熱擠盂壁厚差分析與控制研究

武維康，任乃棟，王建

（孝義市東義鎂業(yè)有限公司，山西 孝義 032300）

熱擠盂過程產(chǎn)生的問題在實際生產(chǎn)中層出不窮，本文采用DEFORM軟件對該制件進行塑性變形分析。DEFORM可以分析金屬成形過程中，通過研究凸膜和毛坯偏移大小對結果的影響，可以及時調(diào)整凸膜毛坯位置，從而減少毛坯的損壞率，提高生產(chǎn)率。通過研究熱擠盂變形過程中應力和應變曲線，得出可行的熱擠壓工藝參數(shù)，可以縮短工藝的研發(fā)周期，同時為熱反擠壓工藝設計及設備選擇提供理論依據(jù)。

1 有限元模型的建立

借助三維設計制圖軟件SolidWorks建立凸膜、凹膜、坯料的幾何模型，并將模型的幾何信息轉化為DEFORM軟件可使用的數(shù)據(jù)格式（.STL），導入DEFORM-3D軟件中進行物理模型的構建，所有參數(shù)均依照實際工況選取。

1.1 毛坯的選取及有限元網(wǎng)格的劃分

實際生產(chǎn)所用坯料為圓臺形狀，大面直徑129mm，小面直徑122mm，高43mm，材質(zhì)為20號鋼。本次的鐓粗模型為軸對稱模型，劃分50000個網(wǎng)格，坯料起始溫度設定950℃。坯料網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 坯料網(wǎng)格劃分

1.2 上下模具的設定

上下模具按實際生產(chǎn)所用模具建立，上下模為剛體，上模下行速度10mm/s，最大壓力108N（即10000t），起始溫度設為50℃，環(huán)境溫度為30℃。通過一系列的設置，有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

2 反擠盂過程的有限元模擬分析

2.1 凸膜偏移對擠壓工藝的影響

凸膜在沖壓的過程中不可避免的會產(chǎn)生磨損，在力的作用下凸膜也會逐漸地偏離軸心，考慮到擠壓過程中凸膜的磨損與偏移會對結果造成影響，分別模擬凸膜偏移1mm、2mm、3mm時對擠壓結果造成的影響。

（1）毛坯、凸膜和凹膜呈軸對稱正放置時，毛坯與凹膜相切如圖2所示，擠壓結果如圖3（a）所示，仿真結果的左側高為103.93mm，右側高為103.72mm，距頂端10mm處左側壁厚為10.19mm，右側壁厚為10.17mm兩側呈對稱分布。

圖3 不同凸膜偏移下的仿真結果

（2）凸膜偏離軸心1mm時的仿真結果如圖3（b）所示，仿真結果的左側高為100.68mm，右側高為107.06mm，距頂端10mm處左側壁厚為9.31mm，右側壁厚為10.78mm。

（3）凸膜偏離軸心2mm時的仿真結果如圖3（c）所示仿真結果的左側高為96.85mm，右側高為108.91mm，距頂端10mm處左側壁厚為8.07mm，右側壁厚為11.84mm。

（4）凸膜偏離軸心3mm時的仿真結果如圖4（d）所示，仿真結果的左側高為92.23mm，右側高為113.26mm，距頂端10mm處左側壁厚為7.47mm，右側壁厚為12.94mm。

為了清晰地對比出結果，將擠壓數(shù)據(jù)統(tǒng)計到如下表格中（如表1），圖4為不同凸膜偏移時高度差與壁厚差變化。

表1 擠壓結果統(tǒng)計

通過圖4可清晰地看出：隨著凸膜偏移程度的增加，盂子壁厚差逐漸增大，高度差逐漸增大，因此距離標準值也越來越遠，質(zhì)量也越來越差，成為殘品。在凸膜偏移超過2mm時，模擬出的結果顯示盂子壁厚差較大，高度差較大，不再能用作下一步的模具，成為廢品。在生產(chǎn)過程中要及時地發(fā)現(xiàn)凸膜偏移量，及時地進行校正，以免產(chǎn)生更多廢品。

