基于DEFORM-3D的离合块冷挤压工艺优化【文献】
孙 健，张水忠
(上海工程技术大学材料工程学院，上海 201620)
摘要：对离合块零件进行了工艺分析，提出了两种不同的方案，通过建立有限元模型，并借助 DEFORM-3D 对该零件两方案进行了数值模拟，把模拟得到的应力、应变、速度、载荷等数据与实际冷挤压生产工艺相结合，通过多次计算机模拟确定了：方案一不合理，并分析了导致模具损坏的原因；方案二的结果较优，与实际挤压情况相符
合，最终挤压出符合图纸要求的合格产品。 关鲤词：离合块；工艺分析；数值模拟；冷挤压
DOI：10. 3969/j. issn. 1000-3940. 2009. 05. 004
中图分类号：TG376. 3; TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1000~3940 (2009) 05-0012-04
Process optimization of clutch block cold extrusion based on DEFORM-3D
SUN Jian, ZHANG Shui-zhong
(College of Materials Engineering, Shanghai University of Engineering Science♦ Shanghai 201620, China)
Abstract：The process an alysis and optimization for the clutch block were described The finite element model was crea¬ ted based on two different schemes, and numerical simulation was proposed using software package of DEFORM-3D. The stress, strain, velocity distribution, load and other data were compared with the actual cold extrusion process. Fi¬ nally. the scheme one was irrationality and the reason about the die failure was an alyzed, and the result of the scheme two was better than the scheme one. The simulation result was incorporated into the actual production process and the products were got which met the draft requirements.
Keywords：clutch block; process an alysis $ numerical simulation；cold extrusion
运用数值模拟技术来进行冷挤压工艺优化是一 种常用的研究方法。本文研究的产品是电动扳手上 一个关键零件，由于在工作时受较大的冲击载荷, 其强度、韧性、表面硬度及耐疲劳性能要求较高， 因此零件材料选用 15CrM。合金渗碳钢，通过表面 渗碳淬火及低温回火，用于制造在常温工作条件下 芯部韧性较高而表面有足够硬度的各种重要零件e。 图 1 为离合块冷挤压尺寸图，图 2 为离合块零件挤 压件的 3/4 实体造型图。零件形状复杂，其中间为 一异形通孔，孔壁有两个对称的 "人" 字形凹槽, 上端为两个台阶，台阶底平面靠近异形通孔附近还 有局部的小凸起平台，下端为一圈较深的环形槽。 从零件形状上分析，采用传统的机械加工方法既费 工又费料，况且有些部位又很难成形，满足不了零 件形状尺寸的要求。
冷挤压工艺是一种先进的金属材料成形工艺, 不但具有生产效率高、材料利用率高、成形零件尺形时，金属流动剧烈，芯棒受拉应力过大而受损， 同时异形孔的尺寸精度不易保证，因此先反挤一半 以上环形槽和正挤异形孔预成形，预成形凹模芯棒 上端为圆柱，直径为中14mm, 底端为 6 mm 球冠, 半径取 R9 mm；步骤三，反挤环形槽并成形异形 孔；步骤四，精整成形，主要是确保细节部位的形 状和尺寸精度。分析两种方案可知，方案一首先在 第 1 道正挤台阶时的断面收缩率较大，在第 2 道复 合挤压成形异形孔和环形槽工序上金属流动剧烈， 容易造成零件缺陷和影响模具寿命；方案二相对设 置较为合理，不仅减小了断面收缩率，而且使零件 在变形过程中金属流动较平稳且成形结果好。
3 零件数值模拟
3.1 模拟参数设置
采用 DEFORMZ-3D 模拟上述方案，基本参数 设置如下。工件材料选择 DIN - 16CrMo44(l. 7337), 相当于国标 GB- 15CrMo, 类型为Plastic, 导入尺 寸根据方案一、二来 确定；模具材 料选择 JIS硬度取 60 HRC, 类型为 Elastic.压力机速度为3 mm ，s 每步增量为0.3 mm。成形摩擦类型选择剪切，值设置为0.12, 传热系数设置为5, 环境温度为28 模具磨损模型选择 Ar-chard：" 参数 a=l, 6=1, c=2, i= 2X 10so 总模拟步骤：方案一为 126 步，每 2 步保存数据；方案二为 145 步，每 2 步保存数据。其它参数采用DEFORM-3D 内部默认，本文取两方案的模拟结果与实际生产作比较。
3.2 模拟结果与分析
对于数值模拟结果主要研究应力、应变场。应力场分析主要计算工步变形力和力能消耗，并以此 作为选用挤压设备，设计模具结构和校核模具强度 的依据。应变场分析可了解应变分布的不均匀状态, 为设计坏料和模具型腔，控制应力集中，避免变形 过程出现破裂、折叠和充不满型腔等现象提供依据。 与温度场分析联合使用，可分析产品成形后晶粒度 和硬度的变化的。
通过DEFORM-3D 的多次数值模拟并选择最优 结果可以看出，方案一在第 2 道工序成形时，在复 合挤压时异形孔处出现应力过大且产生拉应力。模 拟第 126 步程序停止. 查看此步模具应力情况，可 知其最大应力达 742 MPa, 造成模具芯棒受到过大 的轴向拉应力而对芯棒造成危险，此时的应变也较 大为 13.5, 且 局部凸模磨损 量最大 值达到 0.0172 mm. 温度场结果显示，在环形槽与 “人" 字形凹槽薄壁处出现局部温度过高的情况。实际生 产表明，此时应力的确过大造成芯棒断裂，如图 3 所示。分析可知，轴向拉应力的产生原因是由于正 挤件时，挤压件外表和中心因受摩擦力影响不一样, 金属流动速度大小也不一样，因此产生了此附加轴 向拉应力⑺" 应力应变情况如图 4 和图 5 所示.
方案二设计了更为合理的工序，数值模拟结果显示其应力应变均匀，局部凸模磨损量最大值才 0.00112 mm, 没有方案 •所示的局部应力应变过高的情况，应变值均在 5. 26 以下，在设计模具时把芯棒的斜度取为 4°, 第 3 步的台阶的凹 模加大0.1 mm, 台阶面设计RO. 5 mm 的倒圆角， 顺利解 决上述问题，模拟结果如图 6 和图 7 所示。
4 结论
（1）冷挤压工艺的制订过程中，离合块一类复杂形状零件的挤压工序的确定是非常关键的，不但影响模具的使用寿命，同时也决定了是否能挤出合格的产品。
（2）数值模拟结果表明，金属成形过程中不能出现局部较大的应力、应变集中的情况，否则会导致工件在挤压过程中产生损坏或破裂，并且在模拟过程中应注重分析缺陷产生的机理，这对于指导实际生产大有裨益。
（3）金属成形有限元软件DEFORM-3D 对于设计金属成形工艺的制订具有很好的参考价值。尤其是较复杂形状的零件，若充分利用软件的数值模拟功能并与实际经验相结合，可以缩短新产品的开发周期，降低试模成本，具有较大的经济效益。
原资料见附件
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