基于SolidWorks的鎖芯冷擠壓模具凸模熱處理工藝研究

羅 成

（中山市基信鎖芯有限公司，廣東中山 528400）

0 引言

冷擠壓是指在冷態(tài)下將金屬毛坯放入模具型腔內(nèi)，在強大的壓力和一定的速度作用下，迫使金屬從型腔中擠出，從而獲得所需形狀、尺寸及具有一定力學(xué)性能擠壓件的成形工藝。該工藝具有工效高、節(jié)省材料、產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)點，在鎖具鎖芯生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用[1]。隨著人們對鎖具安全性能要求的提高，鎖芯也越來越復(fù)雜，對鎖芯的冷擠壓模具提出了更高的要求。

1 鎖芯模型

圖1所示為鎖芯模型，主要材料是黃銅。對于鎖芯，其形具有較高的復(fù)雜性，若是直接借助基礎(chǔ)切削方式進行生產(chǎn)，則會導(dǎo)致工藝十分繁瑣，并且對生產(chǎn)效率造成一定影響。同時，在鎖芯生產(chǎn)中，鎖芯零件生產(chǎn)批量較大，因此，冷擠壓模具并不適用于鎖芯生產(chǎn)中。

圖1 鎖芯模型

中國一些企業(yè)在采取冷擠壓工藝過程中，其模具使用壽命較短，而實際壽命對產(chǎn)品生產(chǎn)效率以及質(zhì)量等有著直接影響。模芯材料一般以Cr12MoV為主，該材料具有微變形性、抗壓強度良好、熱穩(wěn)定性、耐磨性、強韌性以及淬透性等特點。然而在實際應(yīng)用中，會存在凹模開裂、局部起層、凸模彎曲、斷裂以及局部產(chǎn)生鱗片狀等問題。為了使模具力學(xué)性能得到充分優(yōu)化，提升其使用壽命，對其開展了熱處理試驗，并最終加以確認[2]。之后通過構(gòu)建SolidWorks軟件與Simulation功能，結(jié)合有限元對凸模進行了分析，對其熱處理工藝合理性以及有效性進行充分驗證。

2 熱處理工藝

基于加工手段與合金的化學(xué)成份一定的條件時，可以借助熱處理工藝對模具型芯強韌度、硬度以及耐磨性等進行優(yōu)化，以避免出現(xiàn)早期失效的問題。Cr12MoV材料主要熱處理工藝是回火、淬火以及球化退火等工藝[3]，如圖2、圖3所示。球化退火存在碳化物球體缺少統(tǒng)一尺寸、碳化物網(wǎng)存在尖角碳化物以及偏析嚴重等不足，進而對模具使用壽命造成一定影響。回火與淬火工藝存在無法解決球化退火中的組織缺陷問題，致使模具的實際抗壓強度受到一定影響，造成早期失效問題。如圖3（b）所示的工藝，其存在點狀碳化物、網(wǎng)狀碳化物以及共晶碳化物等問題，與圖3（a）進行對比，發(fā)現(xiàn)能夠使模具韌性以及斷裂抗力得到明顯提升，然而其成本較高，模具壽命無法滿足預(yù)期要求。

圖2 球化退火

圖3 淬火、回火

表1 Cr12MoV改進熱處理方案與力學(xué)性能

通過對鎖芯模具實際應(yīng)用要求以及熱處理工藝進行綜合分析，制定熱處理方案，借助檢測Cr12MoV試樣的力學(xué)性能以及對其進行試驗，對最佳方案進行了確認，各個方案以及通過熱處理的力學(xué)性能[4]如表1所示。由表可知，二次回火、高淬高回+調(diào)質(zhì)工藝是最佳方案，Cr12MoV經(jīng)過該工藝處理之后，所有力學(xué)性能十分突出。后續(xù)借助有限元分析驗證該結(jié)果。

