球面滑履冷擠壓工藝的數值模擬分析與研究

文／束昊，周燕妮·徐州重型機械有限公司鄭偉剛·貴州大學機械工程與自動化學院

球面滑履冷擠壓工藝的數值模擬分析與研究

文／束昊，周燕妮·徐州重型機械有限公司
鄭偉剛·貴州大學機械工程與自動化學院

球面滑履由于其薄壁球面特殊結構特點，成形過程金屬流動比較復雜，通過對數值模擬分析其成形的可行性，結果發現一次成形雖然能實現滑履成形，但其擠壓時平均應力超過模具鋼強度極限，而且一次成形

球面變形量大，成形后回彈嚴重而影響零件球面精度，因此采用預成形和整形兩次成形工藝來減小擠壓時平均應力和變形量。最后通過工藝試驗進行論證，改進后兩次成形工藝方案合理，保證了成形件的尺寸精度，同時大大降低擠壓力，有效保護模具，并大大縮短工藝試驗周期，對該零件的生產應用具有重要的指導意義。

滑履零件是液壓泵上一種零件，結構具有薄壁球面結構特征，具有較高的形位精度，球徑φ12mm，球面不圓度0.02mm，表面粗糙度0.4μm，零件圖如圖1所示。在實際生產中需求量很大，滑履零件采用切削加工能達到精度要求，但材料損耗大，而且生產效率低，滿足不了日益提高的液壓泵的使用要求，改用精密冷擠成形工藝制作，可節省材料、提高效率并且改善力學性能。

滑履零件的擠壓成形符合杯形件擠壓成形的工藝特征，可以采用正擠或反擠成形，但是由于其薄壁球面特殊結構，成形過程金屬流動比較復雜，零件的擠壓工藝方案的理論分析結果與實際的流動方式存在差異容易導致設計失敗。而采用3D塑性成形模擬分析軟件（Qform）進行數值模擬能在一定程度上模擬出金屬的流動規律，為設計正確的試驗工藝方案和模具提供更有力的理論依據。

零件擠壓成形的工藝設計

零件的工藝性分析及擠壓件設計

圖1 滑履零件圖

根據冷擠壓件的設計原則和對滑履零件結構的分析，該零件形狀是軸對稱旋轉體，模具受力均勻，非常適合冷擠壓加工，但是該零件尺寸精度很高，特別是該零件薄壁球面成形時金屬流動比較復雜，如何保證擠壓球面成形尺寸精度將是工藝設計的難點。而且該零件斷面過渡處圓角太小或沒有圓角，冷擠壓過程會由于金屬流動不暢導致擠壓力過大，因此需加大零件臺階處過渡圓角設計；另外滑履內球面頂部有細小深孔，擠壓直徑過小的孔或槽是很困難的，也不經濟，因此考慮去掉深孔，用機加工的方法來解決，通過以上分析改進的工藝圖如圖2所示。

圖2 滑履擠壓件圖

擠壓工藝設計

滑履零件的材料為錳黃銅，其供應狀態強度高、變形抗力大、存在加工硬化現象，擠壓成形對模具材料強度要求很高，而且要經過退火軟化處理。根據零件結構特點，主要采用正擠壓或反擠壓兩種方式一次成形擠壓工藝。一次成形擠壓工藝是最理想的工藝方案，可以最大限度節約資源，提高生產效率，產生最大經濟效益。但是由于該零件成形是擠壓球面成形，成形球面的回彈嚴重，回彈包合力大，成形球面會將模芯球面包合在一起，反擠脫模比較困難，所以采用正擠方式。根據零件工藝分析，制定的成形工藝流程如圖3所示：供應狀態棒料→制坯→擠壓成形→機加工→入庫。

工藝計算

⑴擠壓毛坯尺寸確定。

根據零件圖，零件的體積V= 2424.52mm3。在擠壓完成時，凸模與凹模的最終距離確定為4mm(距離過小時，擠壓力急劇上升)。根據V坯=V擠壓件原則，V坯= 2424.52mm3。為了使材料的變形程度和移動量盡量小，選取毛坯的直徑與滑履零件大端直徑一致，即d為21.5mm，r=d/2，因此毛坯的高度h = V坯/ （π×r2）=6.68mm。

⑵擠壓力的計算。

選擇擠壓設備主要依據擠壓力大小,采用實驗公式計算法，冷擠壓成形時，擠壓力可按下式估算：

F＝Ap＝AxnKσb

圖3 滑履成形工藝圖

式中，F為擠壓力（kN）；A為坯料截面面積，為362.87mm2；p為單位擠壓力（MPa）；x為模具形狀系數，取1.1；n為擠壓變形程度系數，取6；K為安全系數，一般取1.3；σb為擠壓前毛坯的抗拉強度，為375MPa。所以，F=1167.5kN，故可以選擇315t的液壓機。

成形方案的模擬分析

模擬模型的建立

⑴根據坯料和模具結構軸對稱特點，選取坯料和模具的1/12進行模擬，可以減小模擬的運算量；⑵坯料和模具由SolidWorks軟件保存step文件導入后，劃分網格毛坯的單元數12156，結點3275；⑶材料選用錳黃銅；⑷邊界條件為常摩擦模型，模具用的潤滑劑MoS2，摩擦系數0.12；⑸壓機速度為0.006m/s，壓力最大載荷315t；⑹溫度為冷擠溫度20℃。

