典型杯形件热挤压成形工艺研究

郭欢欢,吴淑芳,朱丽丽,王培安,陈卜宁,张京

(长春理工大学机电工程学院，吉林长春 130022)

典型杯形件热挤压成形工艺研究

郭欢欢,吴淑芳,朱丽丽,王培安,陈卜宁,张京

(长春理工大学机电工程学院，吉林长春 130022)

通过软件DEFORM对典型杯形件进行反挤压成形工艺分析，讨论不同直径对典型杯形件的成形效果影响。根据点示踪的方法以及对比分析等效应力、载荷行程图、凸模磨损量值的大小对成形结果进行分析，利用点跟踪方法可以计算出内径成型效果以及高度成型效果。根据等效应力、模具的磨损量以及载荷行程图对理想直径进行对比分析，选择最为理想直径。研究结论为实际生产提供理论指导，有助于降低试模成本。

典型杯形件；反挤压；成型效果；理想直径

0 引言

杯形件过去的常规加工方法是金属切削加工。机械加工难度较大，生产加工过程中废料多，材料利用率低、工序流程长，零件的生产效率低，加工过程中破坏其纤维的连续性，使加工零件强度较低。随着近净成形工艺的发展，挤压成形技术是一种比较先进的制造技术之一，它具有很多优点，在金属利用率、工件质量以及生产效率方面相比传统加工方法能够提高好几倍。随着杯形件需求量的增加，如何进一步改进杯形件的成形工艺、提高材料利用率、降低成本，是目前各企业追求的目标。

文中研究的杯形件用于汽车某零部件，为了保证零件的刚度、强度，选用15Mn作为零件材料。根据生产中遇到的问题，对杯形件反挤压成形过程进行数值模拟，分析不同直径对锻件成形效果的影响以及模拟过程中的受力情况，以此来发现杯形件反挤压过程中金属流动规律，对实际生产具有指导意义。

1 锻件工艺分析

锻压工艺的合理与否直接影响材料的利用率、模具结构、锻件质量和生产效率，甚至决定模具开发的成败，因此,在制定成形工艺前需要对零件进行工艺分析，找出成形的难点所在，以便在工艺安排上重点考虑[1-2]。挤压件图如图1所示。杯形件成形的难点是材料所受应力在允许的范围内型腔填充是否饱满，以及锻件的高度是否符合要求。

图1 挤压件零件图

2 成形工艺方案的制定

这里采用的公式参考文献[3]。工艺方案的制定需要考虑两个重要的原则：(1)确保产品质量要求；(2)确保模具的使用寿命。根据锻件的形状，初步制定成形方案：下料→反挤压→整形。根据方案进行有限元分析。不同的直径影响杯形件的型腔成形效果，为了确保得到理想的成形效果，根据计算得到毛坯尺寸为φ42.04 mm×16.67 mm。为了研究不同直径坯料对内外径成形效果影响程度，选择φ41.84、φ41.94、φ42.14、φ42.24 mm进行对比。

反挤压变形的断面缩减率:

式中：ψ为热挤压的断面缩减率；F0为热挤压变形前毛坯的横截面积(mm2)；F1为热挤压变形后工件的横截面积(mm2)。

根据15Mn的材料性能可知，热挤压的许用变形程度:[Ψ]=70%～78%, 毛坯变形程度远小于许用变形程度，故一次反挤压可以成形，上述成形工艺方案可行。

3 成形工艺方案数值模拟

根据锻件尺寸利用SolidWorks进行凹模、凸模的三维绘制，然后进行装配。由于锻件是对称图，所以将锻件1/8的几何模型导入DEFORM软件中进行数值模拟。模具材料定义为刚性材料，坯料则进行网格划分，确保模拟结果的准确性，如图2所示。

图2 FEM装配图

由于是热挤压成形件，所以坯料设定的温度是1 150 ℃，进而凸模、凹模要进行预热，温度为300 ℃。由于温度的变化会对后面坯料的塑性产生影响，所以在模拟过程中坯料与模具之间要进行热传导。

4 不同直径模拟结果分析

在模拟过程中，应该考虑坯料的填充是否饱满、受到的等效应力是否符合屈服强度以及模具的寿命等。坯料与模具在反挤压成形过程中挤压应力很高，所以可以根据对应力的分析来确定适合的坯料。在模拟过程中影响模具磨损的因素有：坯料的直径、摩擦因子、模具的预热温度、模具的硬度等。坯料受到凹、凸模具的挤压，故凹、凸模的受力一样大，但由于凸模的接触面积小，故受到的单位面积应力会很大，因此对凸模进行了磨损分析。

等效应力是判断材料是否出现裂纹的重要指标。由等效应力图可以看出来，应力最大的地方在圆角处。根据等效应力图，在图中利用点示踪的方法分别标出不同成形件内侧不同高度的P1、P2、P3、P4、P5这5个点，各坯料的5个点的坐标均会在表1写出。根据点示踪同样定位了5个坯料的中心点坐标，依次为(18.818 3 ,16.088 7,43.175)、(18.772 2，17.512 8，43.275)、(18.784 4，12.166 8，43.375)、(19.671 6,8.265 67,43.475)、( 18.781 4，22.798 6，43.575)。

