李兵，張春 ,2

（1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院 材料工程系，湖北十堰442002；2.西安交通大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，陜西西安710049）

冷擠壓工藝是一種高精、高效、優(yōu)質(zhì)低耗的先進(jìn)生產(chǎn)工藝技術(shù)，較多應(yīng)用于中小型鍛件規(guī)?；a(chǎn)[1]。冷擠壓工藝復(fù)雜，影響因素多，傳統(tǒng)的冷擠壓工藝參數(shù)的制定一般通過試制以確定所用的成形方法是否可行，這是一個(gè)試錯(cuò)的過程，需要工藝制定者有大量的經(jīng)驗(yàn)，需要大量的人力、物力、財(cái)力，成本高，周期長[2]。利用有限元模擬對冷擠壓成形過程進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真模擬分析，可以對多種不同的工藝方案進(jìn)行預(yù)測分析，優(yōu)化模具和工藝設(shè)計(jì)選擇合理的工藝方案，還可以預(yù)測成形過程中可能出現(xiàn)的各種工藝缺陷和質(zhì)量缺陷[3]。要得到高質(zhì)量冷擠壓工藝參數(shù)數(shù)值，必須解決的關(guān)鍵問題是要知道那些參數(shù)最主要，那些參數(shù)次之。應(yīng)該仔細(xì)檢驗(yàn)關(guān)鍵參數(shù)而不是非關(guān)鍵參數(shù)，因而需要大量精力和金錢來得到關(guān)鍵參數(shù)。

本文采用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)正擠壓模擬方案。確定模擬方案后，利用DEFORM進(jìn)行模擬，對模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，然后再對無量綱化處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，最后按照回歸分析的結(jié)果對冷擠壓工藝作輸出參數(shù)對輸入?yún)?shù)的靈敏度分析。

1 冷擠壓工藝有限元模擬

以典型冷擠壓零件導(dǎo)電桿為例，導(dǎo)電桿三維模型如圖1所示，導(dǎo)電桿材料為AL1100，采用正擠壓工藝。根據(jù)冷擠壓工藝參數(shù)設(shè)計(jì)理論確定輸出參數(shù)是等效應(yīng)變、等效應(yīng)變速率、等效主應(yīng)力、最大主應(yīng)力和擠壓力，輸入?yún)?shù)是摩擦系數(shù)、凹模錐角、毛坯高徑比和擠壓速度。

1.1 有限元模擬方案

根據(jù)冷擠壓理論和工藝設(shè)計(jì)常用經(jīng)驗(yàn)工藝參數(shù)數(shù)值，設(shè)計(jì)有限元模擬的輸入?yún)?shù)的取值：

1）摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)被設(shè)定為從0.2～0.35，由小到大經(jīng)過4次等間距增加，每次增加的值為0.075。

2）毛坯高徑比根據(jù)正擠壓零件導(dǎo)電桿零件圖尺寸，取圓柱形毛坯，其橫斷面尺寸等于凹模孔尺寸，這樣有利于降低工件的變形不均勻程度，考慮到要擠壓出零件，毛坯高徑比范圍為2～2.6，由小到大經(jīng)4次等間距增加，間距為0.3。

3）凹模錐角 凹模錐角 α為60°～180°，從小到大經(jīng)4次等間距增加，間距取為30°。

4）擠壓速度根據(jù)導(dǎo)電桿材料為AL1100，考慮到擠壓變形力不能過高，同時(shí)要提高生產(chǎn)效率，因此取擠壓速度為10～40mm·s-1，從小到大經(jīng)4次等間距增加，間距為7.5mm·s-1。