Qform軟件模擬的成形結果及分析

⑴對模擬結果成形件平均應力進行分析。圖4是正擠成形后平均應力圖，由圖4可知下半部分球面和柱面變形區的平均壓應力相對較小，但平均應力分布不均勻，有的地方幾乎是拉應力，這是由于下半部分坯料與模具內外面都接觸，所以摩擦力很大，特別是在潤滑條件不好的狀態下，造成金屬流動不均勻而且產生附加拉應力，當滑履內球面以下塑性變形完成后處于剛性平移狀態，這時附加拉應力便轉變為殘余應力，最大殘余拉應力為167.1MPa，容易產生裂紋和造成擠壓件變形，這對擠壓件質量極為不利，所以要考慮采用摩擦因子小的潤滑劑，改善潤滑條件。同時可以考慮采用模具工作帶，減小摩擦力。整個上半部分變形區的平均壓應力都很大，特別是臺階圓角過渡處，這里是金屬流動死區，最大達到3138MPa，最好模具鋼材料抗壓強度3000MPa左右，模具會由于擠壓應力過大發生失效。

⑵對模擬結果成形件流動應力進行分析。圖5所示為擠壓成形的應變圖，在正擠壓過程中，有效應變最大的地方主要集中在成形件內球面，在成形件的柱面也有少許較大有效應變，最大有效應變3.074，變形量很大，由于材料彈性模量110GP，成形后球面回彈嚴重，影響零件球面尺寸精度。

圖4 擠壓成形平均應力圖

圖5擠壓成形應變圖

圖6 擠壓過程的行程-載荷曲線

⑶擠壓成形過行程和載荷因素的分析。圖6所示為該材料成形擠壓過程的行程-載荷曲線。可以看出，最初正擠早期階段的壓力比較小，壓力變化比較平穩，到了成形球面段，擠壓變形不穩定，壓力顯著變大，最后成形柱面，擠壓力將繼續增加，增加幅度相對平緩，但擠壓力最大，此階段對模具和設備的強度和剛度要求越來越高，最大成形力為1145kN，與我們估算擠壓力一致，模具的強度設計和設備的選用要以此階段為依據。

圖7 滑履改進后工藝流程圖

工藝改進及改進后的模擬結果

擠壓工藝的改進

經過以上模擬分析，一次成形雖然能實現滑履成形，但其擠壓時平均應力超過模具鋼強度極限。而且一次成形球面變形量很大，很難保證零件球面成形精度，因此采用預成形和整形兩次成形工藝。預成形完成大部分變形量，整形階段主要保證成形件的尺寸精度。同時為了減小擠壓力，便于零件成形，可以改善模具的潤滑條件，采用摩擦因子更小的潤滑劑，并在零件的臺階處設置一些盡可能大的圓角或錐面過渡，便于金屬流動。根據以上工藝分析，改進的成形工藝流程如圖7所示：供應狀態棒料→制坯→擠壓預成形→擠壓整形→機加工→入庫。

圖8 預成形平均應力圖

圖9 整形有效應變圖

擠壓工藝的改進后模擬結果

二次成形工藝預成形擠壓時平均應力較大，由圖8可知最大平均應力2401MPa，比一次成形平均應力3138MPa大大降低，選擇高速鋼W6Mo5Cr4V2 (抗壓強度3000MPa)即可滿足模具強度要求。零件尺寸精度受整形階段有效應變影響，由圖9可知整形成形件內球面和柱面有效應變大大減小，有效應變控制在0.1～0.2，最大有效應變在臺階圓角過渡處也只有1.681，大大減小成形件的變形量，從而顯著減小回彈變形的影響，保證成形件的尺寸精度。工藝改進后，成形力也大大降低，二次成形工藝預成形擠壓時成形較大。圖10所示預成形成形力為700kN，比一次成形工藝下降445kN，有效的保護設備和模具，降低擠壓時的能耗。

圖10 預成形擠壓過程的行程-載荷曲線

工藝試驗

工藝試驗時應小心地將模具裝配好，以保證冷擠件的尺寸精度。試驗發現：該兩次成形工藝方案合理，大大降低擠壓力，很好地保證成形件的尺寸精度，并且有效保護模具。但是由于工藝分析和模擬是建立在理論基礎之上的，所以試驗試制過程中還存在一些問題：

⑴在頂出時，模芯在與模芯限位板臺階配合處易發生折斷，這是由于頂出力較大，加之臺階配合容易受偏心彎矩和應力集中作用，我們把模芯與模芯限位板采用錐面配合，可以很好地解決模芯斷裂問題。

⑵脫模時成形件下端口由于脫模阻力過大發生微塑性變形，經分析脫模阻力由滑履模芯與成形件的凹球接觸面上摩擦力和凹模與滑履外壁間摩擦力共同形成。為減小脫模阻力，采用先讓滑履擠壓件脫離凹模，再讓模芯與滑履擠壓件分離的梯度脫模方式，避免滑履端口承受過大的頂出力作用，保證成形精度。

采用以上合理、有效的措施，最終將滑履零件擠壓成形，尺寸和精度達到圖紙設計要求，實踐證明，該工藝方法宜于進行批量生產，經濟實用。

結論

滑履零件具有球形孔結構，而且零件本身精度要求高，采用機械切削加工，不但材料損耗大，而且生產效率低。本文通過對滑履零件成形工藝特點進行分析，設計的滑履零件正擠一次成形工藝，然后對其成形工藝進行數值模擬分析，發現一次成形擠壓平均應力超過模具鋼強度極限，而且一次成形球面有效應變大而造成球面回彈嚴重，保證不了球面成形精度。因此改進了滑履零件成形工藝，采用預成形和整形兩次成形工藝，成功地解決了一次成形擠壓平均應力過大和球面有效應變大的問題，從而有效保證零件成形精度，同時大大降低了擠壓平均應力和成形力，有效地保護了設備和模具，降低擠壓時的能耗，實現了對生產的指導，大大縮短了工藝試驗的周期。經工藝試驗驗證，該滑履成形工藝合理、實用，推廣應用前景廣闊。