基于Qform2D/3D 的阀螺钉冷挤压工艺设计＊

田海洋，杨 宁，薛慧鹏，郑伟刚* ，肖 敏

(1.贵州大学 机械工程学院，贵州 贵阳550025;2.贵州交通职业技术学院 机械电子工程系，贵州 贵阳550008)

冷挤压加工工艺以其生产的产品尺寸精度高、表面光洁度好、生产工艺流程简单、产品性能优良、材料利用率高、产品范围广、设备投资少等诸多优点，在国内得到迅速的发展。材料在冷挤压加工中受三向应力作用，使成形后的产品组织致密，经历细化，并且材料流线沿零件轮廓连续分布，大大提高了零件的力学性能，尤其是抗疲劳性能［1-2］。在新产品的设计过程中，数值模拟软件的运用可以大大缩短新产品的设计、试验周期;并且可以在计算机上直观的观察到材料应力场和应变场的分布，从而为正确制定工艺方案提供指导。

本文以阀螺钉的冷挤压生产工艺方案为例。阀螺钉是一种外形呈阶梯状的回转轴类零件，头部为六角形。其传统生产采用金属切削的方法，对材料利用率低，制造成本高，坯料中的缺陷会被继承下来，从而影响零件的强度。为了提高产品生产效率和质量，降低生产成本，采用冷挤压工艺对其进行试制。运用Qform2D/3D 软件对阀螺钉成形过程进行数值模拟，分析了模拟过程中金属流动的规律和应力、应变的分布，确定合理的工艺试制方案。最终通过实验验证了阀螺钉冷挤压工艺方案的可行性。

1 零件挤压工艺方案设计

1.1 工艺特点分析

阀螺钉的零件图如图1 所示，该零件为阶梯轴类零件，有两个阶梯，头部为正六边形。分析零件冷挤压工艺的特点为;a、零件小端杆径d 接近于头部直径D 的一半，最适合进行正挤压加工［3］;b、零件材料为ML10AL，加工中存在剧烈的加工硬化，变形抗力大，成形对模具的要求较高。c，零件的断面收缩率为84%，高的断面收缩率增加了材料的流动难度。

图1 阀螺钉零件图

1.2 方案设计

根据零件的工艺特点，制定理想的工艺方案是正挤压一次成形，最大限度减少工序，提高生产效率。但是，零件的正六边形头部增大了其变形抗力，使零件的成形难度增加。因此，分两次挤压成形。外螺纹通过机加工成形。制定阀螺钉的生产工艺流程如图2 所示。

图2 阀螺钉生产工艺流程

1.3 工艺参数计算

(1)变形程度确定

ML10AL 的变形程度与10 号钢的变形程度近似，为50% ～80%［4］。根据零件尺寸计算，其变形程度ε0= 84%，超过了材料的许用变形程度。因此，预取零件变形程度ε1= 78.2%，根据变形程度计算公式

式中:D 为毛坯直径，d 为挤压零件成形直径。经计算得零件最小端直径d =14 mm。超出零件尺寸部分通过机加工去除。

(2)毛坯尺寸计算

毛坯预先制成实心圆柱状，直径D =30 mm，与零件大端尺寸一致。零件的体积利用UG 建模后计算出为V1= 12562 mm3，根据体积不变原则计算毛坯的厚度为:

式中:H 为毛坯厚度，V1为工件体积，R 为毛坯半径。计算得毛坯的厚度H =17.8 mm。

2 成形方案的模拟分析

2.1 几何建模及模拟参数设置

阀螺钉毛坯和模具具有轴对称结构，为了减小模拟运算量，提高效率，取其1/12 进行建模。利用UG 软件对阀螺钉进行三维实体造型，并保存为step 格式导入Qform2D/3D 进行网格划分和数值模拟。模拟过程中假设模具材料为刚性体，采用刚粘塑性有限元法，忽略材料的弹性变形。其摩擦接触条件采用Shear 法则:

式中:τ 为摩擦剪切应力，σ 为剪切屈服应力，μ为摩擦系数。

其它模拟参数设定见表1。

表1 模拟参数

2.2 模拟分析

(1)应力场、应变场的分析

由模拟结束后的平均应力图(图3)可以看出，挤压过程较为顺利，未出现折叠或者裂纹。最大应力分布在成形零件上端台阶凸角处，且分布均匀。最大应力为2808 MPa。应注意避免出现内部裂纹，在盈利最大处合理设计过渡圆角，能有效保护模具。

