典型杯形件熱擠壓成形工藝研究

郭歡歡,吳淑芳,朱麗麗,王培安,陳卜寧,張京

(長春理工大學(xué)機電工程學(xué)院，吉林長春 130022)

典型杯形件熱擠壓成形工藝研究

郭歡歡,吳淑芳,朱麗麗,王培安,陳卜寧,張京

(長春理工大學(xué)機電工程學(xué)院，吉林長春 130022)

通過軟件DEFORM對典型杯形件進行反擠壓成形工藝分析，討論不同直徑對典型杯形件的成形效果影響。根據(jù)點示蹤的方法以及對比分析等效應(yīng)力、載荷行程圖、凸模磨損量值的大小對成形結(jié)果進行分析，利用點跟蹤方法可以計算出內(nèi)徑成型效果以及高度成型效果。根據(jù)等效應(yīng)力、模具的磨損量以及載荷行程圖對理想直徑進行對比分析，選擇最為理想直徑。研究結(jié)論為實際生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)，有助于降低試模成本。

典型杯形件；反擠壓；成型效果；理想直徑

0 引言

杯形件過去的常規(guī)加工方法是金屬切削加工。機械加工難度較大，生產(chǎn)加工過程中廢料多，材料利用率低、工序流程長，零件的生產(chǎn)效率低，加工過程中破壞其纖維的連續(xù)性，使加工零件強度較低。隨著近凈成形工藝的發(fā)展，擠壓成形技術(shù)是一種比較先進的制造技術(shù)之一，它具有很多優(yōu)點，在金屬利用率、工件質(zhì)量以及生產(chǎn)效率方面相比傳統(tǒng)加工方法能夠提高好幾倍。隨著杯形件需求量的增加，如何進一步改進杯形件的成形工藝、提高材料利用率、降低成本，是目前各企業(yè)追求的目標(biāo)。

文中研究的杯形件用于汽車某零部件，為了保證零件的剛度、強度，選用15Mn作為零件材料。根據(jù)生產(chǎn)中遇到的問題，對杯形件反擠壓成形過程進行數(shù)值模擬，分析不同直徑對鍛件成形效果的影響以及模擬過程中的受力情況，以此來發(fā)現(xiàn)杯形件反擠壓過程中金屬流動規(guī)律，對實際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

1 鍛件工藝分析

鍛壓工藝的合理與否直接影響材料的利用率、模具結(jié)構(gòu)、鍛件質(zhì)量和生產(chǎn)效率，甚至決定模具開發(fā)的成敗，因此,在制定成形工藝前需要對零件進行工藝分析，找出成形的難點所在，以便在工藝安排上重點考慮[1-2]。擠壓件圖如圖1所示。杯形件成形的難點是材料所受應(yīng)力在允許的范圍內(nèi)型腔填充是否飽滿，以及鍛件的高度是否符合要求。

圖1 擠壓件零件圖

2 成形工藝方案的制定

這里采用的公式參考文獻[3]。工藝方案的制定需要考慮兩個重要的原則：(1)確保產(chǎn)品質(zhì)量要求；(2)確保模具的使用壽命。根據(jù)鍛件的形狀，初步制定成形方案：下料→反擠壓→整形。根據(jù)方案進行有限元分析。不同的直徑影響杯形件的型腔成形效果，為了確保得到理想的成形效果，根據(jù)計算得到毛坯尺寸為φ42.04 mm×16.67 mm。為了研究不同直徑坯料對內(nèi)外徑成形效果影響程度，選擇φ41.84、φ41.94、φ42.14、φ42.24 mm進行對比。

反擠壓變形的斷面縮減率:

式中：ψ為熱擠壓的斷面縮減率；F0為熱擠壓變形前毛坯的橫截面積(mm2)；F1為熱擠壓變形后工件的橫截面積(mm2)。

根據(jù)15Mn的材料性能可知，熱擠壓的許用變形程度:[Ψ]=70%～78%, 毛坯變形程度遠(yuǎn)小于許用變形程度，故一次反擠壓可以成形，上述成形工藝方案可行。

3 成形工藝方案數(shù)值模擬

根據(jù)鍛件尺寸利用SolidWorks進行凹模、凸模的三維繪制，然后進行裝配。由于鍛件是對稱圖，所以將鍛件1/8的幾何模型導(dǎo)入DEFORM軟件中進行數(shù)值模擬。模具材料定義為剛性材料，坯料則進行網(wǎng)格劃分，確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，如圖2所示。

圖2 FEM裝配圖

由于是熱擠壓成形件，所以坯料設(shè)定的溫度是1 150 ℃，進而凸模、凹模要進行預(yù)熱，溫度為300 ℃。由于溫度的變化會對后面坯料的塑性產(chǎn)生影響，所以在模擬過程中坯料與模具之間要進行熱傳導(dǎo)。

4 不同直徑模擬結(jié)果分析

在模擬過程中，應(yīng)該考慮坯料的填充是否飽滿、受到的等效應(yīng)力是否符合屈服強度以及模具的壽命等。坯料與模具在反擠壓成形過程中擠壓應(yīng)力很高，所以可以根據(jù)對應(yīng)力的分析來確定適合的坯料。在模擬過程中影響模具磨損的因素有：坯料的直徑、摩擦因子、模具的預(yù)熱溫度、模具的硬度等。坯料受到凹、凸模具的擠壓，故凹、凸模的受力一樣大，但由于凸模的接觸面積小，故受到的單位面積應(yīng)力會很大，因此對凸模進行了磨損分析。

