杯形件温挤压成形的计算机模拟和试验研究

王艳蓉 杨有刚（西北农林科技大学  陕西杨凌  712100）

摘 要：为解决某杯形件的材料利用率低的问题，在对其成形工艺进行理论分析及数值模拟的基础上，提出了先温成形后冷整形的工艺，并用数值模拟的方法验证了该工艺的可行性，成形出了內形不需机加工的杯形件，达到了节材和高效生产的目的

关键词：杯形件；温成形；冷整形；挤压；数值模拟

     引言

     本文研究的杯形件采用温挤压技术一次成形，内表面无需加工的设计，是创新性的一次大胆尝试。通过对该弹体杯形件温挤压精密成形过程的数值模拟，分析了各工艺参数对该零件挤压成形的影响及模具在工作中的挤压受力情况，为此类零件或相似件的实际生产提供了理论依据及借鉴。

一、杯形件温挤压成形工艺

此杯形件用20钢材料，具有强度高，抗力变形大的特点，加热到工作温度后易发生氧化，零件内腔加工较难，但零件尺寸精度要求高，因此只能由模具保证内腔尺寸。如果采用单一温挤压成形根本达不到生产要求，故本文采用复合挤压技术，即温挤压—冷整形得综合精密挤压成形，具有生产效率高、材料利用率高、产品质量稳定等优点。                                               

                       图1.1   零件图

  成形工艺流程如图1.2所示：

                       图1.2 成形工艺流程

该工艺的主要工序是：材料经过精密下料，放入凹模进行毛坯预成形，送入中频感应炉中加热，放入压力机中精密反挤压成形，待零件温度达到室温后再进行精整，最后将零件外表面经过简单的机械加工。

二、杯形件温挤压成形的整套模具设计

1.模具材料的选用

本文温挤压所采用的凸、凹模材料，都选用4Cr5MoSiV1钢，此钢的美国牌号为H13，其V量较高，热强性、热稳定性和耐磨性均高于H11钢，但室温韧性较H11钢低。

冷整形所采用的材料为Cr12Mo1V1钢，它是国际上较广泛应用的高碳高铬冷作模具钢，属莱氏体钢，具有高的淬透性、淬硬性和高的耐磨性；高温抗氧化性能好，淬火和抛光后抗锈蚀能力好，热处理变形小。

2.装配图的确定

1.紧固螺钉.  2.上模板. 3.凸模垫板.  4.定位销  5.凸模固定板 6.打料板

7.打料螺钉   8.弹簧   9.下模板    10.螺钉11.顶杆    12.定位销13.螺钉  14.凹模垫板   15.预应力圈   16.挤压凹模   17.定位圈   18.挤压凸模19.限位柱   20.装模螺钉

三、杯形件温挤压的有限元数值模拟

此杯形件的挤压二维图如图3.1~3.2。在金属成形的大变形中，比起塑性变形，弹性变形仅占很小的部分，几乎可以忽略，因此本文采用刚塑性材料模型对零件挤压成形过程进行数值模拟。  

      图3.1 挤压件二维图                      图3.2 模拟分析简图

1.摩擦系数的影响

 a．m=0.1     b．m=0.2     c．m=0.3

                  图3.3 受摩擦系数影响的等效应变图

图中分别选用0.1、0.2、0.3三组摩擦系数进行模拟，反映了不同摩擦系数下的等效应变图，由图可知，其它变形条件相同，摩擦条件的变化对工件内等效应变的分布影响不大，最大等效应变均为3.6左右；但是，随着摩擦系数的增大，变形体内的小、大变形区的等效应变都相应增加了，这是由于工件表面摩擦条件发生了恶化，才导致工件表层金属流动性能下降。总之，摩擦系数的增加使得变形的不均匀性增大。

2.挤压速度造成的影响

提高挤压速度能降低挤压表面的摩擦系数，降低变形抗力。

在不同挤压速度下的等效应变分布如下图。从图中可知，变形速度分别为1mm/s、5mm/s、10mm/s时，对应的最大等效应变分别为3.32、3.26、3.37，最小等效应变分别为0.248、0.254、0.267，所以，各速度对应的最大等效应变与最小等效应变的差值分别为3.072、3.006、3.103，由数据得知，挤压速度为5 mm/s时的差值最小，因此确定适宜的变形速度为5 mm/s。

  a．1mm/s         b．5mm/s    c．10mm/s

图3.4不同速度下的等效应变分布图

3.挤压温度的影响

      a．820℃   b．850℃       c．900℃

图3.5不同温度下的等效应力分布图

在挤压中，挤压温度的选择极其重要，温度过低，坯料的变形抗力大，模具的使用寿命降低，温度过高，坯料快速氧化，成形后的工件表面质量差，塑性成形性能下降。对20钢来说，虽然挤压性能较好，在热状态下的塑性较高，但依实际情况，温度过高易使挤压凸模温度升高，使凸模发生退火变形，导致凸模寿命降低。由上图3.5可以看出，工件的最大等效应力分布在工件与模具的接触处，在与凸模的接触处尤为明显，尤其是凸模下端的拐角处，从变形开始至结束，拐角处的应力值最大，表明此处金属加载后产生了较大的塑性变形，为使金属变形容易且凸模不受太大的力，应使凸模拐角处尽量圆滑。所以，综合考虑，坯料的加热温度选择为850℃。

4.冷整形过程的模拟

当杯形件在温成形冷却至室温后，经过表面处理还要进行后续的冷精整，以满足零件内部的尺寸要求，所以零件还要经过下图所示的变形过程。

图3.6冷整形过程变形三维图

由模拟过程可知，冷整形时金属的变形过程和温成形时金属的变形过程基本一致，都是在开始时金属先往下流动，缓慢地将凹模底部充填完整，多余的金属接着会在挤压力的作用下反向流动至杯形件的外壁。越靠顶端，金属的流动速度越快，整个过程金属流线保持连续完整。

采用有限元模拟软件Deform，对杯形件的温挤压成形过程进行了二维模拟，分析了不同变形工艺参数对挤压过程的影响。主要结论是：

（1）在挤压成形过程中的金属流动剧烈处过渡圆角半径R应尽可能的增大,挤压模具上的圆角半径大小的设计十分重要，稍有尖锐部分都会阻碍金属的正常流动、加剧模具的磨损,因此圆角的选择原则是：在允许范围内尽量选较大数值。

（2）摩擦系数的大小主要影响挤压过程中挤压力的高低、模具温升及磨损，文中选用了0.1、0.2和0.3三组摩擦系数进行了数值模拟，得出随着摩擦系数的增大，等效应变增大，变形趋于不均匀，所需成形力也增大。所以在挤压时必须采取好的润滑措施，尽量减小摩擦系数，以降低成形力，改善模具的工作条件，延长模具寿命。

（3）其它变形条件相同，变形速度的增加在某种程度上可使变形趋于均匀化，但变形速度过大反而会加剧变形的不均匀。由模拟结果确定最终挤压速度为5mm/s。

（4）对金属流动的速度场进行了模拟分析，发现杯壁两侧的金属流动速度小于中间的，零件顶端出现不平就是这个原因。

（5）通过对冷、温挤压变形过程载荷的对比，发现冷挤压凸模的挤压力是温挤压的两倍。

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