梭床冷擠壓成形方案研究與模具設計

張京，吳淑芳, 陳風龍，王培安，陳卜寧

(長春理工大學機電工程學院，吉林長春 130022)

0 引言

隨著能源的過度消耗，國家提出綠色環保再生產理念，鍛造行業面臨著制造轉型，采用較低的能耗完成等價生產。冷擠壓是在常溫下對毛坯擠壓成形，此擠壓工藝可以減少材料切除，生產成本比機械加工方式降低幾倍到幾十倍，材料利用率最高可以達到80%，并且具有較高的尺寸精度和力學性能[1]。

梭床是紡織廠工業縫紉機中的重要零件之一，其質量好壞直接影響著縫紉性能和經濟效益。工作時，必須要求其裝配精度高、轉速高，零件要有高硬度和高耐磨性的特點。目前，國內主要的成形工藝還是采用車削加銑削的方法，效率不高且浪費材料嚴重。陳偉等人[2]根據梭床的結構特點采用正反復合擠壓成形方法并驗證了可行性。

1 冷擠壓成形工藝設計

1.1 梭床材料選擇

為了保證梭床在使用過程中的力學性能以及生產過程中的技術要求，在冷擠壓工藝條件下選取材料，應盡量保證材料具備硬度高、韌性大的特點。初步選擇的零件材料為20Cr鋼。目前，20Cr鋼是我國產量最大、應用最廣的幾種鋼材之一，其韌性比15CrA要差，但該鋼具有淬透性高、低溫沖擊韌性好和回火脆性不明顯的特性，可滿足此鍛件的冷擠壓性能要求。查文獻[3]可知，20Cr鋼的主要化學成分和力學性能分別見表1和表2。

表1 20Cr鋼的化學成分

表2 20Cr鋼的力學性能

1.2 有限元三維建模

梭床的種類較多，圖1是某梭床的二維零件圖，通過對它進行工藝分析，為其他類型的梭床提供參考。從圖1可以看出，該鍛件結構相對簡單，屬于典型的杯-桿類回轉體鍛件。為了保證鍛件性能，虛線部分為高度方向修邊余量。作者利用大型通用建模軟件SolidWorks進行建模。圖2所示為該梭床的三維模型圖。通過對梭床三維建模，進一步掌握其結構特點，為確定成形工藝方案提供準確依據。

圖1 二維零件圖

圖2 三維模型

1.3 毛坯體積確定[4]

在冷擠壓成形過程中，依據毛坯體積與擠壓件體積相等原則近似計算，由于冷擠壓后還需要機加工工序，所以參考表3對鍛件加入修邊余量，如圖1所示。為了保證鍛件具有良好的性能，復合擠壓件的修邊余量將分別進行計算，此鍛件的杯部高度為15 mm，小于20 mm,所以高度方向的修邊余量Δh為2.5 mm；桿部高度為8 mm，小于10 mm，所以高度方向的修邊余量Δh′為2 mm。通過相關計算得出修邊余量體積Vb=1 263.847 mm3，毛坯總體積：

V0=V1+Vb=8 611.062+1 263.847=9 873.909 mm3

式中:V0為毛坯總體積(mm3)；V1為成形件的體積(mm3)；Vb為修邊余量的體積(mm3)。

表3 軸對稱冷擠壓件高度修邊余量Δh值 mm

1.4 毛坯尺寸分析[4]

(1)一般情況下，坯料的外徑尺寸是由對應凹凸模的尺寸所決定，坯料的外徑尺寸要接近成品擠壓件的尺寸且能自由放入模具中。因此，坯料直徑應滿足：

Dp=Do-(0.1～0.2)mm=15-(0.1～0.2)=14.8～14.9 mm

式中:Dp為坯料直徑(mm);Do為下凹模外徑(mm)。

初步選定坯料的直徑為14.8 mm。

通過上述結論可以得出坯料高度H1：

式中:A1為坯料截面面積(mm2)。

初步擬定坯料的尺寸：φ14.8 mm×57.5 mm，如圖3(a)所示。

圖3 坯料二維圖

(2)對于坯料鐓粗過程，一般坯料高徑比除超長軸類外，其余均不大于2.5～3，但第(1)步中計算尺寸H1/Dp≈3.89>3，不符合技術要求，所以選擇直徑25 mm的圓形實心棒料并計算高度H2如下：

