基于DeForm-3D冷缩径过渡锥面冷整形工艺研究

刘百宣，王瑞，覃寿同，刘华

（1.郑州大学，郑州450001;2.河南师范大学新联学院，郑州451464;3.郑州机械研究所，郑州 450001）

金属冷缩径技术具有成形力小、模具结构简单、模具寿命高、成形尺寸精度高等优点，在各类轴类件的冷精密成形工艺中获得广泛应用。冷缩径工艺不仅可以实现单道次小变形量阶梯成形，而且可以通过多道次缩径获得大变形量的阶梯成形。关于冷缩径的变形量及变形力的研究已比较充分［1—8］，其变形量及变形力均比常规的冷挤压要小很多，因此可以获得较高的零件尺寸精度。但因其工艺特点，冷缩件上一定存在锥形过渡区，除个别场合外，一般都需要用切削的方法将其去除掉。如果能通过整形工艺将锥形过渡区消除，便可进一步接近零件形状，做到无切削加工。

裴未迟等［9］对变形量小于5%台阶轴，提出了直接用圆角一次挤压成形的工艺，并用有限元模拟技术和试验的方法验证了其可行性。张双杰等［10—11］对直径变形量不大于10%并以小圆角过渡的电机轴，提出了两步法挤压成形的工艺，并采用有限元技术验证了该工艺方案的可行性。

虽然不少学者对轴类件的冷缩径成形进行了研究，但对较大变形量缩径过渡锥面的整形工艺研究，仍不够充分和深入。因此，对缩径过渡锥面整形工艺进行更深入的研究，使轴类件冷精密成形件形状进一步接近零件形状，具有重要意义。

本文拟利用DeForm-3D有限元模拟软件，针对较大变形量缩径过渡锥面的整形问题，从变形量、过渡圆角以及约束条件等几个方面进行研究，研究其成形的规律及整形工艺的可行性。

1 整形工艺示意图

图1为缩径过渡锥面整形示意图，图1a为开式挤压;图1b在整形R角上部加一圆柱孔，圆孔直径略大于d0，用于限制整形时变形部位的镦粗，文中称之为半开式挤压。图中坯料为冷缩径后的形状，坯料中d0直径的部分在整形过程中起到冲头作用，为不变形部分;d1部分在整形过程中只做刚性移动不参与变形，2α锥面部分为整形变形区域。整形时坯料在冲头压力的作用下下行，使缩径过渡锥面产生变形，最终变为凹模设定的形状［12—13］。

图1 缩径过渡锥面整形示意图Fig.1 Schematic drawing of ironing cone reshaping

2 DeForm有限元模拟

2.1 模拟方案的制订

在锥面的整形过程中影响成形的主要参数有图1所示的R值、缩径角α、缩径变形量ε以及约束条件（开式或半开式）。考虑到缩径的直径差值及节材的实际意义，变形量分别取20%，30%，35%，40%，每种变形量下R值分别取d0-d1差值1/4倍、1/2倍、1倍。为了便于与开式挤压比较，图1b中的r值取0.5，缩径角α统一取15°，坯料与模具的初始位置由上述变形程度的锥面位置决定。

上述缩径变形量可表示为［14］:

其中35%，40%的变形量为两次或多次缩径产生的总变形量。

2.2 模拟参数

成形过程均为冷挤压，温度变化影响很小，因此数值模拟过程中不考虑热的影响，坯料、凸模与凹模设为20℃;坯料为20号钢;由于挤压属于体积成形，接触压力高，故采用剪切摩擦模型，摩擦因数为0.12;模具设定为刚性，坯料设定为刚粘塑性模型。有限元模型通过三维软件Solidworks 2013软件建模，生成*.stl后导入DeForm-3D有限元模拟软件，模型中设定d0=35 mm，d1根据变形量计算确定。网格划分数80000，凸模进给速度6 mm/s，模拟步数锥面长度 5 mm，模拟步长 0.1［15—18］。其有限元模型如图2所示。

图2 缩径过渡锥面整形有限元模型Fig.2 FE model of ironing cone reshaping

2.3 模拟结果及分析

2.3.1 开式挤压整形结果

图3所示为开式挤压整形有限元模拟结果，从图中可以看出四种变形量下R值的影响比较显著，在R值为d0-d1差值的1/4倍时，即R值较小时均出现金属撸起现象，并在撸起的金属堆积处上方锥面不能有效变形，形成凹腰现象;在R值为d0-d1差值为1/2倍时，即R值适中时，随着变形量的增大，变形区形状出现局部凸起和凹腰现象越加明显，而在变形量ε=20%时，可形成较完好的形状;在R值为d0-d1差值的1倍，即R值较大时，4种变形量下均出现变形区上部镦粗鼓起现象，无凹腰形成。

