高材料的利用率，無(wú)切屑或者少量切屑產(chǎn)生。2）提高力學(xué)性能。表面壓應(yīng)力提高疲勞強(qiáng)度，心部纖維流線分布，材料的強(qiáng)度增加，同時(shí)也省去了熱處理工序。3）能夠加工結(jié)構(gòu)復(fù)雜件。包括復(fù)雜的內(nèi)腔、齒、鍵槽等。4）降低零件成本。提高生產(chǎn)效率、零件使用率等。

1.2 750空心柱塞分析

為了降低柱塞的運(yùn)動(dòng)慣量，以提高效率和降低機(jī)械噪聲，空心柱塞在實(shí)際工程中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。750柱塞工藝流程如圖1所示：棒料經(jīng)過(guò)下料，粗車形成前段坯件和后段坯件，先經(jīng)過(guò)冷擠壓工藝得到前段、后段模型，再通過(guò)摩擦焊接組成柱塞組件，最后經(jīng)過(guò)精車、鉆孔及熱處理工藝等一系列處理得到柱塞成品。

圖1 750空心柱塞工藝流程圖

2 有限元模型及模擬條件的設(shè)定

2.1 模具的建立

本文主要研究柱塞前段擠壓成形過(guò)程，首先在INVENTOR中建立前段坯件、凸模、凹模、頂料桿的三維模型。前段坯件如圖2所示，凸模如圖3所示，凹模如圖4所示，頂料桿如圖5所示。再將三維模型導(dǎo)入DEFORM-3D環(huán)境中，如圖6所示。

圖2 前段坯件模型

圖3 凸模模型

圖4 凹模模型

圖5 頂料桿模型

圖6 基于DEFORM-3D環(huán)境的三維模型

2.2 材料參數(shù)

750柱塞的材料選用38CrMoAl，結(jié)構(gòu)如圖7所示。其他物理參數(shù)如表1所示。凸模、凹模材料采用CrMoV，頂料桿材料選用40Cr。凸模、凹模和頂料桿都被視為剛體，忽略其變形。

圖7 750空心柱塞零件圖

表1 750空心柱塞物理參數(shù)

2.3 網(wǎng)格劃分

有限元分析中，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接影響求解的效率和精度。本文對(duì)前段坯件的網(wǎng)格劃分，四面體網(wǎng)格數(shù)為10萬(wàn)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為25 016個(gè)，單元質(zhì)量達(dá)到0.962 057，如圖8所示。

圖8 前段坯件的有限元模型

2.4 運(yùn)動(dòng)參數(shù)及接觸設(shè)置

模具溫度與環(huán)境溫度相同，設(shè)置為20 ℃，凸模向下運(yùn)動(dòng)，速度為25 mm/s，凸模行程為60.55 mm，步長(zhǎng)為0.4 mm，設(shè)置步數(shù)為158步。此外，在仿真中，施加常剪切摩擦模型，其值為0.12。

3 仿真結(jié)果

3.1 擠壓結(jié)果分析

1）本文基于DEFORM-3D軟件對(duì)750空心柱塞的成形過(guò)程進(jìn)行有限元模擬分析。柱塞擠壓前后，根據(jù)材料的流動(dòng)，可以將前段冷擠壓過(guò)程分為充型凹模型腔、充型凸模型腔及凹模之間的型腔和充型完成等3個(gè)階段。

2）充型凹模型腔階段凸模向下運(yùn)動(dòng)，凸模與坯料上端面接觸，因此坯料受到向下的壓力，隨著凸模的進(jìn)給，坯料上端面開(kāi)始變形，第10步應(yīng)力視圖如圖9所示，材料流動(dòng)視圖如圖10所示。

圖9 第10步應(yīng)力視圖

圖10 第10步材料流動(dòng)視圖

3）充型凸模型腔及凹模之間的型腔階段凸模繼續(xù)向下進(jìn)給，坯料內(nèi)圈金屬沿著軸線向上流動(dòng)，第80步的應(yīng)力視圖與材料流動(dòng)視圖如圖11、圖12所示。

圖11 第80步應(yīng)力視圖

圖12 第80步材料流動(dòng)視圖

4）充型完成階段也是最終成形階段。此時(shí)坯料完全充滿型腔，多余金屬沿凸模流出，與凸模接觸，該階段凸模進(jìn)給量較小，型腔內(nèi)的金屬處于強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力的狀態(tài)，第158步的應(yīng)力視圖與材料流動(dòng)視圖如圖13、圖14所示。

圖13 第158步應(yīng)力視圖

圖14 第158步材料流動(dòng)視圖

3.2 擠壓結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)空心柱塞前段進(jìn)行有限元仿真：最大等效應(yīng)力為1040 MPa，如圖15所示；最大等效應(yīng)變?yōu)?.32 mm，如圖16所示；最大位移為51.2 mm，如圖17所示；最大載荷為270 t，如圖18所示。為實(shí)際生產(chǎn)提供理論參考，在機(jī)械領(lǐng)域?qū)嶋H生產(chǎn)中，取1.5的安全系數(shù)時(shí)，能夠得出500 t的壓力機(jī)能夠滿足實(shí)際加工需求。

圖15 最大等效應(yīng)力圖

圖16 最大等效應(yīng)變圖

圖17 最大位移圖

圖18 載荷分布情況

4 結(jié)論

本文對(duì)某空心柱塞成形過(guò)程進(jìn)行了仿真分析，基于DEFORM-3D平臺(tái)，分析了其材料變化及零件應(yīng)力應(yīng)變情況，分析結(jié)果為同類零件設(shè)計(jì)提供了重要的參考，主要得出以下結(jié)論：1）在空心柱塞數(shù)值模擬成形過(guò)程中，金屬流動(dòng)清晰可見(jiàn)，流動(dòng)順利、分流合理，無(wú)成形缺陷產(chǎn)生，說(shuō)明冷擠壓工藝合理，具有可行性。2）仿真過(guò)程中基于DEFORM平臺(tái)展現(xiàn)了柱塞材料流動(dòng)規(guī)律及零件應(yīng)力應(yīng)變情況。仿真結(jié)果數(shù)字化展現(xiàn)了加工工藝過(guò)程，為減少產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)時(shí)間、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案等提供了可能性。3）結(jié)果驗(yàn)證了冷擠壓成形空心柱塞工藝方案的可行性，同時(shí)為模具等同類零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了重要的參考依據(jù)。