杯形件正挤压过程数值模拟与分析

颜国华 陈庆欧

（浙江农林大学暨阳学院，诸暨 311800）

杯形件广泛应用于日常生活用品制造、汽车制造、军工以及航空航天等领域。传统的杯形件主要利用锻造、机加工等方式成形，操作复杂，大批量生产耗时耗力。随着科技进步，杯形件制造方法也在不断更新，目前在杯形件批量生产过程中，挤压成形工艺得到越来越多的应用，挤压成形工艺参数设置对挤压成形效果起着至关重要的作用。因此，本文将利用有限元分析软件DEFORM-3D对杯形件正挤压成形过程进行仿真分析，得到挤压过程中的相关规律，对杯形零件挤压成形生产实践具有一定的指导意义。

1 有限元模型的建立

1.1 几何模型的建立

本文所用杯型零件材料为40Cr钢（AISI5140），杯形零件几何模型如图1所示。

图1 杯形件几何模型

根据零件图具体尺寸，计算所需坯料尺寸，然后利用SolidWorks软件建立杯形件坯料模型和模具模型，然后导出为stl文件，并将stl文件导入到DEFORM-3D软件中，经过处理、求解和后处理三个阶段，得到杯形件正挤压过程中载荷随行程曲线以及不同载荷应力应变情况，然后进行结果分析。模拟流程如图2所示。

为分析方便，将模具形状进行简化，在Solidworks中建立杯形件正挤压的1/4模型，如图3所示。

1.2 杯形件材料性参数设置

正挤压坯料选择40Cr，具体参数如表1所示。

1.3 设置挤压条件

挤压速度为40mm/s；工序挤压行程约为17.2mm；；热传导系数为0.3，坯料与冲头接触面、坯料与凹模接触面为热传导边界；设置热边界条件为坯料与冲头接触面、坯料与模具接触面，设置成热传导边界。；设定结构对称面和位移边界，总共对四个模型设置对称面；生成各个模具及坯料之间摩擦因子，将其应用到所有工件；摩擦类型选择剪切摩擦，取值0.3，接触边界条件公差自动计算为0.0234。

图2 模拟流程图

图3 挤压过程1/4模型图

表1 坯料材料参数选择

1.4 网格划分

网格划分采用默认四面体单元，根据模型最小尺寸0.61，网格划分结果如图4所示。

图4 网格化示意图

2 模拟结果分析

2.1 挤压成形过程与行程载荷曲线分析

经过DEFORM-3D软件数值模拟计算，整个成型过程基本上可以被分为三个阶段，即初始阶段、滑移阶段与稳定阶段，坯料流动过程及行程载荷如图5、图6所示。

图5 挤压过程中坯料状态

图6 行程载荷图

2.1.1 初始阶段

初始阶段坯料放到挤压模具当中，在下端凸台约束及上端冲头开始挤压坯料，对坯料进行初始镦粗过程，载荷值基本呈线性增加。

2.1.2 滑移阶段

这个阶段是在初始阶段之后，在上端冲头作用下继续向坯料挤压，坯料不断地被镦压，坯料变形；在被镦粗的同时，金属流开始从模口往外流出，本阶段载荷继续增加，增长幅度放缓。

2.1.3 稳定阶段

稳定阶段，坯料金属流开始流出，并且进入到稳定状态，冲头不断地往下移动，载荷值基本保持在一定的范围波动，该阶段载荷可以分为两个部分：第一，克服金属变形抗力；第二，变形区与模套壁之间摩擦力以及坯料与出口部分摩擦力。

2.2 挤压成形过程金属流动分析

在金属挤压过程中，一直受到上端冲头挤压。当到了滑移阶段，坯料金属开始向模口流出，分析金属在整个挤压成型中的变化特征如图7所示。

图7 各阶段金属流动分析图

2.2.1 初始成型阶段

第一个上端冲头刚开始压入到坯料，与坯料上端面接触，坯料发生变形，这时候载荷值呈线性增加，但是流动速度较小。

2.2.2 金属流阶段

第二阶段上端冲头继续往下移动，继续对坯料进行镦粗，同时金属流开始向模口流出，从图中可以看出流动方向主要从中心向四周流动。

2.2.3 稳定阶段

第三阶段进入稳定变形时期。上冲头以一定速度下移，已成型金属仅做刚体运动，没有金属的流动，上部金属流动包括两个方向：一个是中心向四周流动；另一个是从上往下流动。

2.3 成形过程中等效应力分析

挤压阶段应力分布和应变云图如图8所示。

图8 应力应变分布图

从图8应力应变云图可以看出，挤压成型初期，上端冲头压入坯料，这时冲头与坯料接触载荷值呈线性增加，说明受力属于均匀状态，而且应力分布相对比较集中，主要在较大形变区域应力比较高；当金属流开始向模口时，坯料受压均匀，但是底部应力值较大，达到750MPa；进入稳定成型阶段，载荷值有所下降，杯形件底部应力开始略微减小，最后稳定在625MPa。

3 结论

本文通过DEFORM-3D软件对杯形件成形过程进行了仿真分析，经过前处理、过程模拟仿真和后处理三个阶段，得到杯形件正挤压过程中应力应变以及金属流特征。分析过程给挤压成形工艺设计人员提供了一定依据，有效降低降低了成本，缩短了产品缺陷反馈时间，提升了产品质量和性能。