2.3.2 半开式挤压整形结果

图4所示为半开式挤压整形有限元模拟结果，从图中可以看出在变形区设置一约束，可以有效改善成形效果，而影响整形最终填充效果的主要因素为变形量ε值，当ε值为20%、30%时均可有效成形;当ε值为35%时，从模拟结果来看在R值较小的情况下，可有效成形，随在R值的增大，需要在d0略微产生镦粗变形的情况下，才能完全填充;而当ε值为40%时，在3种R值下，均出现R处未填充满d0镦粗现象，不能有效成形。

图3 开式挤压整形有限元模拟结果Fig.3 Simulation results of open die cold extrusion

图4 半开式挤压整形有限元模拟结果Fig.4 Simulation results of semi-open die cold extrusion

2.3.3 分析和讨论

综上模拟结果，在开式挤压整形的情况下，对整形效果的影响R值较ε值显著，最理想的效果出现在ε=20%，R=（d0-d1）/2的情况下，可见在较小变形量并R值适中的情形，完全可以通过开式挤压对缩径过渡锥面进行整形。在较小变形量并R值较大的情形，出现的局部凸起和凹腰现象，可通过对d0段进行一次精整来消除。而在R值较小的情况下，开式挤压整形不可行。在R值较大的情况下，出现的变形区上部镦粗鼓起现象，亦可通过对d0段进行一次精整，来消除鼓起，故在R值较大的情况下，开式挤压整形可行。

在半开式挤压整形的情况下，整形效果主要受ε值的影响，在ε值为35%以下时，3种R值均可成形出较好的整形效果，当ε值为35%及大于35%时，整形填充出现困难，因此由此可以看出，在缩径零件总变形量在35%以下时均可通过半开式挤压进行整形，而当总变形量超过35%时，此种方法不可行。

3 实际应用

图5 实际生产样件Fig.5 Actual production samples

图5为结合冷缩径及整形工艺生产的一个产品，因其整形部位缩径过渡锥面为两次缩径形成，其总变形量达到40%，而圆角的R值大于d0-d1差值的1倍为10 mm，故根据上述模拟及讨论结果，采用了开式整形加精整消除镦粗鼓起工艺。实际生产在315 t四柱液压机上进行，锻件材质为20号钢，成形的锻件基本接近零件形状，已进行了大批量生产，并生产稳定可靠。

4 结论

利用DeForm-3D有限元模拟软件对冷缩径过渡锥面开式和半开式整形工艺进行了分析研究，并就研究结果进行了实际生产应用。由此可得出如下结论:

1）影响整形效果的主要参数有整形过渡圆角R、缩径总变形量ε和变形部位的约束条件（开式和半开式）。

2）开式挤压整形时R值的影响比较显著，在R值为d0-d1差值的1/4倍时，即R值较小的情况下，开式挤压整形不可行。在R值为d0-d1差值的1/2倍和1倍时，即R值适中或较大时，整形可行，但随着R值及变形量ε的增大，需对d0段进行事后精整。

3）半开式挤压整形，主要影响因素为缩径总变形量ε，R值影响较小。在总变形量ε小于35%时，皆可实现良好的整形效果，当ε大于35%时半开式整形基本不可行。

［1］王华君，夏巨谌，胡国安.减径挤压工艺成形极限分析［J］.模具技术，2005（3）:3—6.

WANG Hua-jun，XIA Ju-chen，HU Guo-an.Analysis of the Forming Limit of Ironing Process［J］.Die and Mould Technology，2005（3）:3—6.

［2］李军，韩鹏彪.开式冷挤压成形极限变形程度的理论及实验研究［J］.塑性工程学报，2000，7（1）:31—34.

LI Jun，HAN Peng-biao.Theoretical and Experimental Study on Maximum Reduction of Open-die Cold Extrusion［J］.Journal of Plasticity Engineering，2000，7（1）:31—34.

［3］李军，高小会，周祥.实心轴开式冷挤压中挤压力的计算［J］.河北联合大学学报，2012，34（1）:23—26.

LI Jun，GAO Xiao-hui，ZHOU Xiang.Calculation of Extrusion Pressure during Open-die Cold Extrusion of Solid Shaft［J］.Journal of Hebei United University，2012，34（1）:23—26.

［4］邓陶勇，胡成亮，刘全坤.工艺参数对减径挤压的影响［J］.锻压装备与制造技术，2006，41（4）:48—50.

DENG Tao-yong，HU Cheng-liang，LIU Quan-kun.Influence of Technological Parameter on Ironing［J］.China Metal Forming Equipment＆ Manufacturing Technology，2006，41（4）:48—50.

［5］胡启，金俊松，王新云，等.阶梯轴多工步缩径挤压成形工艺研究［J］.锻压技术，2014，39（2）:68—72.

