基于DeForm-3D冷縮徑過(guò)渡錐面冷整形工藝研究

劉百宣，王瑞，覃壽同，劉華

（1.鄭州大學(xué)，鄭州450001;2.河南師范大學(xué)新聯(lián)學(xué)院，鄭州451464;3.鄭州機(jī)械研究所，鄭州 450001）

金屬冷縮徑技術(shù)具有成形力小、模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、模具壽命高、成形尺寸精度高等優(yōu)點(diǎn)，在各類(lèi)軸類(lèi)件的冷精密成形工藝中獲得廣泛應(yīng)用。冷縮徑工藝不僅可以實(shí)現(xiàn)單道次小變形量階梯成形，而且可以通過(guò)多道次縮徑獲得大變形量的階梯成形。關(guān)于冷縮徑的變形量及變形力的研究已比較充分［1—8］，其變形量及變形力均比常規(guī)的冷擠壓要小很多，因此可以獲得較高的零件尺寸精度。但因其工藝特點(diǎn)，冷縮件上一定存在錐形過(guò)渡區(qū)，除個(gè)別場(chǎng)合外，一般都需要用切削的方法將其去除掉。如果能通過(guò)整形工藝將錐形過(guò)渡區(qū)消除，便可進(jìn)一步接近零件形狀，做到無(wú)切削加工。

裴未遲等［9］對(duì)變形量小于5%臺(tái)階軸，提出了直接用圓角一次擠壓成形的工藝，并用有限元模擬技術(shù)和試驗(yàn)的方法驗(yàn)證了其可行性。張雙杰等［10—11］對(duì)直徑變形量不大于10%并以小圓角過(guò)渡的電機(jī)軸，提出了兩步法擠壓成形的工藝，并采用有限元技術(shù)驗(yàn)證了該工藝方案的可行性。

雖然不少學(xué)者對(duì)軸類(lèi)件的冷縮徑成形進(jìn)行了研究，但對(duì)較大變形量縮徑過(guò)渡錐面的整形工藝研究，仍不夠充分和深入。因此，對(duì)縮徑過(guò)渡錐面整形工藝進(jìn)行更深入的研究，使軸類(lèi)件冷精密成形件形狀進(jìn)一步接近零件形狀，具有重要意義。

本文擬利用DeForm-3D有限元模擬軟件，針對(duì)較大變形量縮徑過(guò)渡錐面的整形問(wèn)題，從變形量、過(guò)渡圓角以及約束條件等幾個(gè)方面進(jìn)行研究，研究其成形的規(guī)律及整形工藝的可行性。

1 整形工藝示意圖

圖1為縮徑過(guò)渡錐面整形示意圖，圖1a為開(kāi)式擠壓;圖1b在整形R角上部加一圓柱孔，圓孔直徑略大于d0，用于限制整形時(shí)變形部位的鐓粗，文中稱(chēng)之為半開(kāi)式擠壓。圖中坯料為冷縮徑后的形狀，坯料中d0直徑的部分在整形過(guò)程中起到?jīng)_頭作用，為不變形部分;d1部分在整形過(guò)程中只做剛性移動(dòng)不參與變形，2α錐面部分為整形變形區(qū)域。整形時(shí)坯料在沖頭壓力的作用下下行，使縮徑過(guò)渡錐面產(chǎn)生變形，最終變?yōu)榘寄ＴO(shè)定的形狀［12—13］。

圖1 縮徑過(guò)渡錐面整形示意圖Fig.1 Schematic drawing of ironing cone reshaping

2 DeForm有限元模擬

2.1 模擬方案的制訂

在錐面的整形過(guò)程中影響成形的主要參數(shù)有圖1所示的R值、縮徑角α、縮徑變形量ε以及約束條件（開(kāi)式或半開(kāi)式）。考慮到縮徑的直徑差值及節(jié)材的實(shí)際意義，變形量分別取20%，30%，35%，40%，每種變形量下R值分別取d0-d1差值1/4倍、1/2倍、1倍。為了便于與開(kāi)式擠壓比較，圖1b中的r值取0.5，縮徑角α統(tǒng)一取15°，坯料與模具的初始位置由上述變形程度的錐面位置決定。

上述縮徑變形量可表示為［14］:

其中35%，40%的變形量為兩次或多次縮徑產(chǎn)生的總變形量。

2.2 模擬參數(shù)

成形過(guò)程均為冷擠壓，溫度變化影響很小，因此數(shù)值模擬過(guò)程中不考慮熱的影響，坯料、凸模與凹模設(shè)為20℃;坯料為20號(hào)鋼;由于擠壓屬于體積成形，接觸壓力高，故采用剪切摩擦模型，摩擦因數(shù)為0.12;模具設(shè)定為剛性，坯料設(shè)定為剛粘塑性模型。有限元模型通過(guò)三維軟件Solidworks 2013軟件建模，生成*.stl后導(dǎo)入DeForm-3D有限元模擬軟件，模型中設(shè)定d0=35 mm，d1根據(jù)變形量計(jì)算確定。網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)80000，凸模進(jìn)給速度6 mm/s，模擬步數(shù)錐面長(zhǎng)度 5 mm，模擬步長(zhǎng) 0.1［15—18］。其有限元模型如圖2所示。

