基于DEFORM的藥筒坯料選擇數值模擬分析

馬子超，馮再新，楊成龍，高超平

（中北大學 材料科學與工程學院，山西 太原 030051）

基于DEFORM的藥筒坯料選擇數值模擬分析

馬子超，馮再新，楊成龍，高超平

（中北大學 材料科學與工程學院，山西 太原 030051）

通過采用先進的有限元成形分析軟件DEFORM-3D，對某旋壓藥筒熱成形的坯料形狀選擇進行數值模擬研究，并在此基礎上進行實驗驗證，將毛坯尺寸定為?80mm×25，減少前期實際試驗，節約成本，縮短工藝開發周期，為解決旋壓藥筒熱成形工藝設計和實際生產問題提供依據。

擠壓成形；坯料選擇；DEFORM-3D；有限元模擬

塑性加工技術正向著高強度、輕量化、低消耗方向發展。縮短產品研發周期、節約研發成本、減少切削加工以及提高產品性能具有重要的現實意義。使用模具將簡單的毛坯成形為所需零件是當今重要的金屬加工技術，也是一種少無切屑加工方法[1]。本文針對某藥筒的坯料選擇進行數值模擬，并通過實驗驗證以確定合適的坯料尺寸，減少實際試驗次數，節約成本，提高生產效率。

1 模型的建立

藥筒零件如圖1所示，利用PRO/E設計上下模，通過數據交換，轉換成STL格式，然后導入DEFORM-3D中進行模擬操作。在成形過程中，模具的幾何形狀非常重要，其變形程度、變形速度、塑變區的應力應變狀態等與模具型腔輪廓形狀密切相關。在進行數值模擬前，根據工件在成形過程中的一些實際情況建立合適的參數[2]。

模具形狀對整個成形過程的影響十分關鍵。由于在前期不確定哪種坯料更適合生產，根據金屬在塑性變形中遵循的體積不變原則，坯料體積與零件體積相同，計算并選擇所需擠壓坯料尺寸分別為?70mm× 32mm、?73mm×30mm、?75mm×28.5mm、?80mm×25mm的圓柱棒材，結合管材坯料的尺寸特點，建立有限元擠壓模型。

圖1 零件及模具示意圖

2 模擬條件的設定

模擬采用有限元分析軟件DEFORM-3D，幾何模型在三維建模軟件PRO/E中構建。

在DEFORM-3D前處理階段中的設置有[3-4]：①材料選擇。毛坯選用25#鋼，因此在模擬軟件中選用與25#鋼物理性能相近的AISI-1025[1800-2200F (1000-1200C)]，因為不考慮模具變形，所以凹模與凸模都視為剛體。②初始溫度。預設毛坯加熱溫度為1000℃，凸、凹模材料為AISI-H-13，預熱溫度300℃。

首次模擬采用壁厚為?70mm×32mm的圓柱坯料，將坯料劃分網格，工件與下模間摩擦采用剪切摩擦模型，表面接觸情況設定相應的摩擦因數為0.3，設置上模運動速度為2mm/s。

3 藥筒擠壓過程中金屬流動分析

上模在下行擠壓過程中的坯料金屬流動情況如圖2所示。由圖可將金屬在反擠過程分為兩個階段[5-6]：第一個階段主要是鐓粗。在擠壓初期，上模接觸工件后，坯料金屬開始向下流動，靠近坯料表面的金屬向側下方流動，此階段上模的擠壓力緩慢上升；第二個階段，凸模不斷下行，此時工件由于上、下模約束產生擠壓力的作用，工件鐓粗變形程度進一步增大，靠近凹模內壁的金屬開始向上流動，此時上模壓力快速增加，當金屬填滿凹模模腔時，擠壓力不再劇烈變化，趨于平穩。

圖2 金屬流動示意圖

4 最終成形形狀

在坯料成形過程中可以看到，?80mm×25mm的坯料在鐓粗結束時，靠近凹模內壁部分的金屬流動速度明顯加快，而?70mm×32mm、?73mm×30mm、 ?75mm×28.5mm坯料由于凹模模腔還沒有填滿，兩側還有部分金屬向下流動，所以需要的擠壓時間比大直徑的坯料擠壓時間更長。