式中:A2為直徑為25 mm坯料截面面積(mm2)。

此時，擬定坯料尺寸：φ25 mm×20.2 mm，如圖3(b)所示。

(3)一般鍛件進行擠壓鍛造時，可以通過增大直徑、減小高度的方法去除鐓粗階段，所以另選直徑為28 mm的圓形實心棒料并計算高度H3如下：

式中:A3為直徑為28 mm坯料截面面積(mm2)。

此時，擬定坯料尺寸：φ28 mm×16.1 mm，如圖3(c)所示。

2 成形工藝流程方案確定

2.1 成形工藝方案備選

按照此零件外形特點，如采用機加工方式切除成形，就會造成廢料量大、工時長、內部結構疏松等缺點,所以采用冷擠壓成形工藝，有效節約材料和縮短工時，提高生產效率，再通過機加工方式達到零件質量要求。根據圖1的結構特點，初步提出以下3種成形工藝方案:

方案一：坯料采用φ14.8 mm的圓形棒料，擠壓過程采用兩步工序完成:第一步是對坯料下壓35 mm的鐓粗階段，第二步是對鐓粗件下壓11.5 mm的反擠壓階段。

方案二：坯料采用φ25 mm的圓形棒料，擠壓過程采用兩步工序完成:第一步是對坯料下壓8 mm的鐓粗階段，第二步是對鐓粗件下壓9.2 mm的正反復合擠壓階段。

方案三：坯料采用φ28 mm的圓形棒料，擠壓過程只需一步工序完成。通過對坯料下壓13.1 mm的正反復合擠壓階段。

根據擠壓成形工藝可知，方案一坯料高徑比大于3，在鐓粗階段可能會出現彎曲現象，更重要的是心部應力狀態差，易產生鍛造缺陷，所以此方案不適合。方案二坯料高徑比小于1，雖然通過坯料鐓粗過程能使鍛件內部結構更加縝密，力學性能提高，減少內部應力的各向異性,但20Cr的硬度相對較高，鐓粗可能會在外圓壁產生縱向裂紋，導致鍛造失敗。方案三通過增大坯料直徑，降低坯料高度，從而去除鐓粗階段，對坯料直接正反復合一次成形，相對方案二，縮短了加工時間，提高了生產效率。綜上所述，通過對方案二和方案三進行數值模擬分析，確定更加有效的工藝方案。

2.2 邊界條件設置

為了減少模擬時間和提高模擬精確程度，將在模擬過程中只采取整體坯料的1/8進行模擬。通過SolidWorks三維畫圖軟件對坯料、凸模和凹模進行三維建模并對其進行裝配，把裝配體保存為STL格式。

通過DEFORM-3D進行模擬過程中，需要對工藝參數進行設計和預定，再將正反復合擠壓方式與反擠壓一次成形相對比。其中鍛件材料選用20Cr鋼(AISI-5120)，模具則采用4Cr5MoSiV1(AISI-H13)制造。

具體參數參考文獻[5]作以下設置：坯料設置為塑性，溫度設置為20 ℃。網格劃分采用精細劃分中的絕對劃分方式，其中Size Ratio為2，Min Element Size為0.3 mm ，劃分網格數共42 289個；上、下模設置為剛性，溫度設置為20 ℃，上下模的網格劃分通過網格生成器中的相對網格設置功能，上模網格數共19 558個，下模網格數共29 230個。坯料與空氣之間的熱傳遞系數設置為1 N/(s·mm·℃)，上下模的硬度設置為HBC50，成形速度設置為20 mm/s，潤滑系數設置為0.12。

2.3 成形結果分析

文中從成形載荷、等效應變、等效應力、鍛件溫度和折疊角等方面進行數值模擬分析。方案二模擬結果如圖4所示，方案三模擬結果如圖5所示。

圖4 方案二模擬結果示意圖

圖5 方案三模擬結果示意圖

(1)成形載荷

成形載荷是整個成形過程中最重要因素之一，成形載荷越小，所需擠壓力越小，生產成本越低；同時內部所產生的內應力也會越小，越有利于鍛件的實用性。方案二的最大成形載荷為5×105N，方案三的最大成形載荷為4.78×105N，方案二比方案三增加了4.6%。

(2)等效應變

等效應變是用來衡量鍛件變形的重要參數，可以看出：最大值主要出現在圓角和杯壁表面，說明在擠壓過程中此處的變形最為激烈，方案二的等效應變最大值為12.7 mm/mm，方案三的等效應變最大值為14.3 mm/mm，方案二比方案三降低了11.2%。

(3)等效應力

等效應力是衡量鍛件變形過程中所受變形力大小的重要參數，最大等效應力值必須大于材料的屈服強度，才能使材料發生形變,但也必須小于抗拉強度，如果最大等效應力值大于抗拉強度值，坯料將產生斷裂現象。方案二的等效應力最大值為779 MPa，方案三的等效應力最大值為805 MPa，兩者基本相同，均大于20Cr的屈服強度且小于抗拉強度極限，滿足擠壓要求。

