冷擠壓成形是一種常見的材料塑性成形工藝，它具有成形零件力學(xué)性能高、精度等級高、表面粗糙度較低、生產(chǎn)周期短、節(jié)約資源、節(jié)能環(huán)保等諸多工藝優(yōu)點(diǎn)，在許多工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，尤其是在汽車工業(yè)中。水閥套零件是液壓系統(tǒng)中節(jié)水閥的一個(gè)重要零部件，由于是在汽車液壓系統(tǒng)中進(jìn)行工作，水閥套零件與閥芯相連接，因此需要滿足較高的尺寸精度。目前切削加工是水閥套零件較為常用的加工工藝，但相較于切削加工，冷擠壓成形材料利用率高，更環(huán)保，生產(chǎn)周期也更短，可大大提高生產(chǎn)效率。

水閥套零件擠壓成形工藝方案設(shè)計(jì)

在進(jìn)行水閥套零件擠壓成形工藝方案制定前，需要先對相應(yīng)零件坯料進(jìn)行熱處理，本文選取的水閥套零件材料為20Cr，其材料力學(xué)性能參數(shù)及化學(xué)成分如表1、表2所示，退火處理方式如圖1所示，坯料加熱至860℃，隨爐冷20℃/h，冷卻到300℃后轉(zhuǎn)為空冷。然后，對零件坯料進(jìn)行表面潤滑處理，本零件采用傳統(tǒng)表面潤滑處理工藝—磷皂化處理，其主要目的是減小坯料和模具之間的摩擦力，有效提高工件表面質(zhì)量及擠壓成形模具壽命。表1 20Cr化學(xué)成分表表2 20Cr基本力學(xué)性能圖1 20Cr退火工藝示意為了確定合理的水閥套零件加工成形工序，需計(jì)算其斷面縮減率，進(jìn)而制定其成形工藝的工序，根據(jù)公式(d0為擠壓變形前毛坯直徑，d1為擠壓變形后杯套外直徑，d2為擠壓變形后杯套內(nèi)直徑)，分別計(jì)算出零件上半部分的斷面縮減率為13.82%和下半部分的斷面縮減率為63.84%，查閱相關(guān)文獻(xiàn)可得，20Cr反擠壓許用變形程度為30.05%～64.31%，正擠壓最大許用變形程度為76.20%～81.20%，采用復(fù)合擠壓一次成形即可完成零件的成形，因此對該零件設(shè)計(jì)了兩種復(fù)合擠壓成形工藝方案，如圖2、圖3所示。圖2 復(fù)合成形方案一圖3 復(fù)合成形方案二方案二由凸模自上而下運(yùn)動(dòng)，一次復(fù)合擠壓成形。根據(jù)擬定的兩套復(fù)合成形方案分別在SOLIDWORKS軟件中建立相應(yīng)的工模具幾何模型，然后在DEFORM-3D軟件中導(dǎo)入其工模具幾何模型并進(jìn)行相應(yīng)的FEM模型建立，后續(xù)數(shù)值模擬試驗(yàn)均采用DEFORM-3D軟件完成。

數(shù)值模擬試驗(yàn)及結(jié)果分析

為了節(jié)約成形運(yùn)算時(shí)間，提高運(yùn)算效率，在模擬試驗(yàn)中，兩種復(fù)合成形工藝方案均采用1/4模型進(jìn)行數(shù)值模擬，所獲得的成形件等效應(yīng)力、等效應(yīng)變、變形速度矢量以及損失因子分布云圖，分別如圖4、圖5所示。由模擬試驗(yàn)結(jié)果可知，方案一和方案二都能實(shí)現(xiàn)該零件的成形，且等效應(yīng)力、等效應(yīng)變、變形速度矢量以及損失因子分布差異不大，但眾所周知，在冷擠壓成形中，擠壓力是決定擠壓成形的關(guān)鍵因素，擠壓力大小對模具壽命及設(shè)備選擇等都起著關(guān)鍵作用。方案一和方案二所獲得的擠壓載荷曲線如圖6所示，根據(jù)圖6可知，采用方案一時(shí)，最大擠壓載荷為8.97×105N，采用方案二獲得的最大擠壓載荷為5.02×105N，得出采用方案二可有效減少擠壓力。由此可知，在一次復(fù)合擠壓成形中，金屬流動(dòng)方向與沖頭運(yùn)動(dòng)方向需要認(rèn)真考慮，盡可能將金屬流動(dòng)最大部位做正向擠壓，這樣能有效減少擠壓力。圖4 方案一模擬試驗(yàn)結(jié)果圖5 方案二模擬試驗(yàn)結(jié)果圖6 擠壓載荷曲線