在最終成形方面，?70mm×32mm的毛坯成形后，由于金屬的流動性，零件上部邊緣金屬向下流動較多，最終成尖狀，這與所要成形的零件形狀相差較大。隨著坯料直徑的不斷增大，擠壓后零件的上部邊緣越來越趨近于所要成形的實體零件，用?80mm×25mm的坯料實驗，成形形狀已經符合生產需要。四種坯料的成形示意圖如圖3所示。

圖3 四種坯料擠壓成形示意圖

5 擠壓載荷、溫度及應力應變比較

材料在不同階段受力載荷的變化是確定成形工藝、選擇成形設備的重要依據。在金屬流動性研究的基礎上，繼續觀察時間-載荷曲線。?70mm×32mm，?73mm×30mm，?75mm×28.5mm三種坯料擠壓時間越來越短，壓力變化較大，?80mm×25mm的坯料壓力均勻上升，曲線變化如圖4所示。

四種坯料的金屬流動性、等效應力、等效應變、溫度如表1所示。通過研究比較可得，尺寸為?80mm×25mm的圓柱坯料擠壓后損傷值最小，凸模所受載荷最為均勻，擠壓過程中沒有很大的擠壓力突變，保證了生產的安全性，各項性能完全能夠滿足旋壓藥筒擠壓工藝要求，保證了藥筒質量。而對于藥筒筒底的成形[7]，則是采用第二次擠壓的方式來生產加工。

表1 四種坯料的數據比較

圖4 四種坯料擠壓載荷圖

6 結論

通過DEFORM-3D軟件對相同體積的四種坯料進行數值模擬，預測其成形過程中可能出現的缺陷，通過對其金屬流動、等效應力、等效應變等數據的比較可以得出，?80mm×25mm的圓柱坯料比較適合此旋壓藥筒的生產加工。本文可為此類零件的加工生產提供參考。

[1]俞汗青，陳金德.金屬塑性成形原理[M].北京：機械工業出版社，1998.

[2]張 莉，李升軍.DEFORM在金屬塑性成形中的應用[M].北京：機械工業出版社，2009.

[3]李傳民，王向麗，閏華軍，等.DEFORM5.03金屬成形有限元分析實例指導教程[M].北 京：機械工業出版社，2007.

[4]張超杰，楊永順，尹甜甜.變形程度和坯料高徑比對反擠壓凹模的影響[J].熱加工工藝，2011，40（19）：89-91.

[5]白彥超，黃 放.基于DEFORM的某鍛件數值模擬及毛坯優化[J].熱加工工藝,2012，41（21）：113-114.

[6]郭 成，秦 瑩，王長林,等.套筒零件擠壓成形金屬流動規律研究[J].鍛壓技術,2008，33（4）：43-47.

[7]舒睿昶，馮再新，楊成龍.某藥筒筒底成形工藝研究[J].熱加工工藝,2015，44（5）：139-140.

Numerical simulation and analysis of the choice of cartridgeblank based on Deform

MA Zichao，FENG Zaixin，YANG Chenglong，GAO Chaoping
（School of Materials Science and Engineering,North University Of China,Taiyuan 030051,Shanxi China）

The numerical simulation study has been conducted to the selection of blank size during spinning thermoforming process for the cartridge in the text by use of the advanced finite element analysis software DEFORM-3D.Then on the above basis an experimental verification has been conducted and the blank dimension has been confirmed as ?80mm×25.The preliminary experiments and the cost have been reduced,as well as the process exploring cycle.It provides reference for cartridge spinning thermoforming process and practical production.

Choice of the blank；Finite element simulation；Deform-3D

TG376.2

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.01.033

1672-0121（2016）01-0115-03

2015-07-31；

2015-09-06

山西省科技攻關資助項目（20120321035-04）

馬子超（1990-），男，碩士，研究員，從事金屬精密成形技術研究。E-mail：1137560999@qq.com