模具磨损是模具与工件接触产生的，由磨损导致的模具失效是不好控制的。根据图3—7对凸模磨损量进行分析，凸模圆角处磨损最大，磨损量单位均为10-6mm，其值非常小，因此模具在反挤压过程中寿命会比较长。

成形载荷是凸模下压的距离对应的载荷值。由于在进行数值模拟时，对坯料进行了热传导，所以没有下压距离时，凸模所受的载荷为0；在凸模刚接近坯料时，坯料处于弹性变形区，抗力比较强，所以凸模所受的载荷量瞬间增加；在下压距离逐渐增加时，部分材料慢慢趋于刚性平稳期，也就是所谓的塑性成形阶段，此时，凸模所受到的载荷逐渐趋于稳定阶段。

图3 直径φ41.84 mm时的成形图

图4 直径φ41.94 mm时的成形图

图5 直径φ42.04 mm时的成形图

图6 直径φ42.14 mm时的成形图

图7 直径φ42.24 mm时的成形图

坯料直径/mm内径跟踪点坐标值/mm内径平均值/mm等效应力/MPa磨损量/mm载荷/N成形效果ϕ41．84(18．6928，31．3332，25．8863)，(15．4927，30．9957，29．9486)，(13．0383，30．2283，33．9492)，(10．3779，28．8168，37．4648)，(8．19729，27．0431，39．6312)30．529650062680．000002374．47×104不理想ϕ41．94(18．7361，32．8049，25．6326)，(15．6978，32．4567，29．7475)，(13．2941，31．7694，32．9739)，(10．8716，30．563，36．023)，(8．05358，28．3943，38．9372)30．540518512680．000002364．52×104理想ϕ42．04(18．6733，27．4083，25．7114)，(15．7748，27．1132，29．2155)，(13．6055，26．5154，32．4561)，(11．0714，25．3452，36．0172)，(8．29339，23．2535，39．7437)30．510428762750．000002394．64×104理想ϕ42．14(19．5976，23．5699，25．4055)，(16．5689，23．2199，28．8685)，(14．1093，22．5047，32．9803)，(11．6561，21．2468，36．3392)，(10．0814，20．1436，40．2117)30．554653412720．000002424．6×104理想ϕ42．24(18．736，38．0548，25．9063)，(15．2424，37．638，29．1742)，(13．0922，36．9804，33．0274)，(11．1676，36．0204，36．5807)，(8．4884，34．0601，39．757)30．522505512690．000002444．5×104不理想

根据x、y的坐标计算出每个点到中心点的距离即为成形件内侧直径，取平均值与锻件内径相比较，可得出5个直径都满足内径成形的结论。在满足内径成形条件下，应再观察高度是否符合要求，由此应根据图8来计算。通过计算P1、P2、P3之间的平均值到中心点的高度得到了5组数据，与锻件的高度19 mm相比,φ41.84、φ42.24 mm锻件的高度不满足要求，φ41.94、φ42.04、φ42.14 mm是理想尺寸。由模具磨损量图分析可得：在不同直径下模具磨损相差不大，但在直径为φ41.94 mm时，模具磨损相比最小。考虑到材料的浪费问题，应该选择直径较小的坯料。由此选择φ41.94 mm作为最终坯料的直径进行反挤压成形。

图8 高度成型缺陷分析图

5 结论

(1)对5组坯料的挤压结果分析，成形过程中坯料的直径对于坯料影响不大，但观察高度的成型缺陷时，得出φ41.94、φ42.04、φ42.14、φ42.24 mm这4种直径比较理想。

(2)根据对模具磨损量的分析，在保证其他参数不变的条件下，不同直径下模具的磨损量波动不大，在直径为φ41.94 mm时，模具的磨损量较小，故它为最佳选择。

[1]杜勇，闻瑶，马俊林，等.隔热板冲压成形工艺参数优化[J].精密成形工程2014,6(5)：108-112.

DU Y,WEN Y,MA J L,et al.Optimization of the Process Parameters for Thermal Baffle Stamping Forming[J].Journal of Net-shape Forming Engineering,2014,6(5)：108-112.

[2]汪金保，刘华，孙红星，等.大直径带毂直齿轮冷精密成形数值模拟及工艺分析[J].精密成形工程,2014,6(6)：104-110.

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[3]邹琼琼,黄继龙,龚红英,等.基于DEFORM的汽车花键轴零件冷挤压工艺参数优化设计[J].塑性工程学报,2016,23(5):8-13.

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StudyonHotExtrusionProcessofTypicalCup

GUO Huanhuan, WU Shufang, ZHU Lili, WANG Pei’an, CHEN Buning, ZHANG Jing

(School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun Jilin 130022,China)

The effect of different diameters on the forming effect of typical cups was discussed by using software DEFORM. According to the method of point tracing and the analyses of the equivalent stress, the load stroke diagram and the punching wear value, the forming results were analyzed, the inner diameter forming effect and the height forming effect could be calculated by using the point tracking method. According to the comparative analysis to the equivalent stress, mold wear and load stroke diagram of the ideal diameter,the most ideal diameter was selected. The research results can provide theoretical guidance for actual production,which will help to reduce the cost of trial.

Typical cups; Anti-extrusion; Forming effect; Ideal diameter

TG376.3

A

1674-1986(2017)11-039-05

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.11.009

2017-07-22

郭欢欢(1992—)，女，硕士研究生，研究方向为塑性加工、模具设计。E-mail：798346760@qq.com。