張一兵，朱磊，任杰

（1.南陽(yáng)理工學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473004；2.上海電機(jī)學(xué)院，上海 201306)

1 前言

冷擠壓技術(shù)作為冷鍛技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，在一些變形量較大，形狀較為復(fù)雜的零件的生產(chǎn)中越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外廠商的青睞。對(duì)于冷擠壓成形來(lái)說(shuō)，最重要的是如何控制金屬的變形情況，同時(shí)還要避免零件產(chǎn)生裂縫裂紋、死區(qū)、表面不完整、擠壓縮孔等缺陷。冷擠壓生產(chǎn)出的零件無(wú)須再進(jìn)行機(jī)械加工或者只需要進(jìn)行少量的機(jī)械加工，不僅節(jié)能環(huán)保而且還使零件達(dá)到了凈成形或近凈成型的效果，這是一般的加工方法所無(wú)法達(dá)到的。冷擠壓技術(shù)在二戰(zhàn)后廣泛發(fā)展起來(lái)，日本在1933年制造出了第一臺(tái)精壓機(jī)，隨著汽車(chē)工業(yè)的快速增長(zhǎng)，日本又陸續(xù)制造出了多個(gè)系列的壓力機(jī)，在零件精度方面也有了較大的突破。我國(guó)冷擠壓技術(shù)的起步時(shí)期與日本差不多，但我國(guó)由于未能從根本上解決工藝問(wèn)題，致使在該項(xiàng)技術(shù)的前進(jìn)道路上漸漸落后于日本。近年來(lái)，隨著該項(xiàng)技術(shù)的快速發(fā)展，再加上我國(guó)學(xué)者在該項(xiàng)技術(shù)上的不斷探索，到目前為止，在冷擠壓件的生產(chǎn)上已經(jīng)達(dá)到與國(guó)外相當(dāng)?shù)乃健｝埨囊环N法蘭軸零件的材料以及結(jié)構(gòu)特性出發(fā)，分析了其擠壓工藝性。他將冷鐓工藝與冷擠工藝相結(jié)合設(shè)計(jì)了該種零件的生產(chǎn)工藝，并簡(jiǎn)要概述了這種零件模具的工作過(guò)程。坯料的磷化與潤(rùn)滑的效果對(duì)最終冷擠壓件的品質(zhì)至關(guān)重要。舊式的磷化皂化潤(rùn)滑方法存在不環(huán)保、操作難、浪費(fèi)工時(shí)等諸多弊端，河南科技大學(xué)方泉水團(tuán)隊(duì)針對(duì)冷擠壓技術(shù)研究了一種新型高分子潤(rùn)滑劑，補(bǔ)足了傳統(tǒng)潤(rùn)滑方法的短板，提升了整體的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。鐘江濤利用Deform-3D模擬仿真軟件通過(guò)研究金屬的流動(dòng)情況解決了花鍵套零件在擠壓過(guò)程中出現(xiàn)的斷裂問(wèn)題。隨著汽車(chē)廣泛使用，特別是擠壓相較于傳統(tǒng)機(jī)加工，不僅節(jié)省原材料而且省時(shí)省力，大大地減少了企業(yè)的生產(chǎn)成本，這些因素都將在很大程度上推動(dòng)冷擠壓技術(shù)前行。

2 零件及成形工藝分析

2.1 零件分析

安全帶卷收器結(jié)構(gòu)件(以下簡(jiǎn)稱(chēng)零件)如圖1所示。零件整體為軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，總高度54mm，兩端是2個(gè)不標(biāo)準(zhǔn)齒輪形頭部，一端齒輪高度5mm，另一端齒輪高度為12mm，2頭齒輪齒頂圓直徑均為?14.8mm，齒根圓直徑均為?12.6mm，其中較高的一端的齒輪從端部開(kāi)總深度為8mm的階梯孔，孔內(nèi)部的階梯上還有4個(gè)圓弧狀的扇形臺(tái)階，臺(tái)階高度為0.6mm。用SolidWorks對(duì)擠壓凸模、凹模以及毛坯進(jìn)行三維建模并進(jìn)行裝配，然后保存為STL格式文件并導(dǎo)入Deform軟件，設(shè)置模擬參數(shù)建立有限元模型。零件材質(zhì)在有限元仿真軟件里面選用ALUMINUM-5052[70-90F(20-480C)]鋁合金。

圖1 零件概況

圖2 為擠壓過(guò)程中各階段的變形情況，首先對(duì)坯料進(jìn)行減徑，坯料進(jìn)行減徑的部分直徑由?12變成?8.8，留有7mm的不減徑部分用來(lái)成形短頭齒輪，短頭齒輪成型后對(duì)坯料進(jìn)行鐓粗，直到鐓粗部分的體積和大頭齒輪的體積相等才算鐓粗完成，經(jīng)計(jì)算該階段參與鐓粗的高度為30mm，將尾部鐓出高12mm的“鼓”形。接著在下一工位擠大頭齒輪芯部的階梯孔結(jié)構(gòu)，同時(shí)成形齒輪，這一工位結(jié)束時(shí)零件完全成形。

