基于数值模拟的起动导向筒异形腔成形工艺

江苏森威集团有限责任公司 (大丰 224100) 杨 进

盐城工学院 （江苏 224051） 王 平

汽车起动导向筒是汽车起动系统中的关键零部件，如图1所示。其上部为异形型腔，下部为螺旋渐开线内花键，采用切削工艺加工，效率低，成本高，内在质量差，已远不能满足汽车生产厂家对零件的性能要求。

图1 起动导向筒

本文针对起动导向筒上部异形型腔的结构特点提出了一次性反挤压成形方法，基于DEFORM－3D软件进行成形过程进行数值模拟研究，通过模拟获得了材料流动、速度场、应力和应变场的分布规律以及载荷－行程曲线。经可视化分析较好地预测成形过程可能产生的缺陷（如角部充不满、折叠、回流和断裂等），并在此基础上对成形工艺进行完善。

1.成形工艺描述

起动导向筒上部异形型腔的精度为IT7～IT8级，根据导向筒的结构特点，通过研究分析，我们确定该导向筒工艺流程为：

下料→剥皮→球化退火→抛丸→前处理→正挤压→墩粗→钻孔→球化退火→抛丸→前处理→反挤压型腔（见图2）。

2.有限元分析

（1）几何模型的建立 由于DEFORM－3D不具备几何建模功能，所以三维几何模型要在其他三维软件中建立。本文使用UGNX软件进行几何建模，并将其存储为.STL格式。图3a为挤压前的毛坯图，图3b、图3c分别为凸模、凹模的三维几何模型。

图2 冷挤压工艺图

图3 有限元分析几何模型

（2）数值模拟参数的选择 根据分析要求，确定数值模拟参数为：成形温度20℃，冲头挤压速度12mm/s，摩擦系数0.12，网格单元173801，毛坯材料AISI－steel－5120。鉴于结构的对称性，去1/2作为分析对象。

（3）压力行程曲线 由压力－行程曲线图4的分布可以看出，挤压初期金属开始填充模腔，挤压力增加较快（A点前）；当金属即将填充满模腔时，挤压进入基本稳定状态（A点到B点），这时挤压力波动较小，最大挤压力约为1570kN。

（4）等效速度场分析 图5为金属流动等效速度图。从图中我们可发现在挤压初期材料变形速率较大，进入基本变形阶段时，材料仅发生刚性平移，变形区的流动速率几乎相同，没有发生突变，金属充填顺利。

（5）等效应变场分析 图6为金属流动等效应变图。图中显示最大应变发生在冲头与坯料接触的底部，随着冲头下压量的增加，上部的等效应变有所降低，应变变化均匀。

图4 压力－行程曲线

图5 等效速度场

图6 等效应变场

3.结语

运用DEFORM软件对汽车起动导向筒成形过程进行模拟，能较好地获得成形过程中金属流动及成形力等变化规律，实际应用中，金属塑性成形良好，表面无明显缺陷，成形件达到了设计要求。