基于數值模擬汽車發動機活塞銷擠壓成形過程研究

中圖分類號：U463.67 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）10-0145-03

【Abstract】Aiming at the problems such as high material consumption，high cost and low effciency existing inthe traditional machining processof automotive engine piston pins，this paper proposes tooptimize the manufacturing process bycombining extrusion forming technologywith numerical simulation methods.By establishingathree-dimensional finite elementmodelofthe piston pin （withadiameterof 16mmandalengthof 60mm），the extrusionforming processof42CrMo alloy steel was simulated using DEFORM-3D software，and the influences of key parameters such as damage factors， folding Angledefects，and the variation curveofload with timeontheformingqualitywere analyzed.Research shows that optimizing the extrusion speed can significantlyreduce therisk of cracking.The maximum damage factorin the simulation is 0.248，andno cracking occurs.Byoptimizing the moldstructure （adjusting theentryAngleandlubricationconditions）， themaximum folding Angle is 234^° （lower than the safety threshold of 270^° ），avoiding foldingdefects.The maximum extrusion force reaches 14，080kN （based on a 16OOt press）. The coordinated optimization of extrusion speed， temperature and die design can enhance the uniformity of material flow.

【Key words】piston pin;extrusion forming;numerical simulation;damage factor;folding corner defect; process optimization

0 引言

隨著世界汽車制造業的高速發展，人們對汽車發動機各關鍵部位的要求逐漸向高端化發展，作為連接活塞和連桿的中間部件，活塞銷的品質直接影響發動機的壽命和可靠性。目前汽車發動機設計的活塞銷材料多選用高強度合金鋼以滿足工作環境和服役條件的高溫、高壓、交變載荷的要求，而機械加工傳統工藝路線存在材料消耗大、生產成本高、加工周期長、生產效率低等問題[1]。

本文通過對活塞銷擠壓成形過程進行數值模擬，獲取實際生產所需的工藝參數可行域，為后續在實際生產中進一步縮小最優參數范圍提供理論依據。

1擠壓成形技術與數值模擬應用

擠壓成形技術是金屬塑性成形的重要方法，在活塞銷制造中應用廣泛。該技術是指在特定溫度條件下，借助模具對金屬施加擠壓力，使金屬發生塑性變形，最終獲得符合幾何形狀與尺寸精度要求的工件。在活塞銷擠壓成形過程中，金屬材料的流動特性與模具幾何形狀是影響成形品質的核心因素。42CrMo 合金鋼因具備優異的綜合力學性能，成為活塞銷的常用材料[2-3]，其流動行為受擠壓速度、擠壓溫度、模具結構等參數影響顯著，通過精準控制這些參數，可有效降低材料缺陷率，提升活塞銷的機械性能與耐磨性。

數值模擬是優化活塞銷擠壓成形工藝的核心工具。本研究通過構建精確的有限元模型，可仿真不同工藝參數（如擠壓力、溫度、應變）下的成形過程，獲取變形區的應力應變分布規律。這一過程不僅能提前預測成形缺陷，還能測算合理的工藝參數窗口，基于模擬結果對模具結構與金屬變形過程進行精準控制，最終顯著提高成形品質，降低工藝試制成本。在實際工藝優化中，需根據活塞銷的擠壓工藝流程，在適宜溫度條件下開展模擬，完成擠壓力、溫度、應變等關鍵參數的仿真分析，確定合理的擠壓變形參數，為后續工藝改進提供科學依據。

慮到活塞銷結構對稱，為提高計算效率，僅對1/4模型進行建模分析，通過對稱面設置確保模擬結果的完整性。對于復雜幾何結構與邊界條件，采用子模型化方法進一步優化分析精度，活塞銷CAE模型如圖1所示。

2 活塞銷工藝性分析

材料性能是影響活塞銷擠壓成形工藝參數（擠壓速度、擠壓壓力、模具設計等）的關鍵因素。汽車發動機活塞銷常用42CrMo合金鋼制造，該材料具有出色的綜合機械性能，抗拉強度可達 1080MPa ，屈服強度約為 930MPa ，且沖擊韌性優異。在數值模擬中，需采用能夠反映材料硬化行為的彈塑性本構關系模型，以精準模擬其變形過程。