圖2 成形方案

2.2 模擬過(guò)程分析

首先設(shè)定模擬參數(shù)，采用絕對(duì)網(wǎng)格劃分法對(duì)坯料網(wǎng)格進(jìn)行劃分，設(shè)置最小的網(wǎng)格尺寸為0.3mm，最終生成的體網(wǎng)格數(shù)為89324。坯料、模具的初始溫度設(shè)為20℃，由于坯料在擠壓過(guò)程中需要變形，因此將坯料的體類(lèi)型設(shè)為塑性體，因?yàn)椴豢紤]在擠壓過(guò)程中模具的受力與變形，因此將模具設(shè)為剛性體。對(duì)于這種大批量生產(chǎn)的小型零件，在工廠實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中通常生產(chǎn)速度較快，這也意味著模具工作時(shí)具有較快的擠壓速度，因此將擠壓凸模的下壓速度設(shè)為200mm/s，擠壓凸模與毛坯、毛坯與凹模之間的摩擦類(lèi)型均為剪切摩擦，摩擦因子為0.12。除此之外，零件整體呈1/4對(duì)稱(chēng)，因此在模擬前處理時(shí)還需要設(shè)置1/4料的2個(gè)矩形面為對(duì)稱(chēng)邊界。如圖3所示為金屬變形時(shí)的流動(dòng)速度場(chǎng)。

圖3 變形速度場(chǎng)

減徑時(shí)金屬的流動(dòng)方向和擠壓凸模的運(yùn)動(dòng)方向一致，減徑過(guò)程中金屬流動(dòng)呈現(xiàn)規(guī)律性，流動(dòng)較為平穩(wěn)，整個(gè)過(guò)程中未出現(xiàn)折疊現(xiàn)象。第二階段由于已經(jīng)減徑部分的金屬流動(dòng)受到限制，和擠壓凸模接觸一端的金屬在擠壓力的作用下充滿(mǎn)型腔。整個(gè)過(guò)程金屬流動(dòng)平穩(wěn)，除減徑外其他階段金屬流動(dòng)距離均較短，在成形某一部位時(shí)由于其他部位有模具限制，該部位金屬的流動(dòng)能夠使該部位的金屬型腔填充更加飽滿(mǎn)，使零件的表面質(zhì)量更加完好。

從模擬的等效應(yīng)力云圖中可以看出零件在成形過(guò)程中的受力范圍與受力大小，圖4為成形過(guò)程中的應(yīng)力分布狀態(tài)。

圖4 等效應(yīng)力云圖

從應(yīng)力分布云圖來(lái)看，減徑階段倒角部位的應(yīng)力比較集中，這是因?yàn)槊鲝牡菇翘幗孛娲笮￠_(kāi)始發(fā)生變化，而且毛坯表面與模具側(cè)壁的摩擦也會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，這些部位也是在擠壓過(guò)程中容易出現(xiàn)死區(qū)的一個(gè)部位。之后應(yīng)力主要集中在零件的2頭，在減徑之后，主要的變形部位就是兩頭的齒輪，而且在成形齒輪時(shí)，雖然金屬流動(dòng)平穩(wěn)，但金屬流動(dòng)情況復(fù)雜，而且加工硬化也會(huì)使材料的變形抗力增加，再加上齒輪結(jié)構(gòu)的尺寸較小金屬不易充滿(mǎn)，需要很大的冷擠壓力，因此造成應(yīng)力集中。

等效應(yīng)變主要用來(lái)反映材料塑性變形的程度，也可用來(lái)反映金屬的變形程度。在成形時(shí)桿部的應(yīng)變值大小大約為2mm/mm，變形區(qū)主要出現(xiàn)在參與減徑的桿部，而芯部的應(yīng)變值較小，未參與變形部位的金屬應(yīng)變值幾乎為0，如圖5所示。在成形大頭齒輪時(shí)該部位應(yīng)變達(dá)到最大，該部位也是最后一階段的主要變形區(qū)，應(yīng)變大小大約為3mm/mm，接近坯料成形時(shí)金屬的變形量，由于該部位是用2個(gè)模具成形的，而且等效應(yīng)變的分布情況與等效應(yīng)力分布情況基本吻合，觀察整個(gè)成形過(guò)程可以看出應(yīng)變都是從中心向表面逐漸擴(kuò)大。模具之間存在間隙，故此處在實(shí)際生產(chǎn)中可能會(huì)有毛刺產(chǎn)生。

圖5 等效應(yīng)變?cè)茍D

3 結(jié)語(yǔ)

本文利用Defor m-3D數(shù)值模擬軟件對(duì)零件的成形方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，從模擬結(jié)果可以看出在減徑時(shí)，等效應(yīng)力主要集中在倒角處，應(yīng)變則在變形區(qū)域的桿部較為明顯。在整個(gè)成形過(guò)程中，應(yīng)力主要集中在發(fā)生變形的地方，當(dāng)其部位由于模具而限制金屬流動(dòng)時(shí)，雖然也受三向壓應(yīng)力但是不產(chǎn)生應(yīng)力集中或者是應(yīng)力集中較小，除此之外，每一階段的等效應(yīng)變大小從內(nèi)到外逐漸增加。最終通過(guò)多組工藝對(duì)比、模擬、驗(yàn)證確定了該成形方案可行，對(duì)類(lèi)似零件的冷擠壓成型工藝有參考作用。