輸入?yún)?shù)有4個(gè)，每個(gè)輸入?yún)?shù)都是0～4的水平，具體的模擬方案如下：先取每個(gè)參數(shù)的最小值和最大值，即第1個(gè)水平和最后一個(gè)水平來進(jìn)行全組合，有24＝16種。首先按這種全組合來模擬，由這種端值模擬可以確定模擬數(shù)據(jù)的量程，即16次模擬中每個(gè)變量最大值與最小值之差。然后取每個(gè)參數(shù)的中間水平值來進(jìn)行1次模擬。最后一個(gè)因素分別和中間參考數(shù)值進(jìn)行組合模擬，首先，只取第1個(gè)參數(shù)中除最小值最大值和中點(diǎn)值之外的水平值，將第2～4個(gè)參數(shù)的中間值固定住，這樣共有2種組合進(jìn)行模擬，依次每個(gè)參數(shù)都將其余的參數(shù)中點(diǎn)值固定，只取該參數(shù)中除最大最小值和中點(diǎn)值之外的水平來組合，共有2×4種組合。

上述所有模擬完成之后，可得到總模擬次數(shù)為

詳細(xì)模擬方案如表1所示。

表1 冷擠壓模擬方案表

1.2 有限元模型的建立

導(dǎo)電桿是采用冷擠壓成形的，忽略溫度的變化，模具都使用剛體模型，重點(diǎn)考慮工件的塑性變形。導(dǎo)電桿材料選用AL-1100，冷擠壓零件導(dǎo)電桿的模擬模具簡化為凸模、凹模，避免大量的模具設(shè)計(jì)工作，其余參數(shù)的設(shè)定如摩擦系數(shù)、擠壓速度需根據(jù)模擬方案要求來設(shè)定。建立模擬的幾何模型。建立有限元模擬需要重點(diǎn)關(guān)注坯料網(wǎng)格劃分的問題，采取10000個(gè)網(wǎng)格劃分。進(jìn)而模擬步數(shù)設(shè)定為50，模擬步設(shè)定采用時(shí)間增量模式,其值為總的凸模下行距離除以擠壓速度再除以總的模擬步數(shù)。有限元模型示意圖如圖2所示。

圖1 工件圖

圖2有限元模型示意圖

1.3 模擬結(jié)果

根據(jù)模擬方案進(jìn)行有限元模擬，得到每一次模擬結(jié)果的輸出參數(shù)的數(shù)值。

2 靈敏度分析

將上述25次模擬得到的數(shù)據(jù)，做無量綱化處理使所有參數(shù)處于同一平臺(tái)，消除量綱影響。無量綱化處理結(jié)果可見表2。

無量綱化處理的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行多元線性回歸分析處理，以便分析輸入對輸出的靈敏梯度（回歸系數(shù)）[4]，進(jìn)行線性回歸分析后，用Excel作出輸入對輸出的柱狀圖，如圖3所示。從圖3中得知，對輸出影響最關(guān)鍵的輸入因素是毛坯高徑比和凹模錐角，摩擦因子有一定影響。

圖3 輸出參數(shù)對輸入?yún)?shù)的靈敏度

表2 正擠壓模擬無量綱化處理后的數(shù)據(jù)

3 結(jié) 論

1）在冷擠壓時(shí)，對輸出（等效應(yīng)變、等效應(yīng)變速率、等效主應(yīng)力、最大主應(yīng)力和擠壓力）影響最關(guān)鍵的輸入因素是毛坯高徑比其靈敏度在0.5左右，以及凹模錐角其靈敏度在0.21左右，相比這2個(gè)因素，擠壓速度對輸出都不敏感，其靈敏度在0.02左右，可以忽略不考慮。2）在擠壓過程中，摩擦因子對輸出參數(shù)有一定影響，其靈敏度在0.09左右。3）采用靈敏度分析的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法大大提高工藝制定的效率，降低工藝制定的成本。

[1]洪涂澤.冷擠壓工藝及模具設(shè)計(jì)[M].合肥：安徽科學(xué)技術(shù)出版社，1985.

[2]張珂,臧順來,郭成.板料彎曲成形數(shù)值模擬參數(shù)敏感性分析[J].鍛壓技術(shù)，2007，32（2）∶126-129.

[3]蘭箭，李兵，李昶.冷擠壓工藝設(shè)計(jì)CAPP系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用[J].熱加工工藝，2009,38（15）∶69-72.

[4]Douglas C.Montgomery.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析[M].北京：中國統(tǒng)計(jì)出版社，1998.