基于DEFORM-3D的筒形件冷擠壓成形數值模擬

陳 波，周志明,2,3，曾華成，熊祥亮，楊紹澤，唐麗文，黃 燦,2,3,孟 醒

( 1.重慶理工大學 材料科學與工程學院， 重慶 400054; 2.重慶市模具技術重點實驗室， 重慶 400054; 3.江蘇祥和電子科技有限公司， 江蘇 徐州 221214； 4.重慶長安工業(集團)有限責任公司， 重慶 401120)

鋼質筒形件成型壓力大，且冷擠壓筒形件表面不允許有嚴重的道線、擦傷、凹陷；內部根部不允許產生沖壓加工形成的嚴重環形突起，不允許有裂紋、重皮、沙眼；內低轉角處不允許有金屬折疊[1]。在以往的工藝過程中，常采用下料、鐓粗、定中心、擠壓成型等工序進行，中間還需要進行磷化和退火處理，存在工序繁多、生產效率低的問題。

隨著計算機性能的大幅提高，利用基于有限元微分思想的有限元數值模擬軟件求解塑性成形問題越來越成為塑性成形工藝分析優化中不可缺少的一個環節，極大地提高了工藝設計的效率和質量[2-4]。目前，DEFORM-3D軟件是模擬體積成形較為成熟的商用有限元軟件，在塑性成形領域被廣泛應用[5-7]。

本文基于 DEFORM-3D 對筒形件的冷擠壓成形過程進行數值模擬，揭示其變形過程中的金屬流動規律，分析塑性變形區的應力、應變分布狀態，分析凸模行程載荷曲線的特點，從而為筒形件冷擠壓工藝優化和設備選擇及模具設計提供依據。

1 有限元模型的建立

筒形件零件圖如圖1所示。可以看到，該筒形件擠壓變形大，擠壓深度達到49 mm，屬于大變形。根據塑性成形體積不變原理確定毛坯尺寸，毛坯為棒狀。棒料直徑為66 mm，比擠壓后的筒形件小1 mm，便于擠壓前的樣品裝填。在UG中建立擠壓凸凹模及毛坯的三維幾何模型并進行裝配，然后導入 DEFORM-3D 中建立模擬有限元模型，建立的有限元模型如圖2所示。

圖1 筒形件零件簡圖

圖2 有限元模型

模擬參數設置：

1) 材料參數。坯料選擇AISI-1015號材料。凸模和凹模均選用AISI-D2冷作模具鋼。

2) 網格劃分。選擇絕對網格劃分方法對坯料進行網格劃分，設置四面體網格數量為100 000個，最小尺寸0.314 mm。

3) 溫度。坯料、模具和環境溫度均為20 ℃。

4) 運動及接觸設置。定義沖頭的速度為10 mm/s。沖頭與毛坯、毛坯與凹模的摩擦類型為剪切摩擦模型，摩擦因子選擇 0.08。

2 模擬結果與分析

2.1 金屬流動

圖3為毛坯子午面在擠壓中各階段的變形情況。圖3(a)是初始坯料的網格，通過觀察子午面的網格的變形情況能很好地反映出毛坯各部分金屬的流動情況，可以為預測產品缺陷和各部分性能提供參考。筒形件擠壓成形過程可分為2個階段：第一階段為正擠壓階段，即坯料底部接觸凹模之前，此階段毛坯變形量小，主要變形區域如圖3(b)中的A區域，變形主要是毛坯底部徑向壓縮變形；第二階段為大變形反擠壓階段，即坯料底部與凹模接觸后，金屬在三向壓應力作用下沿凸模運動的相反方向流動，主要變形區如圖3(c)中B區域。此階段變形抗力大，所需的成形力較大。由圖3可知，筒形件壁內側金屬變形程度明顯大于外側金屬，變形不均勻，外側金屬變形滯后于內側金屬。

