液壓擠壓毛坯過程特點

蔡徐偉，唐麗琴，許守貴，趙峰冰，王佳佳，馮楊

工業(yè)中越來越多使用低塑性和難變形金屬及其合金。除了規(guī)定的幾何參數(shù)和必需的力學性能外，還應該具有光潔表面。在壓力加工過程中，這些材料黏附在模具上，造成材料變形不均，在制造零件表面形成缺陷。

現(xiàn)在有一系列方法減少變形工藝不均勻性：減小模具工作表面接觸摩擦影響，補充處理毛坯表面等。由于變形材料和模具間有潤滑層隔開，能夠降低外摩擦影響。這個方法在液體擠壓中應用，為的是降低擠壓應力并提高模具壽命。在《鍛模設計技術及實例》中說明了在積極摩擦力作用下，提高金屬塑性并保證變形均勻性。在擠壓周期終了，當擠壓零件突發(fā)事故時，擠壓行程不可控性是液壓擠壓缺陷之一。為了提高毛坯在變形過程中位移的可操作性，采用液力擠壓方法，計算在擠壓中高壓液體作用的壓力和機械力。

1.工作目的

由于潤滑層厚度對毛坯應力—應變狀態(tài)力能參數(shù)有巨大影響，選擇最佳潤滑層厚度順利實施液壓擠壓是非常必要的。

現(xiàn)在工作的目的：研究進行液體擠壓時力能參數(shù)和毛坯潤滑層厚度；以保證降低擠壓力并沿著毛坯截面降低變形不均。給出兩個擠壓過程工程分析比較舉例：通常正擠壓和液體擠壓（見圖1）。其中模擬材料選擇硬鋁2A12。

2.過程分析

使用整套模擬軟件DEFORM—2D對正擠壓和液力擠壓進行模擬，以確定軸對稱毛坯在室溫20℃下等溫擠壓力。擠壓桶直徑Dj=30mm，凹模口工作帶直徑10mm。

在DEFORM2D整套基本數(shù)據(jù)庫里沒有2A12抗拉強度曲線，所以據(jù)其物理—力學性能選擇了相近國外類似鋁合金—2024，數(shù)據(jù)庫中有其強度曲線。有關文獻給出潤滑材料流變性能。

毛坯正擠壓模擬時劃分成1500個元素，而在液體擠壓和潤滑層厚度模擬時對應分成1000個和500個單元。模擬時使用設備為液壓機，凸模位移速度0.1mm/s。在液體擠壓時使毛坯和擠壓桶對應半徑Rm和Rj變形。擠壓力和變形節(jié)距關系如圖2所示。

正擠壓過程模擬結果對應該過程的典型曲線如圖2a所示。按照變形規(guī)范建立壓力為29.5kN。

對應半徑比Rm/Rj=0.8的條件下液力擠壓過程可以分成兩個階段：第一階段毛坯在凹模中發(fā)生變形，擠壓力33kN；第二階段為設定規(guī)范過程出口，擠壓力降低到25kN（見圖2b）。同時，毛坯在變形區(qū)域第二階段減小了變形，潤滑層的流動開始超過毛坯表面層的流動，因此，擠壓過程具有積極摩擦力的作用。圖2b（進入凹模錐形部分）直徑截面變形開始區(qū)域，毛坯與潤滑層有個分離界面。

在Rm/Rj=0.85條件下，液力擠壓過程增加了毛坯在凹模中擠壓持續(xù)性，與正擠壓相比，按設定規(guī)范擠壓力降低到27.5kN（見圖2c）。潤滑層流動速度甚至超過毛坯表層流動速度，產生了積極摩擦力。

圖1 擠壓實例

在Rm/Rj=0.9條件下，液力擠壓過程增加了毛坯在凹模中擠壓的持續(xù)性。與正擠壓相比，按設定規(guī)范擠壓力降低到29kN（見圖2d）。但在此情況下，潤滑層的流動速度略低于毛坯表層流動速度。因此，在第二階段擠壓力得到增加（凹模頂出工件完成）。這可通過毛坯變形區(qū)域擴大和毛坯進入凹模錐形區(qū)域前就被吸入變形區(qū)域來解釋（見圖2d右側箭頭所示）。

分析所獲得毛坯截面應力分布圖模擬結果可得出：在規(guī)定變形規(guī)范條件下，在Rm/Rj=0.9時，液力擠壓零件表面將形成裂紋。出現(xiàn)那樣缺陷的同時，在按規(guī)范擠壓時毛坯表層金屬的位移速度低于中心。擠壓件表層就會出現(xiàn)拉應力和毛坯心部的金屬爆裂。

為消除所指出的缺陷和提高零件質量，提出降低擠壓速度或安裝輔助凹模以阻止過大的拉應力值，保證必需的阻力以消除形成類似缺陷。第一種方法缺陷是降低了擠壓過程的生產率并保存了變形不均的缺點；而第二種方法提高了模具裝備的復雜性。且研究了與潤滑劑厚度有關的沿著毛坯各種截面不均勻變形過程。最小不均勻變形在液力擠壓條件下半徑的比值Rm/Rj=0.85，最大是在常規(guī)正擠壓條件下。在變形最小不均判據(jù)基礎上確定潤滑層的最佳厚度。

3.結語

（1）在規(guī)范內，液力擠壓力比常規(guī)正擠壓時低，這是以合適應力應變狀態(tài)和在液力擠壓時有積極摩擦力作用為前提。

（2）為了降低低塑性金屬變形時形成表面裂紋的概率，建議使用雙重凹模：基本變形和補充變形+整形。

（3）在最小化曲線應用的基礎上及壓力和缺陷變形顯示，在液力擠壓時潤滑層的最佳厚度在半徑比Rm/Rj=0.85。

圖2 正擠壓和液體擠壓下擠壓力與變形節(jié)距關系