預成形毛坯矩形槽劈擠成形初步研究

王沁軍

（山西機電職業技術學院機械工程系，山西 長治 046011）

矩形槽作為構成零件的常見特征，按加工過程中有無切屑產生，分為切削成形和塑性成形兩種方法。劈擠成形矩形槽屬于塑性成形方法，成形過程中局部發生塑性變形，成形力較小，通過金屬體積的連續局部轉移形成矩形槽，成形后金屬纖維組織能夠合理分布，同時模具（劈楔）磨損后能自動補償，是一種新的塑性成形方法[1]。

對于劈擠成形的研究，目前還處于初步階段，矩形槽劈擠成形的基本模型如圖1所示。成形過程中，坯料固定在夾具上固定不動，模具的工作部分（劈楔頭部）沿一定方向運動，使其頭部與坯料接觸，先將坯料劈分，然后頭部對坯料產生推擠作用，使局部金屬發生轉移，產生連續的塑性變形，最終形成矩形槽[1]。

圖1 矩形槽劈擠成形模型

1 矩形槽劈擠成形的數值模擬

DEFORM-3D是一套基于工藝模擬系統的有限元分析軟件，專門用于分析各種金屬成形過程中的三維（3D）流動，提供極有價值的工藝分析數據，顯示成形過程中材料的流動和溫度變化情況[2~3]。通過科學的有限元分析，可以預測成形后的各種缺陷，進而改善工藝方案，降低生產成本，提高設計效率。劈擠成形屬于塑性成形的一種，可使用DEFORM-3D軟件進行有限元分析。DEFORM-3D軟件有限元分析的主要步驟如圖2所示。

圖2 DEFORM-3D軟件有限元分析步驟

數值模擬前，利用UG NX軟件建立毛坯、夾具、劈楔的數學模型[4~6]。為滿足物理模擬試驗用模架需要，采用長方體毛坯。夾具用于固定毛坯，根據毛坯外形尺寸確定夾具尺寸即可。劈楔的形狀，對劈擠成形的效果有很大影響，結合現有研究成果，采用尖頭劈楔，如圖3所示，主要參數有劈分角（α=60°），劈入角（β =60°），劈楔工作部分高度（h）和槽寬。

圖3 尖頭劈楔

利用相對網格劃分工具進行毛坯網格劃分，網格數目約為11 000個，同時進行局部細分網格。劈擠成形時，毛坯只在局部區域發生劇烈變形，故在該區域進行網格細化，其他區域變形較小，網格相對較疏。相對于劈楔和夾具而言，毛坯為變形體，還需要定義材料模型，毛坯材料選用45鋼，由于劈擠成形為熱成形，成形溫度在1 000℃左右。

數值模擬前，需在軟件中設置劈擠成形工藝參數，主要包括以下內容：

（1）劈擠成形速度。即劈楔相對于夾具的移動速度，因夾具位置固定不動，故設置劈楔的運動速度為10 mm/s，與物理模擬速度基本相同。

（2）劈擠成形溫度。數值模擬時，不考慮溫度的變化對劈擠成形的影響。設定毛坯的溫度為1 000℃。熱成形中，模具一般需預熱，設定劈楔溫度為250℃，夾具溫度為200℃。

（3）劈擠成形步距。即數值模擬時，劈楔每一步的移動距離。一般情況下，步距越大，所需的模擬時間越短，模擬精度越??；反之，步距越小，所需的模擬時間越長，精度越高。通常步距應為網格最小邊距的1/10～1/3[2~3]，劃分網格時最小邊距為2 mm左右，故取劈擠成形步距為0.6 mm。

（4）相互位置關系。數值模擬前，應調整好毛坯、夾具、劈楔三者之間的位置關系，以便進行劈擠成形數值模擬。

2 預成形毛坯設計

采用長方體毛坯，在劈擠成形過程中，槽側均有隆起，且隆起高度和隆起體積較大，要得到規則的矩形槽，還需進行大量的切削加工[7]。為直接得到槽側無隆起的矩形槽，采用預成形毛坯，然后經劈擠成形得到矩形槽。這種方法的關鍵，在于預成形毛坯的設計，預成形部分的結構要簡單且易于成形。根據現有研究狀況，設計了6種預成形毛坯，預成形部分如圖4所示。其基本尺寸為長74 mm，寬39 mm，高20 mm。數值模擬時，矩形槽槽寬為10 mm，槽深度為11 mm。

圖4 預成形毛坯

3 預成形毛坯矩形槽劈擠成形初步研究

進行毛坯1的數值模擬，可觀察到：成形時，與劈楔正面接觸的金屬部分隨著劈楔一起運動，進而脫離毛坯本體，部分轉移到槽側形成槽側隆起，與劈楔側面接觸的金屬受擠壓而向上運動，形成槽側隆起。經測量，成形后隆起高度較小，最高處為2 mm左右，隆起體積較小。成形后的最大缺陷，是頂部槽側為圓弧過渡，而非直角過渡。

毛坯2和3的數值模擬結果，與毛坯1相近，其中毛坯3成形后，頂部槽側圓弧過渡半徑很小，成形效果較好。

進行毛坯4和5的數值模擬，其成形過程與毛坯1相似。成形后，隆起高度和體積都很小，存在的缺陷，是頂部槽側不是直角過渡，而是斜線過渡。

進行毛坯6的數值模擬，其成形過程與毛坯1相似，如圖5所示。

圖5 毛坯6數值模擬結果

成形后隆起高度和體積都很小，頂部槽側直角過渡區域已達到11 mm，后續通過少量的機械加工，即可得到規則的矩形槽。

綜合比較以上數值模擬試驗，毛坯6最有利加工出槽側無隆起的矩形槽。按照毛坯6的設計要求，制作預成形毛坯（鉛坯），進行了物理模擬試驗，與數值模擬結果相符。

4 結束語

對劈擠成形矩形槽的研究，目前還處在初步階段，采用預成形毛坯經劈擠成形得到槽側無隆起的規則矩形槽，關鍵是研究劈擠成形過程中，金屬的流動趨勢和變形情況，從而合理設計預成形毛坯。進一步的研究還需要大量的數值模擬和物理模擬試驗，逐步優化預成形毛坯的結構參數，并通過生產試驗來驗證。

[1]張如華，盧險峰.槽的連續局部塑性成形與劈擠[J].塑性工程學報，2006，(4)：75-78.

[2]李傳民，王向麗，閆華軍，等.DEFORM5.03金屬成形有限元分析實例指導教程[M].北京：機械工業出版社，2007.

[3]張 莉，李升軍.DEFORM在金屬塑性成形中的應用[M].北京：機械工業出版社，2009.

[4]李麗華，鄭少梅，李 偉.輕松跟我學UGNX4.0[M].北京：電子工業出版社，2007.

[5]江 洪，酈祥林，李春表，等.UG5.0典型實例解析[M].北京：機械工業出版社，2007.

[6]袁 鋒.UG機械設計工程范例教程（高級篇）[M].北京：機械工業出版社，2006.

[7]王沁軍.尖頭劈楔劈擠矩形槽成形規律初步研究[D].南昌：南昌大學，2009.