1 前言

    金屬擠壓成形是用壓力機(jī)和模具對(duì)放置在模具腔內(nèi)的金屬坯料施加強(qiáng)大的壓力使金屬坯料產(chǎn)生定向塑性變形，從擠壓模的�？字袛D出而獲得所需斷面形狀、尺寸且具有一定力學(xué)性能的零件或半成品的塑性加工方法。擠壓成形的種類很多，例如按照金屬塑變流動(dòng)方向可分為正擠壓、反擠壓、復(fù)合擠壓及徑向擠壓。按照金屬坯料溫度分冷擠壓、溫?cái)D壓和熱擠壓等。

2 擠壓成形工藝優(yōu)勢(shì)及面臨問(wèn)題

    擠壓成形與其它的金屬成形加工方法相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可以用少量的工序完成復(fù)雜零件的成形加工，例如各種形狀復(fù)雜的深孔、薄壁和異形截面零。零件尺寸精度高，表面質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高，擠壓零件不需要或僅需要少量的切削加工，大大節(jié)約材料。

    不過(guò)由于擠壓成形工藝特點(diǎn)，在生產(chǎn)過(guò)程中也有許多需要克服的難點(diǎn)。對(duì)模具的要求較高，要求模具要有較高的強(qiáng)度。對(duì)于冷擠壓，坯料一般需要經(jīng)過(guò)軟化處理及表面潤(rùn)滑處理，擠壓成形后，工件還需消除內(nèi)應(yīng)力才能使用；對(duì)于被擠壓的金屬材料要求有較高的塑性及低的屈服極限和冷硬性，目前常用于冷擠壓的材料有：有色金屬，低碳鋼，低合金鋼，不銹鋼，鈦和鈦合金等。除此之外在擠壓成形過(guò)程中工件經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)各種缺陷從而導(dǎo)致零件無(wú)法達(dá)到實(shí)際要求，常見(jiàn)的缺陷有：表面折疊、表面折縫、縮孔和裂紋等。目前國(guó)內(nèi)企業(yè)在面臨這些問(wèn)題時(shí)大多采用試錯(cuò)法，也就是完全憑工程師經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行大量的實(shí)際試驗(yàn)，這種方法的弊端在于對(duì)工程師經(jīng)驗(yàn)依賴性大，經(jīng)驗(yàn)又難以快速進(jìn)行有效地積累和傳承，通過(guò)多次的實(shí)際試驗(yàn)使得產(chǎn)品的生產(chǎn)周期長(zhǎng)，成本增加，質(zhì)量不高。因此相關(guān)企業(yè)需要一種有效地工具來(lái)面臨挑戰(zhàn)，專業(yè)金屬成形工藝數(shù)值模擬工具DEFORM便可以為這些難題提供相應(yīng)的解決方案。

3 金屬成形工藝數(shù)值模擬工具DEFORM

    DEFORM源自塑性有限元程序ALPID（Analysis of Large Plastic Incremental Deformation）。在1980年代初期，美國(guó)Battelle研究室在美國(guó)空軍基金的資助下開(kāi)發(fā)了用于塑性加工過(guò)程模擬的有限元程序ALPID，后來(lái)開(kāi)發(fā)人員對(duì)程序進(jìn)行了逐漸完善，并采用Motif界面設(shè)計(jì)工具，將程序發(fā)展成為了商品化的軟件DEFORM（Design Environment for Forming），經(jīng)過(guò)三十余年的發(fā)展DEFORM已經(jīng)成長(zhǎng)為金屬成形領(lǐng)域著名的工藝數(shù)值模擬軟件。

    DEFORM是一套基于有限元的工藝仿真系統(tǒng)，用來(lái)分析變形、傳熱、熱處理、相變和擴(kuò)散之間復(fù)雜的相互作用。如圖1所示，各種現(xiàn)象之間相互耦合。這些耦合效應(yīng)將包括：由于塑性變形功引起的升溫、加熱軟化、相變控制溫度、相變內(nèi)能、相變塑性、相變應(yīng)變、應(yīng)力對(duì)相變的影響、含碳量對(duì)各種材料屬性產(chǎn)生的影響及熱與變形對(duì)微觀組織的影響等。

圖1 DEFORM技術(shù)體系

4 DEFORM擠壓成形工藝方案的工業(yè)應(yīng)用

    首先傳統(tǒng)的產(chǎn)品工藝流程制定過(guò)程簡(jiǎn)圖如圖2所示，大部分人力物力花費(fèi)在尋找一個(gè)好的工藝方案上。而在探索過(guò)程中，傳統(tǒng)方法需要不斷地試模修模反復(fù)調(diào)整工藝直到找到滿足要求的工藝方案，這個(gè)過(guò)程耗費(fèi)了大量的人力物力和時(shí)間，給企業(yè)帶來(lái)的損失不可估量。

圖2 傳統(tǒng)工藝方案制定流程

    引入DEFORM數(shù)值模擬技術(shù)后，制定一個(gè)好的工藝方案的過(guò)程可以由DEFORM來(lái)協(xié)助完成，其中的試模、修模、工藝調(diào)整過(guò)程都可以先通過(guò)DEFORM在計(jì)算機(jī)上虛擬完成，直到找到一個(gè)比較優(yōu)良的工藝方案后再進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)。如下圖所示。