HU Qi，JIN Jun-song，WANG Xin-yun，et al.Study on Multi-step Ironing Process of Multi-diameter Shaft［J］.Forging ＆ Stamping Technology，2014，39（2）:68—72.

［6］徐伟，夏巨谌，胡国安，等.轿车变速箱轴类件多工位冷精锻工艺及模具研究［J］.锻压技术，2007，32（4）:33—36.

XU Wei，XIA Ju-chen，HU Guo-an，et al.Study on Multistage Cold Precision Forging Process and Die of the Shaft in Gear-Box［J］.Forging ＆ Stamping Technology，2007，32（4）:33—36.

［7］郭永强，徐春国，任广升，等.挤压缩径工艺中缺陷的研究［J］.锻压技术，2011，36（2）:144—147.

GUO Yong-qiang，XU Chun-guo，REN Guang-sheng，et al.Study on Defect in Extrusion Necking［J］.Forging ＆Stamping Technology，2011，36（2）:144—147.

［8］李伟.汽车变速箱轴类件多工位冷精锻关键技术研究［D］.武汉:华中科技大学，2009.

LI Wei.Study on Key Technology of Multistage Cold Precision Forging of the Shaft in Gear Box［D］.Wuhan:Huazhong University of Science and Technology，2009.

［9］裴未迟，张玉强，孟宪举.基于Deform轴类零件台阶圆角开式冷挤压工艺有限元模拟［J］.现代制造工程，2011（6）:73—75.

PEI Wei-chi，ZHANG Yu-qiang，MENG Xian-ju.Finite Element Simulation For Shoulder Fillet of Shaft Parts Inopen-die Cold Extrusion Process Based on Deform［J］.Modem Manufacturing Engineering，2011（6）:73—75.

［10］张双杰，刘玉忠，代学蕊，等.电机轴台阶挤压成形的数值模拟及实验研究［J］.锻压技术，2009，34（4）:99—101.

ZHANG Shuang-jie，LIU Yu-zhong，DAI Xue-rui，et al.Numerical Simulation and Experimental Research on Open-die Cold Extrusion Technology of Electromotor Shaft Shoulder［J］.Forging ＆ Stamping Technology，2009，34（4）:99—101.

［11］张双杰，曾富铭，周增宾，等.阶梯轴台肩圆角冷挤压成形速度场建模研究［J］.塑性工程学报，2005，12（6）:17—19.

ZHANG Shuang-jie，ZENG Fu-ming，ZHOU Zeng-bin，etal.Research on Velocity Filed Modeling of the Multi-diameter Shaft's Shoulder Fillet Forming by Open-die Cold Extrusion［J］.Journal of Plasticity Engineering，2005，12（6）:17—19.

［12］杨长顺.冷挤压工艺实践［M］.北京:国防工业出版社，1984.

YANG Chang-Shun.Cold Extrusion Practice［M］.Beijing:National Defence Industry Press，1984.

［13］洪深泽.挤压工艺及模具设计［M］.北京:机械工业出版社，1996.

HONG Shen-ze.Extrusion Process and Die Design［M］.Beijing:Mechanical Industry Press，1996.

［14］洪慎章.冷挤压实用技术［M］.北京:机械工业出版社，2005.

HONG Shen-zhang.Practical Technology of Cold Extrusion［M］.Beijing:Mechanical Industry Press，2005.

［15］刘百宣，孙红星，刘华.电力金具球头冷锻成形的数值模拟和试验研究［J］.锻压技术，2012，37（1）:38—41.

LIU Bai-xuan，SUN Hong-xing，LIU Hua.Simulation and Experimental Research of Forging Process for Electrical Fittings Ball［J］.Forging ＆ Stamping Technology，2012，37（1）:38—41.

［16］刘百宣，孙红星，刘华，等.基于DEFORM-3D的汽车转向器输入轴锻造成形研究［J］.热加工工艺，2012，41（9）:129—131.

LIU Bai-xuan，SUN Hong-xing，LIU Hua，et al.Research on Forging Process for Automotive Steering Input Shaft Based on DEFORM-3D［J］.Hot Working Technology，2012，41（9）:129—131.

［17］温恩龙，周扬，李蒙.基于QFORM的阶梯轴冷挤压工艺的计算机模拟［J］.热加工工艺，2010，39（17）:110—114.

WEN En-long，ZHOU Yang，LI Meng.Computer Simulation of Cold Extrusion Process for Stepped Shaft Based on QFORM［J］.Hot Working Technology，2010，39（17）:110—114.

［18］阳鑫，袁玉红，杨宁，等.阶梯轴挤压工艺设计及数值模拟［J］.贵州大学学报，2013，30（6）:57—60.

YANG Xin，YUAN Yu-hong，YANG Ning，et al.Extrusion Technology Design and Numerical Simulation of Stepped Shaft［J］.Journal of Guizhou University，2013，30（6）:57—60.