對主要成形工藝參數(shù)進(jìn)行正交優(yōu)化數(shù)值模擬試驗(yàn)及分析

正交試驗(yàn)的基本流程如圖7所示，先根據(jù)正交試驗(yàn)所要達(dá)到的目標(biāo)對各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行篩選，在選定參數(shù)后，確定各項(xiàng)因素及其水平數(shù)，然后再根據(jù)正交試驗(yàn)所要達(dá)到的目標(biāo)對各項(xiàng)因素建立合適的正交表。圖7 正交試驗(yàn)基本流程在進(jìn)行水閥套零件冷擠壓成形數(shù)值模擬試驗(yàn)研究中，選取了擠壓速度、坯料倒角以及摩擦系數(shù)三個(gè)不同的工藝參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)，采用3因素3水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，如表3所示，9組具體的試驗(yàn)取值如表4所示。表3 正交試驗(yàn)3因素3水平選取表表4 正交試驗(yàn)?zāi)M參數(shù)表根據(jù)上述參數(shù)制定正交試驗(yàn)的參數(shù)表，并生成項(xiàng)目文件。根據(jù)上述設(shè)定參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)，從而得到各組參數(shù)下的擠壓載荷數(shù)值，如表4所示。繪制正交極差分析的流程，如圖8所示。圖8 極差分析法流程圖在圖8中：(1)Cjm中j為第j列因素，m為第m行水平數(shù)，Cjm代表了第j列因素的第m行水平的試驗(yàn)值；(2)Ajm則是Cjm的平均值。當(dāng)j因素的水平進(jìn)行變動(dòng)時(shí)，通過Rj能夠得出試驗(yàn)指標(biāo)的變動(dòng)幅度，根據(jù)Rj的大小可判斷出因素的重要性，從而對因素進(jìn)行排序，如表5所示。表5 基于載荷值評估的極差CAE分析試驗(yàn)結(jié)果通過上述極差分析法可知，得到的最優(yōu)化工藝參數(shù)如圖9所示，其最優(yōu)工藝成形方案是：在凸模擠壓速度為10mm/s、坯料倒角為60°、摩擦系數(shù)為0.08的情況下，獲得的擠壓載荷最小。圖9 最優(yōu)工藝參數(shù)擠壓成形凸模載荷曲線

結(jié)論

本文對一種典型的車用水閥套零件進(jìn)行了冷擠壓成形數(shù)值模擬研究，獲得的主要研究結(jié)論如下。⑴根據(jù)理論分析，采用了兩種一次復(fù)合擠壓成形方案，通過數(shù)值模擬試驗(yàn)得知，采用方案二獲得的試驗(yàn)結(jié)果更理想，由此可知，在進(jìn)行一次復(fù)合擠壓成形中，要盡可能將金屬流動(dòng)的主要部位設(shè)置為正向擠壓，這樣可以有效減少擠壓力。⑵選取擠壓速度、坯料倒角以及摩擦系數(shù)三種工藝參數(shù)，根據(jù)3水平3因素正交數(shù)值模擬試驗(yàn)，獲得了水閥套零件的冷擠壓成形最優(yōu)參數(shù)組合為：凸模擠壓速度為10mm/s、坯料倒角為60°、摩擦系數(shù)為0.08的情況下獲得的擠壓載荷最小，其擠壓載荷為4.82×105N。—— 來源：《鍛造與沖壓》2019年第17期

總結(jié)

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