羅 成

（中山市基信鎖芯有限公司，廣東中山 528400）

0 引言

冷擠壓是指在冷態(tài)下將金屬毛坯放入模具型腔內(nèi)，在強(qiáng)大的壓力和一定的速度作用下，迫使金屬?gòu)男颓恢袛D出，從而獲得所需形狀、尺寸及具有一定力學(xué)性能擠壓件的成形工藝。該工藝具有工效高、節(jié)省材料、產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，在鎖具鎖芯生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用[1]。隨著人們對(duì)鎖具安全性能要求的提高，鎖芯也越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)鎖芯的冷擠壓模具提出了更高的要求。

1 鎖芯模型

圖1所示為鎖芯模型，主要材料是黃銅。對(duì)于鎖芯，其形具有較高的復(fù)雜性，若是直接借助基礎(chǔ)切削方式進(jìn)行生產(chǎn)，則會(huì)導(dǎo)致工藝十分繁瑣，并且對(duì)生產(chǎn)效率造成一定影響。同時(shí)，在鎖芯生產(chǎn)中，鎖芯零件生產(chǎn)批量較大，因此，冷擠壓模具并不適用于鎖芯生產(chǎn)中。

圖1 鎖芯模型

中國(guó)一些企業(yè)在采取冷擠壓工藝過(guò)程中，其模具使用壽命較短，而實(shí)際壽命對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)效率以及質(zhì)量等有著直接影響。模芯材料一般以Cr12MoV為主，該材料具有微變形性、抗壓強(qiáng)度良好、熱穩(wěn)定性、耐磨性、強(qiáng)韌性以及淬透性等特點(diǎn)。然而在實(shí)際應(yīng)用中，會(huì)存在凹模開(kāi)裂、局部起層、凸模彎曲、斷裂以及局部產(chǎn)生鱗片狀等問(wèn)題。為了使模具力學(xué)性能得到充分優(yōu)化，提升其使用壽命，對(duì)其開(kāi)展了熱處理試驗(yàn)，并最終加以確認(rèn)[2]。之后通過(guò)構(gòu)建SolidWorks軟件與Simulation功能，結(jié)合有限元對(duì)凸模進(jìn)行了分析，對(duì)其熱處理工藝合理性以及有效性進(jìn)行充分驗(yàn)證。

2 熱處理工藝

基于加工手段與合金的化學(xué)成份一定的條件時(shí)，可以借助熱處理工藝對(duì)模具型芯強(qiáng)韌度、硬度以及耐磨性等進(jìn)行優(yōu)化，以避免出現(xiàn)早期失效的問(wèn)題。Cr12MoV材料主要熱處理工藝是回火、淬火以及球化退火等工藝[3]，如圖2、圖3所示。球化退火存在碳化物球體缺少統(tǒng)一尺寸、碳化物網(wǎng)存在尖角碳化物以及偏析嚴(yán)重等不足，進(jìn)而對(duì)模具使用壽命造成一定影響?；鼗鹋c淬火工藝存在無(wú)法解決球化退火中的組織缺陷問(wèn)題，致使模具的實(shí)際抗壓強(qiáng)度受到一定影響，造成早期失效問(wèn)題。如圖3（b）所示的工藝，其存在點(diǎn)狀碳化物、網(wǎng)狀碳化物以及共晶碳化物等問(wèn)題，與圖3（a）進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)能夠使模具韌性以及斷裂抗力得到明顯提升，然而其成本較高，模具壽命無(wú)法滿足預(yù)期要求。

圖2 球化退火

圖3 淬火、回火

表1 Cr12MoV改進(jìn)熱處理方案與力學(xué)性能

通過(guò)對(duì)鎖芯模具實(shí)際應(yīng)用要求以及熱處理工藝進(jìn)行綜合分析，制定熱處理方案，借助檢測(cè)Cr12MoV試樣的力學(xué)性能以及對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)最佳方案進(jìn)行了確認(rèn)，各個(gè)方案以及通過(guò)熱處理的力學(xué)性能[4]如表1所示。由表可知，二次回火、高淬高回+調(diào)質(zhì)工藝是最佳方案，Cr12MoV經(jīng)過(guò)該工藝處理之后，所有力學(xué)性能十分突出。后續(xù)借助有限元分析驗(yàn)證該結(jié)果。

