冷擠壓成形技術(shù)是一種高效、高精度、優(yōu)質(zhì)低耗、少無(wú)切屑的先進(jìn)成形工藝技術(shù),材料利用率通常可以達(dá)到80%以上;制造的冷擠壓件最重可達(dá)30kg,最輕只有1g,零件的精度可達(dá)IT7~I(xiàn)T8級(jí),表面粗糙度Ra可達(dá)0.2~1.6;目前已廣泛應(yīng)用在機(jī)械、汽車、航天、儀表、船舶、軍工等工程領(lǐng)域。
利用計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)進(jìn)行冷擠壓成形優(yōu)化是一種非常高效的研究方法。本文研究的產(chǎn)品是襯套零件,是航空油泵中的一個(gè)重要零件,其材料為H65黃銅。該零件要求有良好的耐磨性和較高的表面質(zhì)量,并具備一定的硬度。圖1為襯套零件冷擠壓尺寸圖和實(shí)體造型圖(3/4)。
圖1 零件冷擠壓尺寸圖和實(shí)體造型圖(3/4)
襯套零件形狀雖然簡(jiǎn)單,但采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法既費(fèi)工時(shí)又費(fèi)材料;再者零件的尺寸較小,裝夾、加工都比較困難,表面質(zhì)量也不易控制,從而不能保證零件使用性能要求。
冷擠壓過(guò)程中金屬材料處于強(qiáng)烈三向壓應(yīng)力狀態(tài),變形后材料晶粒細(xì)化、組織致密且具有連續(xù)的纖維流向,因而可使零件的強(qiáng)度有較大提高。因此,采用冷擠壓成形工藝具有較大的優(yōu)勢(shì)。本文借助DEFORM-3D有限元軟件對(duì)襯套成形過(guò)程進(jìn)行仿真、分析,以便提出可行的工藝改進(jìn)措施。
1 零件擠壓工藝方案分析
根據(jù)工件的特點(diǎn),選擇正向擠壓。為了綜合優(yōu)化冷擠壓工藝,現(xiàn)擬定兩種方案,比較成形工藝的優(yōu)劣。
1.1方案1采用實(shí)心毛坯
先對(duì)實(shí)心坯料進(jìn)行擠壓成形,然后再?zèng)_裁掉中心處直徑φ16mm、厚5mm的材料,其具體的生產(chǎn)工藝流程為:實(shí)心坯料一退火一堿洗一酸洗一磷化一皂化一擠壓一沖孔,最后獲得零件。
實(shí)際需要的材料體積為7649.04 mm3;高度為10.83 mm,直徑為φ30mm。
1.2方案2采用空心毛坯
采用空心坯料直接擠壓成型,其生產(chǎn)工藝流程為:空心坯料一退火一堿洗一酸洗一磷化一皂化一擠壓成形,獲得零件。
實(shí)際需要的材料體積為6644.24 mm3;高度13.14 mm,直徑φ30 mm。
1.3斷面收縮率的計(jì)算
在塑性加工中,表示坯料變形程度的方法有多種,如斷面收縮率、對(duì)數(shù)應(yīng)變、擠壓面積比等。本文采用斷面收縮率ε來(lái)表示擠壓后坯料變形程度的大小。
方案l和方案2的斷面收縮率分別為ε1=74.7%和ε2=64.6%。H65黃銅的許用斷面收縮率[ε]=80%~ 90%,因而這兩種方案的斷面收縮率均符合要求,故一次擠壓即可成型。
2 建立模型及有限元前處理
2.1模型設(shè)計(jì)
根據(jù)模具設(shè)計(jì)得到的結(jié)果,采用Pro/E 5.0軟件對(duì)坯料和模具進(jìn)行三維實(shí)體建模。為了保證兩種方案條件的相同,模具的尺寸和倒角(R1)等保持一致。為了簡(jiǎn)化有限元仿真的計(jì)算量,只切取裝配體端面30°的縱向體(1/12),其造型見圖2。將實(shí)體造型以*.STL二進(jìn)制文件格式輸出保存,并導(dǎo)入DEFORM-3D中。
圖2 方案1和方案2的三維建模圖(1/12)
2.2有限元前處理DEFORM-3D的參數(shù)設(shè)定
本零件的材料是H65黃銅(對(duì)應(yīng)IS0426-1:1983 CuZn35)。其主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)為:63.5~68Cu,32~36Zn,0.03 Pb,0.5 Ni。采用軟件材料庫(kù)中與之相近的CuZn37材料作為坯料的材料進(jìn)行求解計(jì)算,上、下模設(shè)置為剛體。采用相對(duì)尺寸劃分網(wǎng)格,數(shù)量為12000。采用剪切摩擦模型,考慮到坯料已經(jīng)進(jìn)行了磷化和皂化處理,摩擦系數(shù)設(shè)為0.12。對(duì)于模具和坯料間的接觸公差,軟件自動(dòng)設(shè)置為0.0193。上模的下壓速度設(shè)置為12 mm/s。本零件在常溫(20℃)下擠壓,步長(zhǎng)為0.1 mm,每2步保存一次,總步數(shù)設(shè)定為100。完成前處理后,生成*.DB格式的數(shù)據(jù)文件,退出前處理模塊。
3 仿真模擬分析與后處理
3.1兩種方案的結(jié)果對(duì)比
