實體保持架等溫擠壓成形中損傷的數值模擬

趙亮宇，郭俊卿,2，李 冰，郭俊磊,汪慶瑞

(1.河南科技大學 材料科學與工程學院，河南 洛陽 471003；2.河南省有色金屬材料科學與加工技術重點實驗室，河南 洛陽 471003)

等溫塑性成形是生產軸承實體保持架的一種新工藝，具有生產效率高、材料利用率高等優點，而且可提高軸承的承載能力，延長使用壽命，降低加工成本[1-2]。金屬件在等溫成形中一般不會出現大規模的損傷，但在成形工藝參數或模具結構不合理時，制件也容易出現損傷甚至產生裂紋，從而導致制件報廢。計算機技術和有限元技術的發展使得對金屬成形中損傷的數值模擬成為可能[3-5]。以有限元軟件DEFORM-3D作為工具，對鉛黃銅保持架等溫擠壓成形中的損傷進行了模擬，分析了損傷的分布及損傷源的位置。通過優化成形工藝參數與模具結構，降低了損傷程度。

1 等溫擠壓成形工藝

軸承實體保持架加工一般采用機械加工工藝，為進行塑性加工，根據等溫成形工藝特點對保持架結構進行了優化。優化后的結構如圖1所示，該結構去掉了專用鉚釘，采用自帶鉚釘結構，不僅可有效提高鉚接強度，同時也便于擠壓成形。

圖1 自帶鉚釘加強型保持架

該實體保持架采用鉛黃銅環形毛坯，其外徑為164 mm，內徑136 mm，高度17 mm。試驗設備采用YB32-100A四柱式萬能液壓機。采用電阻爐加熱并用控溫儀控溫，將毛坯及模具加熱到預定溫度并保溫后進行等溫擠壓。為減少模具型槽表面磨損和金屬流動阻力以及使擠壓件易于從型槽內脫出，擠壓過程中采用水基石墨作為潤滑劑。

2 數值模擬

2.1 幾何模型

在利用有限元DEFORM軟件進行損傷模擬前，首先通過UG建立擠壓凸模、凹模及毛坯的三維模型(圖2)，并以STL格式文件導入DEFORM-3D中進行裝配。由于保持架毛坯和成形制件具有對稱性，為提高數值模擬效率，取毛坯的1/26進行模擬[6]。

圖2 等溫擠壓模具模型

2.2 損傷臨界值

3 結果與分析

3.1 損傷分布區域

圖3所示為成形溫度660 ℃，成形時間120 s，擠壓行程分別為4和12 mm時的損傷分布圖。從圖中可知：在擠壓的初始階段，梁根部特別是梁與底蓋結合處損傷較大；隨著金屬的流動，損傷延伸至梁中上部，且梁棱邊處損傷很大，實際擠壓過程中可以通過觀察此處是否出現裂紋來判斷成形質量。

圖3 擠壓行程為4和12 mm時的損傷分布

3.2 成形溫度和時間對損傷的影響

成形時間分別為15，30，60和120 s時制件的損傷體積分數如圖4所示。從圖中可知：保持架最終成形時的損傷體積分數隨溫度的上升和總成形時間的延長而下降，且溫度在600 ℃以上，總成形時間大于30 s時損傷很小，保持架成形質量較好。制件有無裂紋基本上是以損傷體積分數為4%的等高線為分界，可將該值作為判別是否會出現裂紋的依據。

圖4 損傷與溫度、時間的關系曲線

表1為試驗及生產中在不同溫度和成形時間下保持架出現裂紋情況，可知溫度低于600 ℃或成形時間小于30 s時容易產生裂紋，這與數值模擬結果相吻合。

表1 試驗中裂紋出現的條件

3.3 模具結構的影響與優化

3.3.1 梁根部倒角對損傷的影響

梁根部是損傷增長較快的部位，原因是此處金屬流動速度和方向均發生劇烈的變化，可通過在凹模的相應部位增加圓弧倒角的方法來減緩速度變化梯度。梁根部增加倒角前、后制件的等效應變速率如圖5所示，平均等效應變速率由0.005 30 s-1減小至0.003 69 s-1，有利于提高制件的成形性能。擠壓完成后可以用機械加工方式將多余部位去掉，這樣雖然工時有所增加，材料利用率有所下降，但可以大大提高成品率,且在梁根部增加圓角后金屬流動性得以改善，從而可提高制件的擠壓速度。

圖5 梁根部倒角前、后的等效應變速率

倒角半徑對改善成形性能和降低成形載荷有較大影響。圖6為凹模倒角半徑分別為1，3和5 mm時的平均等效應變速率與最大載荷曲線，由圖可知：平均等效應變速率隨倒角半徑的增大而減小，由于等效應變速率減小，使得總體受力得到改善，進而使最大成形載荷減小。

圖6 倒角半徑對等效應變速率與載荷的影響

3.3.2 梁棱邊倒角對損傷的影響

由于梁棱邊尖角處表面積較大，摩擦力的作用使得該處損傷較為嚴重[8]。要采取措施減小此處的應力集中，方法之一是在梁棱邊尖角處增加過渡圓角。圖7為梁棱邊處未增加倒角和增加半徑為0.5 mm倒角時的損傷分布圖，從中可知：增加倒角可以較大幅度地減小棱邊的損傷，從而降低此處裂紋產生的可能。

圖7 梁棱邊處有、無倒角時的損傷

4 結束語

(1)通過對軸承實體保持架超速擠壓中的損傷分布規律進行分析，表明損傷最嚴重的區域位于保持架梁根部和梁棱邊尖角處，同時也是損傷增長最快的部位，是最重要的損傷源。

(2)分析了等溫擠壓時間、成形溫度對損傷的影響，當溫度在600 ℃以上，總擠壓時間大于30 s時損傷較小。

(3)模具結構對損傷產生有一定影響，在梁根部及棱邊處增加倒角可以減小損傷，從而減小此處產生裂紋的可能。