圖2 縮徑過(guò)渡錐面整形有限元模型Fig.2 FE model of ironing cone reshaping

2.3 模擬結(jié)果及分析

2.3.1 開(kāi)式擠壓整形結(jié)果

圖3所示為開(kāi)式擠壓整形有限元模擬結(jié)果，從圖中可以看出四種變形量下R值的影響比較顯著，在R值為d0-d1差值的1/4倍時(shí)，即R值較小時(shí)均出現(xiàn)金屬擼起現(xiàn)象，并在擼起的金屬堆積處上方錐面不能有效變形，形成凹腰現(xiàn)象;在R值為d0-d1差值為1/2倍時(shí)，即R值適中時(shí)，隨著變形量的增大，變形區(qū)形狀出現(xiàn)局部凸起和凹腰現(xiàn)象越加明顯，而在變形量ε=20%時(shí)，可形成較完好的形狀;在R值為d0-d1差值的1倍，即R值較大時(shí)，4種變形量下均出現(xiàn)變形區(qū)上部鐓粗鼓起現(xiàn)象，無(wú)凹腰形成。

2.3.2 半開(kāi)式擠壓整形結(jié)果

圖4所示為半開(kāi)式擠壓整形有限元模擬結(jié)果，從圖中可以看出在變形區(qū)設(shè)置一約束，可以有效改善成形效果，而影響整形最終填充效果的主要因素為變形量ε值，當(dāng)ε值為20%、30%時(shí)均可有效成形;當(dāng)ε值為35%時(shí)，從模擬結(jié)果來(lái)看在R值較小的情況下，可有效成形，隨在R值的增大，需要在d0略微產(chǎn)生鐓粗變形的情況下，才能完全填充;而當(dāng)ε值為40%時(shí)，在3種R值下，均出現(xiàn)R處未填充滿(mǎn)d0鐓粗現(xiàn)象，不能有效成形。

圖3 開(kāi)式擠壓整形有限元模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of open die cold extrusion

圖4 半開(kāi)式擠壓整形有限元模擬結(jié)果Fig.4 Simulation results of semi-open die cold extrusion

2.3.3 分析和討論

綜上模擬結(jié)果，在開(kāi)式擠壓整形的情況下，對(duì)整形效果的影響R值較ε值顯著，最理想的效果出現(xiàn)在ε=20%，R=（d0-d1）/2的情況下，可見(jiàn)在較小變形量并R值適中的情形，完全可以通過(guò)開(kāi)式擠壓對(duì)縮徑過(guò)渡錐面進(jìn)行整形。在較小變形量并R值較大的情形，出現(xiàn)的局部凸起和凹腰現(xiàn)象，可通過(guò)對(duì)d0段進(jìn)行一次精整來(lái)消除。而在R值較小的情況下，開(kāi)式擠壓整形不可行。在R值較大的情況下，出現(xiàn)的變形區(qū)上部鐓粗鼓起現(xiàn)象，亦可通過(guò)對(duì)d0段進(jìn)行一次精整，來(lái)消除鼓起，故在R值較大的情況下，開(kāi)式擠壓整形可行。

在半開(kāi)式擠壓整形的情況下，整形效果主要受ε值的影響，在ε值為35%以下時(shí)，3種R值均可成形出較好的整形效果，當(dāng)ε值為35%及大于35%時(shí)，整形填充出現(xiàn)困難，因此由此可以看出，在縮徑零件總變形量在35%以下時(shí)均可通過(guò)半開(kāi)式擠壓進(jìn)行整形，而當(dāng)總變形量超過(guò)35%時(shí)，此種方法不可行。

3 實(shí)際應(yīng)用

圖5 實(shí)際生產(chǎn)樣件Fig.5 Actual production samples

圖5為結(jié)合冷縮徑及整形工藝生產(chǎn)的一個(gè)產(chǎn)品，因其整形部位縮徑過(guò)渡錐面為兩次縮徑形成，其總變形量達(dá)到40%，而圓角的R值大于d0-d1差值的1倍為10 mm，故根據(jù)上述模擬及討論結(jié)果，采用了開(kāi)式整形加精整消除鐓粗鼓起工藝。實(shí)際生產(chǎn)在315 t四柱液壓機(jī)上進(jìn)行，鍛件材質(zhì)為20號(hào)鋼，成形的鍛件基本接近零件形狀，已進(jìn)行了大批量生產(chǎn)，并生產(chǎn)穩(wěn)定可靠。

4 結(jié)論

利用DeForm-3D有限元模擬軟件對(duì)冷縮徑過(guò)渡錐面開(kāi)式和半開(kāi)式整形工藝進(jìn)行了分析研究，并就研究結(jié)果進(jìn)行了實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。由此可得出如下結(jié)論:

1）影響整形效果的主要參數(shù)有整形過(guò)渡圓角R、縮徑總變形量ε和變形部位的約束條件（開(kāi)式和半開(kāi)式）。

2）開(kāi)式擠壓整形時(shí)R值的影響比較顯著，在R值為d0-d1差值的1/4倍時(shí)，即R值較小的情況下，開(kāi)式擠壓整形不可行。在R值為d0-d1差值的1/2倍和1倍時(shí)，即R值適中或較大時(shí)，整形可行，但隨著R值及變形量ε的增大，需對(duì)d0段進(jìn)行事后精整。

3）半開(kāi)式擠壓整形，主要影響因素為縮徑總變形量ε，R值影響較小。在總變形量ε小于35%時(shí)，皆可實(shí)現(xiàn)良好的整形效果，當(dāng)ε大于35%時(shí)半開(kāi)式整形基本不可行。

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