3 冷擠壓凸模的有限元分析

3.1 模具凸模的建模

SolidWorks的裝配能力及建模能力十分突出，能夠?qū)Ψ抡娌僮鬟M(jìn)行靈活應(yīng)用。該軟件可以進(jìn)行參數(shù)驅(qū)動(dòng)，也能夠?qū)υO(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行隨意變動(dòng)，與資源管理器中的特征管理器有較多相似之處，對(duì)復(fù)雜零件的層次關(guān)系以及設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)等可以十分便捷地觀察，保證零部件和工程圖、裝配圖等實(shí)現(xiàn)同步更新。另外，SolidWorks在復(fù)雜曲面中表現(xiàn)出的造型能力十分突出，能夠?qū)?fù)雜曲面零件進(jìn)行輕松、合理地設(shè)計(jì)。借助該軟件，對(duì)冷擠壓模具的凸模進(jìn)行建模，能夠?qū)㈡i芯的制造全過(guò)程、外形結(jié)構(gòu)以及三維模型更加清晰、生動(dòng)地展現(xiàn)出來(lái)。為了保證分析工作能夠順利開(kāi)展，在正式開(kāi)展分析工作前，應(yīng)該將模型簡(jiǎn)化[5]。這樣能夠充分減少對(duì)分析結(jié)果的影響，同時(shí)，此種影響幾乎可以忽略不計(jì)。

鎖芯的圓角非常多，而模具凸模也有著較多的圓角，為了對(duì)網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行有效控制，保證分析工作順利開(kāi)展，需對(duì)其周邊圓角進(jìn)行處理，如圖4所示。

3.2 Cr12MoV靜力分析

表2所示為Cr12MoV熱處理前與熱處理后的物理屬性，對(duì)兩種情況同時(shí)開(kāi)展測(cè)試。

圖4 冷擠壓模具的凸模模型簡(jiǎn)化圖

夾具借助固定幾何手段對(duì)凸模表面進(jìn)行充分固定，并在其上表面施加擠壓力，對(duì)模具閉合過(guò)程中實(shí)際員工作業(yè)情況進(jìn)行充分模擬，如圖5所示為邊界條件[6]。將擠壓力的施加區(qū)域設(shè)定在其上表面，實(shí)際擠壓力凸模施壓面積以及坯料與擠壓為溫度過(guò)程的潤(rùn)滑效果、力學(xué)性能、模具形狀以及變形程度等有直接關(guān)聯(lián)，擠壓力可借助經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：P為單位擠壓力，N/cm2，在對(duì)銅、硬鋁等材料進(jìn)行冷擠壓時(shí)，通常取值1 000；F為實(shí)際積壓面積，mm2，一般對(duì)鎖芯的簡(jiǎn)化模型取值1 680。

因此，實(shí)際施加的載荷力為：

P=1.3 pF=1.3×1 000×16.8=21 840 N

表2 Cr12MoV鋼熱在處理前與熱處理后的材料屬性

圖5 邊界條件

圖6 劃分結(jié)果

網(wǎng)格單元隨著劃分的精密度增加，分析結(jié)果會(huì)更加精確。本文借助曲率半徑網(wǎng)格單元，其類型屬于四面體實(shí)體，最大與最小單元分別為10.623 235 9 mm、2.124 647 18 mm，增長(zhǎng)比率為1.6。對(duì)網(wǎng)格借助高品質(zhì)進(jìn)行劃分，其雅可比點(diǎn)是4[7]。雅可比點(diǎn)主要代表單元的畸形情況，隨著點(diǎn)數(shù)增加，檢查也更加嚴(yán)格，會(huì)使其精度得到優(yōu)化，降低結(jié)算速度。由于Simulaiton軟件需要進(jìn)行三角形單元設(shè)置，其內(nèi)部積分點(diǎn)只有一個(gè)，因此采用4點(diǎn)雅可比能夠充分保證精確度要求。圖6所示為劃分結(jié)果。

4 有限元結(jié)果和分析

對(duì)Cr12MoV熱處理前與熱處理后的凸模靜應(yīng)力進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，雖然其均在屈服極限的范圍，但是未進(jìn)行熱處理的凸模，安全系數(shù)方面存在不足；進(jìn)行熱處理后的凸模，安全系數(shù)得到有效提升，促使模具使用壽命得到充分延長(zhǎng)[8]。主要原因在于進(jìn)行熱處理之后，鋼材料的屈服強(qiáng)度上升到1 665 MPa，促使其安全性與可靠性得到充分提升。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于Cr12MoV材料冷擠壓模具的斷裂以及彎曲等問(wèn)題，利用SolidWorks軟件對(duì)其凸模進(jìn)行建模。對(duì)熱處理前以及熱處理后的凸模進(jìn)行靜應(yīng)力分析發(fā)現(xiàn)，借助Cr12MoV材料值設(shè)計(jì)的冷擠壓模型，在對(duì)其模具型芯進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理、高淬高回以及二次回火等處理之后，能夠充分優(yōu)化其力學(xué)性能并提升安全系數(shù)，使其使用壽命得到充分提升。因此，在熱處理工藝以及鎖芯生產(chǎn)等方面可以借鑒該研究。