由模拟结束后的有效应变图(图4)可以看出，材料的整体变形是不均匀的，应变主要发生在零件中部，在小台阶下部有效应变最大，分布均匀，最大有效应变为4.782。在有效应变最大处材料变形剧烈，容易产生缺陷，因此要适当控制变形速度。上端台阶和下端台阶凸角处由于挤压存在金属死区，材料不发生变形。

图3 平均应力图(MPa)

图4 有效应变图

(2)载荷分析

图5 载荷—距离曲线

由图5 载荷—距离曲线可以看出，挤压过程分三个阶段:第一阶段为坯料挤出第一个台阶，即凸凹模距离为14 mm 时，此阶段随着第一个台阶的挤出，载荷不断增加，当载荷达到0.47 MN 时达到稳定阶段。第二阶段为挤出中间小台阶，载荷在此时上升，小台阶成形后载荷趋于平稳，并出现轻微的下滑，即载荷减小，最终稳定在0.6 MN。第三阶段为阀螺钉最小端成型阶段，此阶段成型压力最大，载荷由0.6 MN 直接升到1.27 MN，此阶段对模具和设备的强度和刚度要求逐渐增大。模具设计应以此阶段为依据。

3 工艺验证

3.1 模具安装调试

根据设计方案的模拟结果，设计了阀螺钉的挤压成型模具，其结构如图6 所示。采用四导柱导套式模架，导柱对模板的垂直度误差小于0.01 mm，导柱导套的配合精度不低于IT7。采用两层预应力组合凸凹模［5］，以增强凹模的径向强度，降低模具更新的成本。为了保证凸、凹模的同轴度，模具采用双重导向，即模架本身采用导柱、导套导向，同时凸、凹模再进行模口导向。工作时，坯料放入凹模2 中，凸模4 下行，进入凹模23.5 mm，零件挤压成型。保压6 s 后凸模回程，顶杆4 顶出成形零件。

图6 阀螺钉挤压成型模具图

在装配模具时，为了提高凸、凹模的同轴度，保证零件的成形精度，要反复的对凸、凹模进行对中调整。凸模的下行要严格控制，防止挤压力力大幅上升而导致凸模寿命大幅度降低。模具工作一段时间后，凹模内表面粗糙度会降低，进而影响零件的表面质量，此时应卸下模具，用油石条将模具表面研磨即可继续使用。

3.2 试验验证

根据制定的工艺方案，在315 t 液压机上进行加工。成形试件如图7 所示。试验中零件成形顺利，没有出现表面褶皱、微裂纹等。最终产品尺寸、表面粗糙度达到设计要求。实践证明，该成形工艺方案适合批量生产，且经济效益良好。

图7 工艺试验得到的阀螺钉

4 结论

(1)阶梯轴类零件冷挤压成形的难点是其最小端成形压力大，此阶段对模具和设备的强度要求较高。在设计冷挤压工艺时应考虑最小端的变形程度，并结合当前设备，设计出合理的冷挤压零件图。

(2)利用数值模拟分析软件，对设计的零件的工艺方案进行数值模拟，验证其可行性。为零件最终结构尺寸提供设计依据。同时模拟了成型过程中的材料的流动情况，应力应变分布，以及可能产生的缺陷等等，并以此为依据不断改进设计方案，为最终的生产提供指导。利用Q -form2D/3D 对阀螺钉的分析，即减少了实验材料的损耗，又缩短了工艺方案试验的周期。

［1］马飞良.国外核反应堆压力容器用A 50823 钢及制造［J］. 大型铸造锻件，1990(4):35 -46.

［2］姜桂荣. 热旋封头工艺的研究与开发［J］. 热加工工艺，2003(7):32 -36.

［3］洪慎章. 冷挤压实用技术［M］. 北京:机械工业出版社，2004:129 -130.

［4］王超然. 金属材料手册［M］. 北京:北京工业大学出版社，1995.

［5］郑伟刚，束昊，吴启山，等.球面滑履冷挤压模脱模装置的改进设计研究［J］.锻压技术，2009，34(3):100 -102.