王滿糧

(廣東速美達自動化股份有限公司，廣東 東莞 523000)

0 引 言

溫擠壓成型工藝是指將擠壓毛坯加熱至再結晶溫度以下，將毛坯放置到具有一定溫度的模具中進行擠壓成型的一種高效加工方式[1]。較傳統(tǒng)的熱擠壓方式，其具有對壓力機的要求低、能耗低、材料利用率高等特點[2-3]。由于被擠壓的毛坯件處于再結晶溫度以下，在強外力作用下，被擠壓毛坯受到模具的約束，金屬晶體具有很好的塑性和流動性，成型后工件的力學性能和尺寸精度好[4-6]。彈簧圓錐破碎機使用的錐形襯套安裝在主軸的外側，由錫青銅材料加工而成，這種襯套可有效減小設備的振動，降低噪音，同時由于其具有一定的耐腐蝕性，可應用于惡劣的工況環(huán)境中[7-8]。

本文利用DEFORM-3D有限元分析軟件對錐形襯套進行了數(shù)值模擬分析，研究了在錐形襯套溫擠壓過程中，金屬毛坯在模具中的金屬流動、等效應力分布、等效應變分布，以及模具承受的載荷分布。根據(jù)錐形襯套加工中的成型機理，對錐形襯套批量化生產的壓力機噸位、擠壓溫度、擠壓速度等工藝參數(shù)的選擇具有一定的指導意義。

1 錐形襯套溫擠壓成型材料與結構

1.1 錐形襯套毛坯溫擠壓材料的性能參數(shù)

選取錫青銅QSn7-0.2作為研究錐形襯套溫擠壓的材料。其性能參數(shù)如表1所示。

表1 QSn7-0.2材料性能參數(shù)

1.2 毛坯與成型件的結構

根據(jù)錐形體成型特點，為了便于錐形襯套擠壓成型，將毛坯制造成錐形體，這種結構在擠壓過程中有利于金屬的流動，可有效降低擠壓力，減少氣孔、裂紋、麻面等缺陷的產生，毛坯如圖1所示，擠壓后成型件如圖2所示。

圖1 擠壓毛坯

圖2 擠壓后的成型件

2 錐形襯套溫擠壓成型有限元模型

2.1 幾何模型的建立

利用三維建模軟件SolidWorks2018建立了彈簧圓錐破碎機錐形襯套的幾何模型。該模型由錐形擠壓凸模1、錐形凹模2、錐形毛坯3、頂桿4組成，如圖3所示。用SolidWorks2018軟件將零部件整體轉換成STL格式文件，導入到DEFORM-3D軟件中，建立裝配體模型。

1-凸模；2-凹模；3-毛坯；4-頂桿圖3 錐形襯套溫擠壓裝配體模型圖

2.2 錐形襯套毛坯溫擠壓數(shù)值模擬設置

DEFORM-3D軟件具有強大的網(wǎng)格自劃分能力，錐形襯套毛坯在擠壓過程中，其金屬內部發(fā)生塑性變形，在仿真中表現(xiàn)為網(wǎng)格的擠壓與變形，計算中將畸變的網(wǎng)格再次自動劃分，以提高計算結果的準確率[9]。故將網(wǎng)格劃分45 000個，表面多面體數(shù)9 226個，最小單元格邊長為0.853 994 mm，擠壓步長為最小單元格邊長的1/3。

模擬中需要設置的工藝參數(shù)有溫擠壓速度、模具溫度、摩擦系數(shù)，如表2所示。

表2 錐形襯套毛坯溫擠壓參數(shù)表

3 數(shù)值模擬結果分析

3.1 錐形襯套溫擠壓過程中金屬流動規(guī)律分析

選取錐形毛坯最外側點P1、中心側點P2、次中心側點P3為研究對象，通過分析該3點在擠壓過程中的金屬流動速度、等效應力、等效應變的變化規(guī)律，得出錐形襯套成型規(guī)律，網(wǎng)格劃分后的毛坯圖如圖4所示，所選取的點如圖5所示。

圖4 網(wǎng)格劃分后的毛坯

圖5 取點P1， P2， P3

根據(jù)金屬在擠壓過程中塑性變形的體積近似不變，以及金屬流動遵循最小阻力的原則[10]，在凸模的壓力作用下P1， P2， P3分別沿著X，Y，Z方向發(fā)生金屬流動，其中X方向為垂直于剖切面向外；Y方向為垂直于錐形毛坯大徑端面，即凸模進給運動的反方向；Z方向為垂直指向錐形毛坯軸心的方向。根據(jù)牛頓定律可分別得到3點的和速度以及和位移，對3點金屬塑性流動速度和位移的模擬結果分別如圖6， 7所示。

圖6 P1， P2， P3金屬塑性流動速度

圖7 P1， P2， P3金屬塑性流動位移

由圖6可知：在整個溫擠壓過程中，3點的金屬塑性流動速度變化趨勢近似相同。在0～0.3 s時間段內，擠壓凸模向下運動，錐形毛坯發(fā)生塑性變形，P1， P2， P3的金屬塑性流速度v1>v2>v3，這是由于錐形毛坯最外側與擠壓凹模具有一定的間隙，導致P1在始發(fā)階段沒有受到凹模的約束。隨著擠壓的繼續(xù)進行，錐形毛坯最外側與擠壓凹模模腔緊密接觸，在0.3～0.5 s時間段內，3點的塑性流動速度逐漸變小，但流動速度依然是v1>v2>v3。在0.3～3.7 s時間段內，3點的金屬流動速度變化逐漸近似線性增大，v3>v2>v1。3.7 s后直到擠壓完成，3點的金屬塑性流動速度基本呈現(xiàn)v1>v3>v2，且有逐漸波動增大的趨勢。

