基于Deform-3D 兩端齒形件的冷擠壓成形數值模擬研究

張一兵，朱磊，任杰

（1.南陽理工學院，河南 南陽 473004；2.上海電機學院，上海 201306)

1 前言

冷擠壓技術作為冷鍛技術的一個重要組成部分，在一些變形量較大，形狀較為復雜的零件的生產中越來越受到國內外廠商的青睞。對于冷擠壓成形來說，最重要的是如何控制金屬的變形情況，同時還要避免零件產生裂縫裂紋、死區、表面不完整、擠壓縮孔等缺陷。冷擠壓生產出的零件無須再進行機械加工或者只需要進行少量的機械加工，不僅節能環保而且還使零件達到了凈成形或近凈成型的效果，這是一般的加工方法所無法達到的。冷擠壓技術在二戰后廣泛發展起來，日本在1933年制造出了第一臺精壓機，隨著汽車工業的快速增長，日本又陸續制造出了多個系列的壓力機，在零件精度方面也有了較大的突破。我國冷擠壓技術的起步時期與日本差不多，但我國由于未能從根本上解決工藝問題，致使在該項技術的前進道路上漸漸落后于日本。近年來，隨著該項技術的快速發展，再加上我國學者在該項技術上的不斷探索，到目前為止，在冷擠壓件的生產上已經達到與國外相當的水平。龍昆從一種法蘭軸零件的材料以及結構特性出發，分析了其擠壓工藝性。他將冷鐓工藝與冷擠工藝相結合設計了該種零件的生產工藝，并簡要概述了這種零件模具的工作過程。坯料的磷化與潤滑的效果對最終冷擠壓件的品質至關重要。舊式的磷化皂化潤滑方法存在不環保、操作難、浪費工時等諸多弊端，河南科技大學方泉水團隊針對冷擠壓技術研究了一種新型高分子潤滑劑，補足了傳統潤滑方法的短板，提升了整體的生產效率和產品質量。鐘江濤利用Deform-3D模擬仿真軟件通過研究金屬的流動情況解決了花鍵套零件在擠壓過程中出現的斷裂問題。隨著汽車廣泛使用，特別是擠壓相較于傳統機加工，不僅節省原材料而且省時省力，大大地減少了企業的生產成本，這些因素都將在很大程度上推動冷擠壓技術前行。

2 零件及成形工藝分析

2.1 零件分析

安全帶卷收器結構件(以下簡稱零件)如圖1所示。零件整體為軸對稱結構，總高度54mm，兩端是2個不標準齒輪形頭部，一端齒輪高度5mm，另一端齒輪高度為12mm，2頭齒輪齒頂圓直徑均為?14.8mm，齒根圓直徑均為?12.6mm，其中較高的一端的齒輪從端部開總深度為8mm的階梯孔，孔內部的階梯上還有4個圓弧狀的扇形臺階，臺階高度為0.6mm。用SolidWorks對擠壓凸模、凹模以及毛坯進行三維建模并進行裝配，然后保存為STL格式文件并導入Deform軟件，設置模擬參數建立有限元模型。零件材質在有限元仿真軟件里面選用ALUMINUM-5052[70-90F(20-480C)]鋁合金。

圖1 零件概況

圖2 為擠壓過程中各階段的變形情況，首先對坯料進行減徑，坯料進行減徑的部分直徑由?12變成?8.8，留有7mm的不減徑部分用來成形短頭齒輪，短頭齒輪成型后對坯料進行鐓粗，直到鐓粗部分的體積和大頭齒輪的體積相等才算鐓粗完成，經計算該階段參與鐓粗的高度為30mm，將尾部鐓出高12mm的“鼓”形。接著在下一工位擠大頭齒輪芯部的階梯孔結構，同時成形齒輪，這一工位結束時零件完全成形。

圖2 成形方案

2.2 模擬過程分析

首先設定模擬參數，采用絕對網格劃分法對坯料網格進行劃分，設置最小的網格尺寸為0.3mm，最終生成的體網格數為89324。坯料、模具的初始溫度設為20℃，由于坯料在擠壓過程中需要變形，因此將坯料的體類型設為塑性體，因為不考慮在擠壓過程中模具的受力與變形，因此將模具設為剛性體。對于這種大批量生產的小型零件，在工廠實際生產當中通常生產速度較快，這也意味著模具工作時具有較快的擠壓速度，因此將擠壓凸模的下壓速度設為200mm/s，擠壓凸模與毛坯、毛坯與凹模之間的摩擦類型均為剪切摩擦，摩擦因子為0.12。除此之外，零件整體呈1/4對稱，因此在模擬前處理時還需要設置1/4料的2個矩形面為對稱邊界。如圖3所示為金屬變形時的流動速度場。

圖3 變形速度場

減徑時金屬的流動方向和擠壓凸模的運動方向一致，減徑過程中金屬流動呈現規律性，流動較為平穩，整個過程中未出現折疊現象。第二階段由于已經減徑部分的金屬流動受到限制，和擠壓凸模接觸一端的金屬在擠壓力的作用下充滿型腔。整個過程金屬流動平穩，除減徑外其他階段金屬流動距離均較短，在成形某一部位時由于其他部位有模具限制，該部位金屬的流動能夠使該部位的金屬型腔填充更加飽滿，使零件的表面質量更加完好。

從模擬的等效應力云圖中可以看出零件在成形過程中的受力范圍與受力大小，圖4為成形過程中的應力分布狀態。

圖4 等效應力云圖

從應力分布云圖來看，減徑階段倒角部位的應力比較集中，這是因為毛坯從倒角處截面大小開始發生變化，而且毛坯表面與模具側壁的摩擦也會導致應力集中，這些部位也是在擠壓過程中容易出現死區的一個部位。之后應力主要集中在零件的2頭，在減徑之后，主要的變形部位就是兩頭的齒輪，而且在成形齒輪時，雖然金屬流動平穩，但金屬流動情況復雜，而且加工硬化也會使材料的變形抗力增加，再加上齒輪結構的尺寸較小金屬不易充滿，需要很大的冷擠壓力，因此造成應力集中。

等效應變主要用來反映材料塑性變形的程度，也可用來反映金屬的變形程度。在成形時桿部的應變值大小大約為2mm/mm，變形區主要出現在參與減徑的桿部，而芯部的應變值較小，未參與變形部位的金屬應變值幾乎為0，如圖5所示。在成形大頭齒輪時該部位應變達到最大，該部位也是最后一階段的主要變形區，應變大小大約為3mm/mm，接近坯料成形時金屬的變形量，由于該部位是用2個模具成形的，而且等效應變的分布情況與等效應力分布情況基本吻合，觀察整個成形過程可以看出應變都是從中心向表面逐漸擴大。模具之間存在間隙，故此處在實際生產中可能會有毛刺產生。

圖5 等效應變云圖

3 結語

本文利用Defor m-3D數值模擬軟件對零件的成形方案進行了數值模擬，從模擬結果可以看出在減徑時，等效應力主要集中在倒角處，應變則在變形區域的桿部較為明顯。在整個成形過程中，應力主要集中在發生變形的地方，當其部位由于模具而限制金屬流動時，雖然也受三向壓應力但是不產生應力集中或者是應力集中較小，除此之外，每一階段的等效應變大小從內到外逐漸增加。最終通過多組工藝對比、模擬、驗證確定了該成形方案可行，對類似零件的冷擠壓成型工藝有參考作用。