此外，活塞銷在發動機工作過程中需承受循環熱－力載荷，因此在模擬分析中還需納入材料的熱力學性能參數，如熱膨脹系數、熱傳導系數等。結合42CrMo合金鋼的本征性能參數，通過數值模擬可以分析不同擠壓速度與擠壓溫度下的成形品質，為工藝參數的改進與優化提供理論支撐。

3活塞銷擠壓成形數值模型建立

3.1 幾何模型的構建

圖1活塞銷CAE模型

幾何模型的準確性是確保數值模擬結果可靠的基礎，建模過程先確定活塞銷的物理結構、再綜合考慮材料流動規律、應力分布特征及熱傳遞現象。本研究采用三維建模軟件構建活塞銷幾何模型，作為有限元分析的基礎[4]。模型尺寸嚴格遵循實際活塞銷參數：直徑 16mm 、長度 60mm ，同時精確還原活塞銷的中心孔（直徑 10mm ）、凹槽等關鍵結構這些結構直接影響金屬流動與應力集中，若建模時忽略，將導致模擬結果與實際成形過程偏差較大，無法準確反映流體填充情況及最終產品品質。

3.2 網格劃分與模型簡化

合理的劃分網格與模型簡化可在保證分析精度的同時，降低有限元計算資源消耗。本研究采用四面體單元對活塞銷模型進行網格劃分，該單元類型能精準模擬擠壓成形過程中各部位的性能變化。考模擬參數設置需結合材料特性與工藝實際：摩擦形式采用剪切摩擦，參考 42CrMo 合金鋼高溫摩擦特性的相關研究，摩擦系數取0.25；壞料溫度設定為 1150^°C ，該溫度可確保材料處于奧氏體區并獲得最佳塑性；模具預熱溫度 300^°C ，環境溫度 20% ：網格數量為16000，模具下壓速度 1mm/s ，每步步長0.1mm ，其余參數采用DEFORM-3D軟件默認值。

4活塞銷擠壓成形過程的數值模擬分析

4.1 損傷因子對成形品質的影響

損傷因子是評估活塞銷擠壓成形過程中開裂風險的關鍵指標，當損傷因子達到或超過材料臨界損傷值時，工件表面或內部出現裂紋的概率顯著升高；損傷因子越小，鍛件開裂風險越低，使用壽命越長。本研究采用Cockcroft amp; Latham[5斷裂準則評估裂紋產生可能性，其數學表達式為：

式中： —等效應力； σ^* —最大應力，當最大主應力 σ₁≥0 時， σ^*=σ₁ ，當 σ₁lt;0 時， σ^*=0 ： （20等效塑性應變； ——材料發生斷裂時的總應變;C. ——臨界破壞值，是材料常數。

在實際生產中，擠壓速度、模具設計、材料特性均會影響損傷因子：優化擠壓速度可減少材料內部應力集中；合理的模具結構能改善材料流動均勻性；通過熱處理提升材料塑性，可進一步降低損傷因子。由圖2可知，模擬最大損傷因子為0.248。根據文獻[5]， 42CrMo 合金鋼在類似熱成形條件下的臨界損傷值C約為 0.35～0.42 ，本研究壞料溫度 1150^qC 、應變率 ≈0.01s^-1 （擠壓速度 1mm/s ，壞料直徑 16mm ），故取 C=0.35 ，由于模擬最大損傷因子遠低于臨界值，因此判定該工藝下工件開裂風險極低，鍛件成形效果良好。

4.2折疊角缺陷對成形品質的影響

折疊角缺陷主要源于材料流動不均勻或受阻，導致局部區域材料堆積、卷折。擠壓速度、模具設計、材料溫度是控制材料流動均勻性的核心參數：擠壓速度過快會導致材料無法充分填充模具腔體，易在角落形成折疊；模具結構不合理會阻礙材料流動，加劇折疊風險；材料塑性不足則會降低材料流動性能，增加折疊概率。通過DEFORM-3D軟件可精準預測材料流動行為，據此優化模具結構（調整入口角度）與潤滑條件，有效改善材料流動均勻性；同時，適當的熱處理工藝可提升材料塑性，進一步減少折疊角缺陷。由圖3可知，模擬最大折疊角為 234^° ，該缺陷主要產生于成形后期材料匯流過程。根據折疊角判據，當折疊角不大于 270^° （圖4）時，金屬表皮卷折后不易形成明顯縫隙缺陷，因此該工藝可有效避免折疊問題，但需重點關注成形后期上端口的材料流動狀態。