圖4 不同凸膜偏移時高度與壁厚差變化

2.2 毛坯偏移對擠壓工藝的影響

實際生產(chǎn)過程中，當毛坯偏離中心位置時，會產(chǎn)生一側靠在凹膜內(nèi)壁上的情況，與凹膜底面產(chǎn)生一個角度，如圖5所示，當凸膜下壓時，毛坯會回到原來位置，因此不影響毛坯的正常擠壓，會隨著凸膜直接下壓下去，從而會造成毛坯的損壞，成形的盂子也是廢品，因此工人在放置毛坯的時候應注意毛坯的位置，在確保毛坯擺放正確時，再啟動開關進行擠壓。

圖5 毛坯傾斜放置時擠壓過程

2.3 凸膜下壓速度對擠壓工藝的影響

凸模下壓速度也是保證擠壓過程順利進行的關鍵因素。擠壓速度的大小直接影響著生產(chǎn)率，因此在保證產(chǎn)品質(zhì)量和設備承受能力的條件下，盡可能提高擠壓的速度。通常情況下，油壓機推動凸模的下壓速度為0.3m/min，而水壓機的下壓速度為0.5～0.8m/min，其鍛錘下壓速度為5～8m/s。選取不同的凸模下壓速度，分別取1mm/s、5mm/s、10mm/s，模擬計算和分析擠壓成形過程，得到不同下壓速度時凸模和擠壓件的載荷變化曲線，如圖6所示。從圖中可看出，凸模載荷隨著其下壓速度的增大而升高。

圖6 不同下壓速度時凸膜和擠壓件的載荷變化

為了量化研究材料在擠壓過程中變形區(qū)的情況，選擇坯料上節(jié)點p1進行研究，選點示意圖如圖7所示，p1點坐標為（275,100,220）。圖8、圖9為不同的擠壓速度下，節(jié)點p1應力、應變與時間的關系，灰色線為擠壓結束線。

圖7 選點示意圖

圖8 不同擠壓速度下應力與時間的關系

圖9 不同擠壓速度下應變與時間的關系

由圖8可知，等效應力隨著擠壓的進行不斷增大。當擠壓速度為10mm/s，時間為4.05s時，成形結束，變形相對均勻，由圖9可知，在擠壓過程中隨著時間的增加，應變值增加較快，隨著擠壓的進行，節(jié)點的應變值隨擠壓的速度差別增大。

2.4 摩擦因數(shù)對擠壓工藝的影響

圖10所示為模具與毛坯之間摩擦系數(shù)不同時刻的擠壓力/行程曲線。從圖中可以看出，隨著摩擦系數(shù)的增加，擠壓力升高，因此會增大零件底部斷裂的可能性。在擠壓時，需要提高模具內(nèi)表面的表面質(zhì)量降低其粗糙度，在擠壓前進行良好的模具表面潤滑，減小模具與工件之間的摩擦。通過模擬出來的結果顯示擠壓效果μ=0.2時最好，擠壓件底部圓角部分的應變分布均勻。

圖10 不同摩擦系數(shù)時凸膜和擠壓件的載荷變化

3 應力應變分析

通過仿真軟件的模擬，可以模擬實際工作狀態(tài)，了解模具實際工作情況與相關應力產(chǎn)生的位置，為設計時局部改進模具結構提供依據(jù)，可以延長模具的使用壽命，圖11是從軟件中截取的坯料在擠壓過程中不同時刻的應力云圖，可以清晰地看出坯料底部圓角處受力始終較大。

圖11 熱擠盂過程中坯料的應力云圖

4 結語

（1）在凸膜偏移超過2mm時，模擬出的結果顯示盂子壁厚差較大，高度差較大，不再能用作下一步的模具，成為廢品。在生產(chǎn)過程中要及時地發(fā)現(xiàn)凸膜偏移量，及時地進行校正，以免產(chǎn)生更多廢品。

（2）得出了最佳熱擠壓工藝參數(shù)：擠壓速度為10mm/s，摩擦因數(shù)為0.2。

（3）通過模擬可以及時發(fā)現(xiàn)毛坯變形和受力的最大位置，預測模具可能發(fā)生嚴重磨損的地方，如毛坯底部圓角處，以此為依據(jù)可合理修改模具圓角外形及凹膜尺寸材質(zhì)，降低毛坯件的變形，解決模具磨損問題，提高模具使用壽命。