等效應(yīng)力是判斷材料是否出現(xiàn)裂紋的重要指標(biāo)。由等效應(yīng)力圖可以看出來，應(yīng)力最大的地方在圓角處。根據(jù)等效應(yīng)力圖，在圖中利用點示蹤的方法分別標(biāo)出不同成形件內(nèi)側(cè)不同高度的P1、P2、P3、P4、P5這5個點，各坯料的5個點的坐標(biāo)均會在表1寫出。根據(jù)點示蹤同樣定位了5個坯料的中心點坐標(biāo)，依次為(18.818 3 ,16.088 7,43.175)、(18.772 2，17.512 8，43.275)、(18.784 4，12.166 8，43.375)、(19.671 6,8.265 67,43.475)、( 18.781 4，22.798 6，43.575)。

模具磨損是模具與工件接觸產(chǎn)生的，由磨損導(dǎo)致的模具失效是不好控制的。根據(jù)圖3—7對凸模磨損量進行分析，凸模圓角處磨損最大，磨損量單位均為10-6mm，其值非常小，因此模具在反擠壓過程中壽命會比較長。

成形載荷是凸模下壓的距離對應(yīng)的載荷值。由于在進行數(shù)值模擬時，對坯料進行了熱傳導(dǎo)，所以沒有下壓距離時，凸模所受的載荷為0；在凸模剛接近坯料時，坯料處于彈性變形區(qū)，抗力比較強，所以凸模所受的載荷量瞬間增加；在下壓距離逐漸增加時，部分材料慢慢趨于剛性平穩(wěn)期，也就是所謂的塑性成形階段，此時，凸模所受到的載荷逐漸趨于穩(wěn)定階段。

圖3 直徑φ41.84 mm時的成形圖

圖4 直徑φ41.94 mm時的成形圖

圖5 直徑φ42.04 mm時的成形圖

圖6 直徑φ42.14 mm時的成形圖

圖7 直徑φ42.24 mm時的成形圖

坯料直徑/mm內(nèi)徑跟蹤點坐標(biāo)值/mm內(nèi)徑平均值/mm等效應(yīng)力/MPa磨損量/mm載荷/N成形效果?41．84(18．6928，31．3332，25．8863)，(15．4927，30．9957，29．9486)，(13．0383，30．2283，33．9492)，(10．3779，28．8168，37．4648)，(8．19729，27．0431，39．6312)30．529650062680．000002374．47×104不理想?41．94(18．7361，32．8049，25．6326)，(15．6978，32．4567，29．7475)，(13．2941，31．7694，32．9739)，(10．8716，30．563，36．023)，(8．05358，28．3943，38．9372)30．540518512680．000002364．52×104理想?42．04(18．6733，27．4083，25．7114)，(15．7748，27．1132，29．2155)，(13．6055，26．5154，32．4561)，(11．0714，25．3452，36．0172)，(8．29339，23．2535，39．7437)30．510428762750．000002394．64×104理想?42．14(19．5976，23．5699，25．4055)，(16．5689，23．2199，28．8685)，(14．1093，22．5047，32．9803)，(11．6561，21．2468，36．3392)，(10．0814，20．1436，40．2117)30．554653412720．000002424．6×104理想?42．24(18．736，38．0548，25．9063)，(15．2424，37．638，29．1742)，(13．0922，36．9804，33．0274)，(11．1676，36．0204，36．5807)，(8．4884，34．0601，39．757)30．522505512690．000002444．5×104不理想

根據(jù)x、y的坐標(biāo)計算出每個點到中心點的距離即為成形件內(nèi)側(cè)直徑，取平均值與鍛件內(nèi)徑相比較，可得出5個直徑都滿足內(nèi)徑成形的結(jié)論。在滿足內(nèi)徑成形條件下，應(yīng)再觀察高度是否符合要求，由此應(yīng)根據(jù)圖8來計算。通過計算P1、P2、P3之間的平均值到中心點的高度得到了5組數(shù)據(jù)，與鍛件的高度19 mm相比,φ41.84、φ42.24 mm鍛件的高度不滿足要求，φ41.94、φ42.04、φ42.14 mm是理想尺寸。由模具磨損量圖分析可得：在不同直徑下模具磨損相差不大，但在直徑為φ41.94 mm時，模具磨損相比最小。考慮到材料的浪費問題，應(yīng)該選擇直徑較小的坯料。由此選擇φ41.94 mm作為最終坯料的直徑進行反擠壓成形。

圖8 高度成型缺陷分析圖

5 結(jié)論

(1)對5組坯料的擠壓結(jié)果分析，成形過程中坯料的直徑對于坯料影響不大，但觀察高度的成型缺陷時，得出φ41.94、φ42.04、φ42.14、φ42.24 mm這4種直徑比較理想。

(2)根據(jù)對模具磨損量的分析，在保證其他參數(shù)不變的條件下，不同直徑下模具的磨損量波動不大，在直徑為φ41.94 mm時，模具的磨損量較小，故它為最佳選擇。

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StudyonHotExtrusionProcessofTypicalCup

GUO Huanhuan, WU Shufang, ZHU Lili, WANG Pei’an, CHEN Buning, ZHANG Jing

(School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun Jilin 130022,China)

The effect of different diameters on the forming effect of typical cups was discussed by using software DEFORM. According to the method of point tracing and the analyses of the equivalent stress, the load stroke diagram and the punching wear value, the forming results were analyzed, the inner diameter forming effect and the height forming effect could be calculated by using the point tracking method. According to the comparative analysis to the equivalent stress, mold wear and load stroke diagram of the ideal diameter,the most ideal diameter was selected. The research results can provide theoretical guidance for actual production,which will help to reduce the cost of trial.

Typical cups; Anti-extrusion; Forming effect; Ideal diameter

TG376.3

A

1674-1986(2017)11-039-05

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.11.009

2017-07-22

郭歡歡(1992—)，女，碩士研究生，研究方向為塑性加工、模具設(shè)計。E-mail：798346760@qq.com。