基于Deform-3D的汽车零件冷挤压成形方案研究

基于Deform-3D的汽车零件冷挤压成形方案研究

谢佳鑫

舟山市7412工厂浙江316041

摘要：DEFORM是一套基于有限元的工艺仿真系统，用于分析金属成形及其相关工业的各种成形工艺和热处理工艺。通过在计算机上模拟整个加工过程，帮助工程师和设计人员：设计工具和产品工艺流程，减少昂贵的现场试验成本。本文以汽车花键轴零件冷挤压工艺为例，通过改变工艺参数，分析了凸模运动速度、摩擦系数和凹模锥角对挤压工艺的影响。以成形载荷为评价指标，通过正交试验获得了冷挤压成形最佳工艺参数组合，并得到质量合格的制件，为花键类汽车件冷挤压成形工艺的制定提供了参考。

关键词：挤压成形；汽车零件；花键轴；

1花键轴零件特性

花轴键的几何模型及零件２Ｄ尺寸如图１所示，零件材料为Ｃｋ４５，相当于４５号钢，是一种优质碳素结构钢，强度较高，塑性和韧性尚好，其力学性能如表１所示。由图１可知，该零件只有一端带花键，属于典型的带实心杆部的杯－杆形结构，考虑其外形特点适于采用缩颈工艺加工，其渐开线花键齿形基本参数：齿数Ｚ＝２７、压力角α＝４５°，圆棒坯料直径ｄｐ＝２．０３２ｍｍ，跨棒距Ｍ＝３１．９９１ｍｍ～３１．９２６ｍｍ。由于减径挤压只加工花键轴的齿形部分，对零件上的杯体及台阶需要进行后续机械加工。

2成形方案制定

2.1成形方案设计根据零件外形特点及冷挤压成形工艺特性，考虑３种成形方案。

方案一：采用直径与预成形工件头部外径相等，长度根据体积相等的原则来确定的短而粗的圆柱体坯料，通过正挤和反挤获得预成形件，经过挤齿与机加工获得最终件，如图２所示。

方案二：采用直径与预成形工件杆部直径相等，长度根据体积相等的原则来确定的长而细的圆柱体坯料，通过镦挤和反挤实现杯形头部的成形，经过挤齿与机加工获得最终件，如图３所示。

方案三：综合方案Ⅰ和方案Ⅱ，结合实际生产的经济利益，采用通用尺寸棒料，正挤得到杆部形状，镦挤得到头部外形尺寸，反挤获得预成形件，挤齿与机加工获得最终件，如图４所示。

3数值模拟试验及结果分析

有限元模型的建立综合上述工艺分析，确定本次成形工艺采用方案Ⅲ，根据工艺方案进行数值模拟，建立三维模型时只保留凸模和凹模的主体部分，其余部分省略。零件为轴对称结构，为节约计算时间，在模拟中选取１／１６零件并设置对称条件来分析。在ＵＧＮＸ６．０中完成ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ、ｔｏｐｄｉｅ、ｂｏｔｔｏｍｄｉｅ三维模型的建立，并进行装配，转化为标准的ＳＴＬ格式后导入ＤＥＦＯＲＭ软件中建立相应的ＦＥＭ模型，如图５所示。

正交试验设计在零件的冷挤压成形过程中，摩擦系数、凸模运动速度以及模具几何形状等工艺参数的选择十分重要。为了研究各个工艺参数对零件冷挤压成形影响规律，以成形过程中模具载荷大小为评判依据，在ＤＥＦＯＲＭ－３Ｄ中采用不同的工艺参数（摩擦系数、凸模运动速度、模具几何形状）对零件成形过程进行模拟。正交试验方案如表２所示。

4试验结果分析

数值模拟在ＤＥＦＯＲＭ－３Ｄ中按照最佳工艺参数进行设置，对成形过程进行数值模拟。金属的流动情况如图６所示。从图中可以看出，图６ａ为第一道正挤压工序，坯料上半部分变形程度较小，主要发生了刚性平移。下半部分金属流动速度较上部分快，主要是凸模继续向下运动时金属向两边的流动受到了凹模壁的束缚，于是随着凸模向阻力较小的下方流动，逐渐形成台阶。图６ｂ为第三道反挤压工序，外侧壁金属流动也受到凹模内壁的摩擦阻力而速度减缓，而在坯料上半部分与凸模接触处，金属流动剧烈，流线分布显示有弯曲变形且流线紧密，说明金属在强大的三向压力作用下其组织结构致密。成形载荷曲线如图７所示。从图中可以看出，在挤压过程前期，坯料的变形主要发生在金属流动方向，成形载荷缓慢增加，随后坯料主要发生塑性变形，凸模所受阻力越大，载荷也越大。正挤压后期成形载荷趋于平稳。反挤压得到预成形件所需载荷较大，因此反挤压成形载荷先趋于平稳后急剧增大。由图６可知，正挤压成形过程中的最大载荷值约为２０ｔ，反挤压成形时的最大载荷值约为３５ｔ。

生产验证根据正交试验结果可知，该组工艺参数：正挤压时，凸模运动速度１２ｍｍ·ｓ－１，摩擦系数0.05，凹模锥角６０°；反挤压时，凸模运动速度１２ｍｍ·ｓ－１，摩擦系数０．０５为最佳的成形工艺参数组合，可应用于该花键轴零件的试生产过程，将直径为Φ４９ｍｍ的棒料在３１５ｔ液压机上进行生产试制，记录每次正反挤试制的最大成形载荷，正挤最终取得平均值２１．３５ｔ，反挤最终取得平均值３６．７８ｔ，结合后续的机加工获得符合生产要求的零件，证明了该组工艺参数的可行性。

结束语

（1）由于汽车花轴键是形状较为复杂的异形零件且变形量较大，不能一次成形，结合工艺条件和生产的经济性采用的成形方案为：正挤得到杆部形状，镦挤得到头部外形尺寸，再反挤获得预成形件，最后挤齿与机加工获得最终件。

（2）设计了正交试验方案，以降低载荷为目标，充分考虑了多个因素对挤压成形过程的影响，最终得到了最佳的成形工艺参数：正挤压时，凸模运动速度１２ｍｍ·ｓ－１，摩擦系数０．０５，凹模锥角６０°；反挤压时，凸模运动速度１２ｍｍ·ｓ－１，摩擦系数０．０５。为该类零件冷挤压成形工艺提供了理论依据，也对该类零件的实际生产具有一定的指导意义.

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