3 冷擠壓凸模的有限元分析

3.1 模具凸模的建模

SolidWorks的裝配能力及建模能力十分突出，能夠?qū)Ψ抡娌僮鬟M行靈活應(yīng)用。該軟件可以進行參數(shù)驅(qū)動，也能夠?qū)υO(shè)計數(shù)據(jù)進行隨意變動，與資源管理器中的特征管理器有較多相似之處，對復(fù)雜零件的層次關(guān)系以及設(shè)計細節(jié)等可以十分便捷地觀察，保證零部件和工程圖、裝配圖等實現(xiàn)同步更新。另外，SolidWorks在復(fù)雜曲面中表現(xiàn)出的造型能力十分突出，能夠?qū)?fù)雜曲面零件進行輕松、合理地設(shè)計。借助該軟件，對冷擠壓模具的凸模進行建模，能夠?qū)㈡i芯的制造全過程、外形結(jié)構(gòu)以及三維模型更加清晰、生動地展現(xiàn)出來。為了保證分析工作能夠順利開展，在正式開展分析工作前，應(yīng)該將模型簡化[5]。這樣能夠充分減少對分析結(jié)果的影響，同時，此種影響幾乎可以忽略不計。

鎖芯的圓角非常多，而模具凸模也有著較多的圓角，為了對網(wǎng)格數(shù)進行有效控制，保證分析工作順利開展，需對其周邊圓角進行處理，如圖4所示。

3.2 Cr12MoV靜力分析

表2所示為Cr12MoV熱處理前與熱處理后的物理屬性，對兩種情況同時開展測試。

圖4 冷擠壓模具的凸模模型簡化圖

夾具借助固定幾何手段對凸模表面進行充分固定，并在其上表面施加擠壓力，對模具閉合過程中實際員工作業(yè)情況進行充分模擬，如圖5所示為邊界條件[6]。將擠壓力的施加區(qū)域設(shè)定在其上表面，實際擠壓力凸模施壓面積以及坯料與擠壓為溫度過程的潤滑效果、力學(xué)性能、模具形狀以及變形程度等有直接關(guān)聯(lián)，擠壓力可借助經(jīng)驗公式進行計算：

式中：P為單位擠壓力，N/cm2，在對銅、硬鋁等材料進行冷擠壓時，通常取值1 000；F為實際積壓面積，mm2，一般對鎖芯的簡化模型取值1 680。

因此，實際施加的載荷力為：

P=1.3 pF=1.3×1 000×16.8=21 840 N

表2 Cr12MoV鋼熱在處理前與熱處理后的材料屬性

圖5 邊界條件

圖6 劃分結(jié)果

網(wǎng)格單元隨著劃分的精密度增加，分析結(jié)果會更加精確。本文借助曲率半徑網(wǎng)格單元，其類型屬于四面體實體，最大與最小單元分別為10.623 235 9 mm、2.124 647 18 mm，增長比率為1.6。對網(wǎng)格借助高品質(zhì)進行劃分，其雅可比點是4[7]。雅可比點主要代表單元的畸形情況，隨著點數(shù)增加，檢查也更加嚴格，會使其精度得到優(yōu)化，降低結(jié)算速度。由于Simulaiton軟件需要進行三角形單元設(shè)置，其內(nèi)部積分點只有一個，因此采用4點雅可比能夠充分保證精確度要求。圖6所示為劃分結(jié)果。

4 有限元結(jié)果和分析

對Cr12MoV熱處理前與熱處理后的凸模靜應(yīng)力進行分析發(fā)現(xiàn)，雖然其均在屈服極限的范圍，但是未進行熱處理的凸模，安全系數(shù)方面存在不足；進行熱處理后的凸模，安全系數(shù)得到有效提升，促使模具使用壽命得到充分延長[8]。主要原因在于進行熱處理之后，鋼材料的屈服強度上升到1 665 MPa，促使其安全性與可靠性得到充分提升。

5 結(jié)束語

對于Cr12MoV材料冷擠壓模具的斷裂以及彎曲等問題，利用SolidWorks軟件對其凸模進行建模。對熱處理前以及熱處理后的凸模進行靜應(yīng)力分析發(fā)現(xiàn)，借助Cr12MoV材料值設(shè)計的冷擠壓模型，在對其模具型芯進行調(diào)質(zhì)處理、高淬高回以及二次回火等處理之后，能夠充分優(yōu)化其力學(xué)性能并提升安全系數(shù)，使其使用壽命得到充分提升。因此，在熱處理工藝以及鎖芯生產(chǎn)等方面可以借鑒該研究。