在DEFORM-3D中多次進(jìn)行仿真模擬,可以看出,方案1實(shí)際運(yùn)行到第66步就完成了工件的擠壓成形,劃分的單元數(shù)目為8017個(gè),結(jié)點(diǎn)數(shù)目為2036個(gè);在第22步,其等效應(yīng)變和等效應(yīng)力均出現(xiàn)最大值,分別是10.4和286 MPa;金屬最大流速52.4mm/s出現(xiàn)在第65步;在填充擠壓階段和基本擠壓階段,上模的最大軸向負(fù)載15934.6N和下模的最大徑向負(fù)載649.936N均出現(xiàn)在第55步;在縮尾擠壓階段,上模的最大軸向負(fù)載和下模的最大徑向負(fù)載分別為19732N和866.287N,即在型腔即將充滿時(shí),由于擠壓仍在繼續(xù),造成了壓力的陡升。
方案2運(yùn)行到96步完成擠壓成形,劃分的單元數(shù)目為8063個(gè),結(jié)點(diǎn)數(shù)目為2045個(gè);在第8步,其等效應(yīng)變和等效應(yīng)力均出現(xiàn)最大值,分別是6.25和249 MPa;金屬最大流速48.2 mm/s出現(xiàn)在第96步;在填充擠壓階段和基本擠壓階段,上模的最大軸向負(fù)載8548.39N出現(xiàn)在第60步,下模的最大徑向負(fù)載407.789N出現(xiàn)在第94步;在縮尾擠壓階段,分別陡升到了12132.5N和552.16N。這兩種方案的應(yīng)變場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和總流速場(chǎng)云圖如圖3所示。將以上部分?jǐn)?shù)據(jù)列表對(duì)照如表1。
圖3 兩種方案的等效應(yīng)變場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、總流速場(chǎng)云圖
表1 兩種方案仿直結(jié)果對(duì)照
比較這兩種方案可知,方案2比方案l的最大應(yīng)變程度降低了40.0%,斷面收縮率降低了13.5%,最大應(yīng)力降低了l2.9%;軸向負(fù)載和徑向負(fù)載的最大降低程度均在填充擠壓和基本擠壓階段,分別為46.4%和37.3%。
為了進(jìn)一步深入分析,現(xiàn)在這兩種方案成形過(guò)程中靠近模具的相同位置取3個(gè)點(diǎn),見圖3(b),跟蹤這些點(diǎn)在整個(gè)成形過(guò)程中的等效應(yīng)力變化情況,如圖4所示。
圖4 定點(diǎn)跟蹤等效應(yīng)力變化曲線
點(diǎn)的位置均在模具尺寸變化的位置選定,這些位置容易出現(xiàn)應(yīng)力集中,便于評(píng)定模具所受的應(yīng)力大小,可以為模具設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。從等圖4可以看出,方案2的整體應(yīng)力均低于方案1的,與上述仿真模擬分析一致,可大大降低擠壓模具的應(yīng)力,有利于延長(zhǎng)模具的壽命。
研究金屬在擠壓變形過(guò)程中的流動(dòng)行為具有極為重要的實(shí)際意義。擠壓制品的組織、性能、表面質(zhì)量、外形尺寸和形狀精度、成材率、擠壓模具的正確設(shè)計(jì)、擠壓生產(chǎn)效率等,均與金屬流動(dòng)有著十分密切的關(guān)系。方案1在擠壓完成后,還要再?zèng)_裁掉中心處金屬橫向流動(dòng)形成的直徑φ16mm、厚度5mm的材料,勢(shì)必破壞零件在擠壓時(shí)形成的纖維流向,將直接導(dǎo)致擠壓所形成的穩(wěn)定應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞,極易造成局部應(yīng)力集中。同時(shí),零件的局部表面質(zhì)量也會(huì)喪失。
方案2以冷擠壓作為終加工直接成形,不需要破壞成形狀態(tài)的后續(xù)加工,零件獲得了較好的力學(xué)性能和表面質(zhì)量,材料的擠壓流動(dòng)性也得到了較大改善,有效降低了模具的應(yīng)力集中。
3.2最終成形方案的確定
通過(guò)對(duì)這兩種方案的應(yīng)變場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、速度場(chǎng)和載荷的對(duì)比分析,方案2的成形工藝明顯優(yōu)于方案1,最終選擇方案2用于生產(chǎn)。
4 結(jié)束語(yǔ)
(1)方案2采用空心坯料,較大幅度降低了斷面收縮率和材料應(yīng)變率,有效降低了單位擠壓力和材料的變形抗力,降低了應(yīng)力集中,避免了材料在變形過(guò)程出現(xiàn)破裂、折疊等現(xiàn)象。
(2)方案2較大程度降低了模具的最大應(yīng)力和最大負(fù)載力,有效減小了工步變形力與力能消耗,并為選用冷擠壓設(shè)備,設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)和校核模具強(qiáng)度提供了可靠的依據(jù)。
(3)借助計(jì)算機(jī)仿真成形技術(shù),可以在模具設(shè)計(jì),工藝優(yōu)化中發(fā)揮巨大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng),減少試模費(fèi)用,縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。
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