基于數(shù)值模擬的起動(dòng)導(dǎo)向筒異形腔成形工藝

江蘇森威集團(tuán)有限責(zé)任公司 (大豐 224100) 楊 進(jìn)

鹽城工學(xué)院 （江蘇 224051） 王 平

汽車起動(dòng)導(dǎo)向筒是汽車起動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵零部件，如圖1所示。其上部為異形型腔，下部為螺旋漸開線內(nèi)花鍵，采用切削工藝加工，效率低，成本高，內(nèi)在質(zhì)量差，已遠(yuǎn)不能滿足汽車生產(chǎn)廠家對(duì)零件的性能要求。

圖1 起動(dòng)導(dǎo)向筒

本文針對(duì)起動(dòng)導(dǎo)向筒上部異形型腔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)提出了一次性反擠壓成形方法，基于DEFORM－3D軟件進(jìn)行成形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，通過(guò)模擬獲得了材料流動(dòng)、速度場(chǎng)、應(yīng)力和應(yīng)變場(chǎng)的分布規(guī)律以及載荷－行程曲線。經(jīng)可視化分析較好地預(yù)測(cè)成形過(guò)程可能產(chǎn)生的缺陷（如角部充不滿、折疊、回流和斷裂等），并在此基礎(chǔ)上對(duì)成形工藝進(jìn)行完善。

1.成形工藝描述

起動(dòng)導(dǎo)向筒上部異形型腔的精度為IT7～I(xiàn)T8級(jí)，根據(jù)導(dǎo)向筒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)研究分析，我們確定該導(dǎo)向筒工藝流程為：

下料→剝皮→球化退火→拋丸→前處理→正擠壓→墩粗→鉆孔→球化退火→拋丸→前處理→反擠壓型腔（見(jiàn)圖2）。

2.有限元分析

（1）幾何模型的建立 由于DEFORM－3D不具備幾何建模功能，所以三維幾何模型要在其他三維軟件中建立。本文使用UGNX軟件進(jìn)行幾何建模，并將其存儲(chǔ)為.STL格式。圖3a為擠壓前的毛坯圖，圖3b、圖3c分別為凸模、凹模的三維幾何模型。

圖2 冷擠壓工藝圖

圖3 有限元分析幾何模型

（2）數(shù)值模擬參數(shù)的選擇 根據(jù)分析要求，確定數(shù)值模擬參數(shù)為：成形溫度20℃，沖頭擠壓速度12mm/s，摩擦系數(shù)0.12，網(wǎng)格單元173801，毛坯材料AISI－steel－5120。鑒于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，去1/2作為分析對(duì)象。

（3）壓力行程曲線 由壓力－行程曲線圖4的分布可以看出，擠壓初期金屬開始填充模腔，擠壓力增加較快（A點(diǎn)前）；當(dāng)金屬即將填充滿模腔時(shí)，擠壓進(jìn)入基本穩(wěn)定狀態(tài)（A點(diǎn)到B點(diǎn)），這時(shí)擠壓力波動(dòng)較小，最大擠壓力約為1570kN。

（4）等效速度場(chǎng)分析 圖5為金屬流動(dòng)等效速度圖。從圖中我們可發(fā)現(xiàn)在擠壓初期材料變形速率較大，進(jìn)入基本變形階段時(shí)，材料僅發(fā)生剛性平移，變形區(qū)的流動(dòng)速率幾乎相同，沒(méi)有發(fā)生突變，金屬充填順利。

（5）等效應(yīng)變場(chǎng)分析 圖6為金屬流動(dòng)等效應(yīng)變圖。圖中顯示最大應(yīng)變發(fā)生在沖頭與坯料接觸的底部，隨著沖頭下壓量的增加，上部的等效應(yīng)變有所降低，應(yīng)變變化均勻。

圖4 壓力－行程曲線

圖5 等效速度場(chǎng)

圖6 等效應(yīng)變場(chǎng)

3.結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用DEFORM軟件對(duì)汽車起動(dòng)導(dǎo)向筒成形過(guò)程進(jìn)行模擬，能較好地獲得成形過(guò)程中金屬流動(dòng)及成形力等變化規(guī)律，實(shí)際應(yīng)用中，金屬塑性成形良好，表面無(wú)明顯缺陷，成形件達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。