由圖7可知：在整個溫擠壓過程中，P1， P2的金屬塑性流動位移變化趨勢近似相同，P3的金屬塑性流動位移基本穩(wěn)定，變化較小。在擠壓完成后，被擠壓錐形毛坯中心側P2點發(fā)生位移最大(30.95 mm)，最外側P1次之(37.52 mm)，次中心側P3最小(18.61 mm)。

3.2 錐形襯套錐形溫擠壓過程中等效應力分析

如圖8所示，P1， P2， P3點的等效應力在整個溫擠壓過程中具有相似的變化規(guī)律，3點的等效應力在擠壓開始階段先線性上升后線性下降，隨后又快速上升，最后P1和P3的等效應力趨于穩(wěn)定，而P2的等效應力在一段時間后又繼續(xù)上升。當擠壓完成后，P1， P2， P3最終的等效應力分別為133.7， 173.8， 133 MPa。

圖8 P1， P2， P3等效應力變化曲線

分別選取溫擠壓完成52.2%(第96步)和65.2%(第120步)時的錐形毛坯的等效應力進行分析，如圖9所示。

(a) 第96步

(b) 第120步

由圖9可知：凸模模頭與被擠壓錐形毛坯底部接觸部位的等效應力最大值分別為247 MPa和257 MPa，第96步時的等效應力為93～155 MPa，第120步時的等效應力為104～165 MPa。而且由截面圖可知，擠壓成錐形筒的部分等效應力是均勻分布的。

3.3 錐形襯套錐形溫擠壓過程中等效應變分析

如圖10所示， P1， P2， P3的等效應變在整個溫擠壓過程中具有相似的變化規(guī)律，呈現(xiàn)指數(shù)增長的趨勢。擠壓初期，次中心側P2的等效應變大于中心側P3的等效應變；隨著擠壓的進一步進行，P3的等效應變超過了P2。整個過程中，最外側P1的等效應變變化最小。

圖10 P1， P2， P3等效應變變化曲線

3.4 錐形襯套錐形溫擠壓過程中模具載荷分析

在溫擠壓過程中，錐形擠壓凸模、錐形凹模、頂桿分別承受X，Y，Z3個方向的載荷，如圖11所示。擠壓過程中錐形擠壓凸模和錐形凹模在X方向上受力狀態(tài)一致，載荷曲線具有相似的波峰和波谷，總體上凹模受到的載荷要大于凸模受到的載荷。當溫擠壓進行到8.45 s時，凹模上的X方向受到的載荷達到峰值，為12 662.7 N，在整個過程中頂桿在X方向受到的載荷最大值為639.2 N。

圖11 溫擠壓過程中模具X方向載荷隨時變化曲線

如圖12所示，擠壓過程中錐形擠壓凸模、錐形凹模、頂桿在Y方向上受到的擠壓力狀態(tài)一致，整體載荷曲線近似線性上升趨勢。在整個溫擠壓過程中，凸模受到的載荷均大于凹模和頂桿受到的載荷，當溫擠壓進行到8.9 s時，頂桿受到的擠壓力抗力達到峰值，為548 814.2 N。當最后擠壓到9.16 s時，凸模和凹模受到的載荷達到峰值，分別為935 004.6 N和550 812.1 N。

圖12 溫擠壓過程中模具Y方向載荷隨時變化曲線

如圖13所示，擠壓過程中錐形擠壓凸模和錐形凹模在Z方向上受力狀態(tài)一致，載荷曲線具有相似的波峰和波谷，并與X方向上的載荷曲線規(guī)律相似?？傮w上，在凹模受到的載荷要大于凸模受到的載荷，當溫擠壓進行到8.15 s時，凹模上在Z方向受到的載荷達到峰值，為17 379 N。在整個溫擠壓過程中，頂桿在Z方向受到的載荷峰值為623.8 N。

圖13 溫擠壓過程中模具Z方向載荷隨時變化曲線

綜上，在溫擠壓過程中錐形擠壓凸模、錐形凹模、頂桿3個模具都主要承受Y方向上的載荷，分別是935 004.6， 550 812.1， 548 814.2 N，因此可選擇噸位不小于150 t的壓力機。

4 結 論

利用DEFORM-3D數(shù)值模擬軟件對彈簧圓錐破碎機錐形襯套溫擠壓過程進行了數(shù)值模擬研究，著重分析了錐形襯套溫擠壓過程中金屬的塑性流動規(guī)律，等效應力、等效應變的變化規(guī)律和分布情況，以及溫擠壓模具在擠壓過程中受到的載荷，得到了如下結論。

1) 在溫擠壓起始階段錐形毛坯金屬塑性流動速度從大到小依次為：毛坯最外側大于毛坯中心大于毛坯次中心。隨著溫擠壓的進行，3個區(qū)域的金屬塑性流動速度曲線變化趨勢近似相同。

2) 在錐形襯套溫擠壓過程中被擠壓錐形毛坯中心側的金屬發(fā)生塑性流動位移最大，處于最外側金屬發(fā)生的塑性流動位移次之，次中心側發(fā)生金屬流動位移最小。

3) 錐形毛坯外側、毛坯中心、毛坯次中心的等效應力、等效應變在整個溫擠壓過程分別具有相似的變化規(guī)律。

4) 溫擠壓過程中選擇噸位不小于150 t的壓力機。