4.3 載荷分析對成形品質的影響

載荷隨時間的變化曲線是優化擠壓工藝、保障成形品質的重要依據。通過分析載荷變化，可識別材料流動不均勻的問題，進而調整模具設計或工藝參數，減少裂紋、折疊、不均勻硬化等缺陷；同時，載荷數據還能預測模具磨損情況，為預防性維護提供支撐，確保生產連續性。

由圖5可知，模擬最大載荷為 3520kN （基于1/4模型），因活塞銷結構與受力完全對稱，1/4模型載荷可線性放大至全模型，實際生產中總擠壓力=3520kN×4=14080kN 。根據行業標準，壓力機額定壓力需預留 10%～20% 超載余量，故所需壓力機額定壓力 ?14080kN×1.2=16896kN ，選用2000t壓力機（ 2000×9.8=19600kN?16896kN 可滿足生產需求。載荷變化規律符合成形過程：成形初期，材料受壓變形，壓力急劇上升；成形平穩階段，成形面積穩定，壓力基本保持不變；成形后期，由于成形區域空間縮小、材料流動面積增大，壓力突然激增

圖5凸模的載荷隨時間的變化曲線圖

4.4擠壓工藝參數優化

為確定最優擠壓工藝參數，本研究通過對比不同擠壓速度（ 0.5mm/s 、 1.0mm/s 、 2.0mm/s ）下的模擬結果，分析損傷因子、折疊角、載荷曲線的變化規律：當擠壓速度為 0.5mm/s 時，成形效率低，且材料易因長時間受熱導致晶粒粗大；當速度為 2.0mm/s 時，損傷因子升至0.32（接近臨界值0.35），折疊角增至 258^° ，開裂與折疊風險顯著升高；當速度為1.0mm/s 時，損傷因子（0.248）與折疊角（ 234^° ）均處于較低水平，載荷曲線平穩，成形效率與品質達到最佳平衡，因此確定 1.0mm/s 為最優擠壓速度。

結合坯料溫度 1150^°C 、模具預熱溫度 300^c 的參數設置，形成一套完整的優化工藝方案，可有效保障活塞銷成形品質。

5結論

本研究通過DEFORM-3D軟件對汽車發動機活塞銷的擠壓成形過程進行了系統模擬與優化分析，得出以下具體結論：模擬結果表明，在壞料溫度1150^°C 、模具預熱溫度 300^eC 、擠壓速度 1mm/s 的工藝參數下，可有效將損傷因子最大值控制在0.248，遠低于 42CrMo 材料的臨界損傷閾值，顯著降低了開裂風險。同時，最大折疊角被控制在 234^° ，低于安全閾值 270^° ，有效避免了折疊缺陷的產生，載荷分析顯示，最大擠壓力為 14080kN ，選用 1600t 壓力機可滿足生產需求。

參考文獻

[1]王培安，郭歡歡.定徑帶長度對花鍵冷擠壓成形品質影響分析[J].西華大學學報（自然科學版），2021，40（2）：31-38.

[2]隋毅，梁強.組合形活塞銷冷鐓擠成形工藝[J].鍛壓技術，2020，45（1）：109-113，124.

[3]隋毅，梁強.組合形活塞銷冷鐓擠成形工藝方案設計[J].鍛壓技術，2019，44（6）：97-103.

[4]梁強.活塞銷冷鐓擠成形微折疊缺陷分析及改進措施[J].塑性工程學報，2018，25（6）：99-104.

[5]邢勇，權國輝．基于臨界損傷因子的40Cr傘齒輪鍛造溫度優化[J]．熱加工工藝，2009，38（11）：96-98.

（編輯 林子衿）