(4)鍛件溫度

鍛件溫度的高低對模具硬度影響較大，鍛件溫度越高，模具硬度越低，將加大模具與鍛件磨損，造成鍛件表面粗糙度增大和模具使用壽命縮短；又因為鍛件溫度越高，所需冷卻時間越長，生產效率越低，不符合經濟至上理念。方案二的成形溫度最大值為411 ℃，方案三的成形溫度最大值為372 ℃，方案三比方案二降低9.5%。

(5)折疊角

折疊角是用來衡量擠壓件出現折疊現象的重要參數，當折疊角大于270°時，鍛件產生折疊的可能性將大大增加。兩個方案最大折疊角都出現在杯形上部，屬于機加工部分。兩方案的最大折疊角基本相同，都在230°左右，小于270°，所以擠壓件出現折疊的可能性非常小。

綜上所述，分析兩種成形方案的模擬結果可知:兩種方案的成形因素相差不大且都能滿足鍛件的技術要求。但方案二在高徑比小于1的情況下再進行鐓粗工步，加大了鍛件成形操作時間、模具制造成本和軟化處理成本，因此從模擬結果看，用方案三的工藝過程更適合此鍛件生產。

3 模具設計

圖6為封閉式正擠壓力機模具結構示意圖，此模具采用雙卸料結構，即上頂出機構和下頂出機構。

(1)當未進行壓模時，由于凸模套固定圈7和凸模20的定位作用，凸模套8處于定位狀態。進行壓模時，凸模套8上端依靠凸模墊板4和凸模固定板5的反作用力固定并下壓鍛件，此時上復位彈簧并未達到彈性極限，保證擠壓力能夠滿足鍛件變形力要求。

(2)擠壓完成后上模上行階段，擠壓件可能會由于熱效應和擠壓作用，被粘在凸模A和凸模套8上時，在壓力機導柱9提高上模板2的過程中，依靠上復位彈簧1的彈性力和凸模套8的自重使凸模套下行把擠壓件與凸模分離，從而使鍛件從凸模中脫落下來。

(3)為了方便取出擠壓件，傳統鍛壓機中都會存在頂桿裝置，作者設計下復位彈簧12來代替頂桿。當凸模下壓時，頂料桿14依靠凹模墊板13的反作用力使之固定，此時下復位彈簧12并未達到極限狀態；當凸模上行時，下復位彈簧12壓力減小，依靠彈簧彈力把頂料桿14推動上行，自動把擠壓件頂出，不消耗外加能量。

(4)在正反復合擠壓過程中，由于凹模部分變形量大，產生熱能高，易造成凹模硬度降低，從而導致過度磨損，使模具過早失效，造成經濟損失。在凹模托板15和凹模套固定圈19上開冷卻孔，以便于外接管接頭通入冷空氣或冷水對凹模套18進行冷卻，從而對凹模產生冷卻效果，減小擠壓磨損，增加使用壽命。

圖6 模具結構示意圖

4 結論

(1)通過梭床結構分析，精確計算并確定成形工藝方案。運用DEFORM-3D軟件對3種工藝方案進行數值模擬。

(2)通過分析模擬結果，從成形載荷、等效應變、等效應力、鍛件溫度和折疊角等方面研究兩種成形方案的異同點，最終確定采用正反復合一次成形方案更適合此鍛件生產，為此鍛件的實際生產提供了理論方向，具有合理的理論指導意義。

(3)設計了帶雙卸料機構和冷卻孔的新型模具結構，利用上、下復位彈簧替代原有的頂桿裝置，依靠彈簧自身的變形力使鍛件出模，減少了能量消耗，節約成本。

參考文獻:

[1]王曉強,霍穎,劉瑞秀.冷擠壓設備現狀及發展[J].鍛壓裝備與制造技術,2007，42(3):28-30.

WANG X Q,HUO Y,LIU R X.Present Conditions and Development of Cold-Squeezing Equipment[J].China Metalforming Equipment & Manufacturing Technology,2007，42(3):28-30.

[2]陳偉,陳丹,李炳.縫紉機梭床復合擠壓成形數值模擬分析[J].鑄造技術,2015,36(10):2 603-2 604.

CHEN W,CHEN D,LI B.Numerical Simulation and Analysis of Composite Extrusion Process for Sewing Machine Shuttle Bed[J].Foundry Technology,2015,36(10):2 603-2 604.

[3]全國鋼標準化技術委員會.合金結構鋼:GB/T 3077-2015[S].北京:中國標準出版社,2016.

[4]洪慎章.冷擠壓實用技術[M].北京：機械工業出版社，2014:71-84,87-109.

[5]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，2009:44-90.