圖3 擠壓過程中金屬流動情況

2.2 等效應力與等效應變

正擠壓階段主要變形區域的等效應力云圖如圖4(a)所示，可以看出,毛坯與沖頭接觸區域和沖頭底部圓周的等效應力較大。根據塑性變形最小阻力定律，即塑性變形時材料中各質點有多個可能的移動方向時質點將沿阻力最小的方向移動，此時做功最少[8]。由于上、下端為自由表面，因此此區域所受應力較大。等效應變云圖分布如圖4(b)所示，分布情況與等效應變力分布吻合。從圖4(c)可以看出，當擠壓結束后毛坯子午面應力分布為底部區域應力大、筒壁部分應力較小、坯料底部外圓周附近的等效應力比中心大。此區域的金屬在反擠壓階段為主要變形區，在壓力作用下沿加載方向反向流動，由于此區域金屬在反擠壓階段遠離自由表面，因此需要很大的變形力使其繼續變形，成形后此區域有較大的殘余應力。成形結束后的應變分布情況如圖4(d)所示，大變形區主要是筒壁與底座的結合部分，筒壁的內側變形量大于筒壁外側，與圖3(c)中的網格變形情況一致。

圖4 等效應力、應變云圖

筒形件底座在反擠壓階段始終處于三向壓應力狀態，在筒壁的頂端應力較小，因此只做剛性的移動。圖6為擠壓結束時底座邊緣的應變，由圖可知該處的應變較大，在實際擠壓中由于凹模底部有推件塊，凹模與推件塊之間存在一定的間隙，故此處有可能產生飛邊、毛刺。

圖5 擠壓結束后的最大主應力

2.3 模具載荷

模具沖頭的載荷-時間曲線如圖7所示，可以看到最大成形力約為4 570 kN。在擠壓的前半程，如圖7中的Ⅰ階段所示，載荷隨時間延長緩慢增加。因為一方面隨著擠壓的進行，毛坯與模具的接觸面積增大，導致摩擦力增大，使得金屬的變形阻力增大；另一方面由于毛坯在變形過程中產生加工硬化，變形抗力隨著變形程度的增大而增大，所以載荷逐漸增大。當毛坯底部與凹模接觸后，擠壓類型變為反擠壓，此時沖頭載荷急劇上升(圖7中的Ⅱ階段)。載荷急劇上升除了上述加工硬化原因外，毛坯自由表面減少和處于較強三向壓應力狀態下變形也導致變形抗力急劇增大。隨著擠壓的進行，一些金屬開始流出強三向壓應力區域，變形抗力減小。雖然摩擦力和加工硬化程度增大會導致載荷增加，但是應力狀態的改變對載荷的影響起主導地位，故表現出載荷平緩下降(圖7中Ⅲ階段)。

3 試驗驗證

根據上述數值模擬最大成形載荷，安全系數為1.3，因此采用630 t液壓擠壓設備，擠壓速度為10 mm/s，常溫下擠壓試制了該筒形件，實驗結果如圖8所示。筒形件成形過程充型效果較好，但是底部出現了較多的毛刺。從圖6中可以看出：筒形件底部中心接觸部分應變較小，而在邊緣有間隙處應變反而較大。棒狀毛坯的邊緣在擠壓成形過程中存在如圖6所示向下流動的趨勢，當凹模與推件塊之間存在間隙時，就會流入間隙從而形成如圖8所示的毛刺。由于該擠壓筒形件是毛坯，后續底部需要機械加工平整斷面時可以去除該毛刺。

圖7 沖頭載荷-時間圖

4 結論

采用 DEFORM-3D 有限元分析軟件建立了筒形件冷擠壓成形的有限元數值分析模型,對筒形件成形過程進行了模擬。結果表明：筒形件的正擠壓和反擠壓階段載荷相差很大。整個過程模具載荷先平穩升高，然后躍升，最后階段緩慢波動下降，所需最大成形力約為4 570 kN。模擬結果與理論計算、實際試制中的載荷吻合較好。實驗驗證發現：該工藝方案成形過程充型飽滿，無金屬折疊。該工藝可以將傳統的下料、鐓粗、定中心、退火、磷化、擠壓工序直接優化為下料和擠壓工序，可提高生產效率60%以上。

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