圖3 DEFORM協(xié)助工藝流程制定

    針對(duì)擠壓成形工藝面對(duì)的各種問(wèn)題，DEFORM能夠通過(guò)在計(jì)算機(jī)中模擬擠壓工藝過(guò)程預(yù)測(cè)零件可能出現(xiàn)的表面折疊、表面折縫、縮孔和裂紋等各種缺陷并能計(jì)算擠壓零件除應(yīng)力過(guò)程后零件的性能，同時(shí)能夠?qū)δ＞邞?yīng)力分布及模具磨損進(jìn)行計(jì)算。DEFORM擠壓成形工藝分析以廣泛應(yīng)用于汽車零部件制造企業(yè)的工藝研發(fā)中，如納鐵福傳動(dòng)軸、太平洋精密鍛造、東風(fēng)粉末廠及其他軸、齒輪、轉(zhuǎn)向架等工業(yè)生產(chǎn)用戶。

4.1鋁合金冷擠壓成形分析

    通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞擠壓成形過(guò)程數(shù)值模擬計(jì)算，預(yù)測(cè)出現(xiàn)了中心部位“凹陷”，通過(guò)下圖跟實(shí)際實(shí)驗(yàn)的對(duì)比可以看出DEFORM準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)出該缺陷的發(fā)生。

圖4 鋁合金冷擠壓成形分析結(jié)果

4.2金屬正擠壓分析

    金屬擠壓成形過(guò)程會(huì)產(chǎn)生金屬的大位移流動(dòng)現(xiàn)象，形成金屬件內(nèi)部的拉壓應(yīng)力，多數(shù)情況下，拉應(yīng)力造成諸如軸類件的內(nèi)部成形裂紋，使加工件產(chǎn)生報(bào)廢。DEFORM提供多種韌性斷裂準(zhǔn)則，通過(guò)拉應(yīng)力失效能夠預(yù)測(cè)金屬軸類件擠壓成形過(guò)程中發(fā)生的“人”字型裂紋及斷裂現(xiàn)象，本案例在汽車軸類件擠壓過(guò)程中通過(guò)模擬預(yù)測(cè)出現(xiàn)芯部拉裂，實(shí)際試驗(yàn)的圖片也驗(yàn)證了這一預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

圖5 金屬正擠壓分析

4.3鋁合金穩(wěn)態(tài)熱擠壓成形分析

    熱擠壓成形為國(guó)內(nèi)外鋁型材行業(yè)的主要成形工藝，該成形工藝下金屬流動(dòng)行為常以分流、焊合等復(fù)雜方式進(jìn)行，模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜，錯(cuò)誤的工藝及模具設(shè)計(jì)均會(huì)造成生產(chǎn)出的型材發(fā)生扭擰、波紋、開(kāi)裂、縮尾等缺陷，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量及美觀。DEFORM提供獨(dú)特的ALE成形求解方法能夠更加快速、準(zhǔn)確的完成穩(wěn)態(tài)擠壓分析，同時(shí)避免了Lagrange算法中由于網(wǎng)格扭曲引起的頻繁網(wǎng)格重劃分，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)擠型缺陷。

圖6 鋁合金穩(wěn)態(tài)擠壓成形分析

4.4模具應(yīng)力分析

    在擠壓成形過(guò)程中，模具一般承受很大的載荷，由于模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成強(qiáng)度不夠而發(fā)生破壞或長(zhǎng)時(shí)間生產(chǎn)發(fā)生疲勞斷裂是比較常見(jiàn)的問(wèn)題。DEFORM通過(guò)模具應(yīng)力分析查找到模具發(fā)生破壞的原因并且通過(guò)修改模具圓角外形解決了模具破壞的問(wèn)題。

圖7 擠型模具應(yīng)力分析

4.5模具磨損分析

    由于擠壓過(guò)程的特點(diǎn)，模具可能發(fā)生比較嚴(yán)重的磨損問(wèn)題，DEFORM的模具磨損分析功能能夠預(yù)測(cè)模具的磨損情況，根據(jù)磨損深度、磨損區(qū)域面積等幫助用戶在模具設(shè)計(jì)時(shí)考慮磨損問(wèn)題，下面便是一個(gè)模具磨損的案例，左上角為實(shí)際實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比圖。

圖8 模具磨損分析

5 結(jié)論

    由以上對(duì)擠壓成形特點(diǎn)的分析及DEFORM軟件的針對(duì)擠壓成形常見(jiàn)問(wèn)題的工業(yè)應(yīng)用可以得出以下結(jié)論：

    （1）使用DEFORM的工藝數(shù)值模擬分析功能協(xié)助工藝工程師完成擠壓成形工藝的制定，能夠減少昂貴的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成本；

    （2）DEFORM可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)成形工藝缺陷，通過(guò)將大多數(shù)試模過(guò)程在計(jì)算機(jī)中通過(guò)模擬完成，能夠減少實(shí)際試模修模次數(shù)，縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期；

    （3）通過(guò)分析模擬結(jié)果幫助用戶評(píng)估工藝方案優(yōu)劣，選擇較優(yōu)的工藝方案，提高產(chǎn)品質(zhì)量；

    （4）幫助企業(yè)制造高效低成本的產(chǎn)品，使企業(yè)在市場(chǎng)上更有競(jìng)爭(zhēng)力。

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