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摘要：對平衡環架零件進行了擠壓工藝分析，制定了兩步成形方案。運用Deform有限元軟件對兩工位成形過程進行了模擬，獲取了成形過程中模具載荷和金屬流動的變化趨勢。綜合考慮模具受力和加工成本，確定了一工位的分流降載工藝和二工位的異形孔擠壓成形方法。

關鍵詞：異形孔；分流降載；擠壓成形；平衡環架

平衡環架是機械結構中常見的零件，主要起到支撐和旋轉樞紐的作用。對于帶有異形孔的平衡環架，其制造難點是異形孔的加工，目前加工方式主要為線切割。大批量生產時，大量的機械加工不僅造成了材料的嚴重浪費，還極大地影響了產品生產效率[1]。精密塑性成形技術是解決復雜結構大批量生產的先進制造技術，它是指零件成形后，不再加工或僅需少量切削加工，就可用作機械構件的成形技術[2]。通過控制坯料的尺寸精度、潤滑條件、模具等設備的精度和成形過程中的變形參數完全可以獲得表面質量好、尺寸精度高的凈成形件。大部分尺寸甚至所有部位的尺寸可以省去后續機加工，達到節省材料、能源的目的。然而，復雜結構的產品在應用精密塑性成形生產時存在許多工藝難題，如充填不滿，模具磨損嚴重甚至開裂，這些問題限制了精密塑性成形工藝的推廣使用。上述問題產生的根本原因是金屬流動不均，局部流動困難，從而導致模具局部受力嚴重偏大，使得模具失效[3]。因此，如能采用合理的精密塑性成形工藝，使得金屬流入模具各部分的比例合適，應能降低模具受力，提高模具的使用壽命。對于塑性成形工藝和模具結構對金屬流動的影響，有限元數值模擬技術是近年來研究該類問題的有效工具[4]。本文針對某平衡環架零件，以分流降載為目的，運用有限元數值模擬技術探索其合理的工藝。

1工藝方案設計

平衡環架產品的零件圖和三維模型如圖1所示。由圖可見，平衡環架產品主體為環形，內孔為異形且尺寸較小，最大處為準10.6mm，零件高度較小,為6.1mm，側向有對稱的兩個方塊，另外兩個側向有準4.1mm的通孔。對于側向塊的成形，考慮擠壓成形特點，擬采用鐓擠或徑向擠壓成形來完成。徑向擠壓需要鎖緊模具，結構較復雜，因此采用鐓擠成形側向塊[5]。異形內孔在側向塊擠壓成形結束后采用反擠壓成形，得到帶有連皮的不通孔，最后將連皮切除。兩個側孔通過后續機加工完成。高度方向上適當添加機加工余量以保證側向塊和反擠異形孔的成形。產品整體尺寸較小，其余部位機加工容易且耗時不多，可以通過機加工獲取精確尺寸。具體工藝方案為：①下料，坯料體積為2060mm3，尺寸外徑取準14.8mm，高度為12mm；②磷皂化潤滑；③擠壓成形側向方塊（此工位為一工位，擠壓件見圖2）；④車圖2下端面，保證其為平面（采用周向分流時該工序同時切除側向塊上的毛刺）；⑤反擠中心異形孔（二工位）；⑥車上端面，去除反擠杯部，車下端面，去除孔底；⑦加工準4.1mm側向孔；⑧熱處理。

2平衡環架擠壓成形數值模擬

2.1一工位鐓擠成形過程一工位為鐓擠成形，初始模擬模型見圖3。采用冷成形，取其1/4進行分析，材料是DIN-42CrMo4合金結構鋼，冷成形時強度、硬度高，其變形抗力可達880MPa。模具和坯料間摩擦采用剪切摩擦模型，摩擦因子取0.12，坯料初始網格為50000個，凸模下壓速度為10mm/s。模具和坯料間摩擦因子取0.12，坯料初始網格為50000個，凸模下壓速度為10mm/s。圖4為一工位鐓擠過程中凸模載荷隨行程的變化情況。可以看到，大部分行程階段凸模上的載荷都較小，在100kN以下。隨著側向塊的進一步填滿，多余金屬可流動空間變小，模具受力急劇上升，到最終充填完成時為316kN。為了減小凸模載荷，在凸模和凹模間設置了分流部位以容納多余金屬，見圖5箭頭所指處。圖6為0.5mm分流腔時凸模上載荷隨行程變化情況。最終充填完成時載荷為257kN，相較于第一個方案的316kN有所降低。當分流腔尺寸調整為1mm時最終充填完成時載荷為219kN，同時，由于分流腔的存在，側向塊端面的充填變得困難。上述分析說明軸向分流可以降低凸模承受的壓力，但單純通過軸向分流難以達到可靠的模具受力。由于對側向塊端部的金屬流線沒有較高要求，該部位允許機加工完成，此時可以采用徑向分流和軸向分流配合，當擠到如圖7所示位置時停止。此時，凸模載荷為150kN。圖7中黑圈部位的未充滿之處約有0.5～0.7mm，在設計擠壓件尺寸時可以加上相應余量，通過后續的機加工完成其徑向尺寸和相鄰圓角的加工。

2.2二工位反擠異形孔成形過程平衡環架二工位反擠成形過程是在一工位鐓擠基礎上進行，初始分析模型見圖8。同樣取產品的1/4進行分析，反擠凸模為異形截面，凸模頭部設置了R1mm的圓角以便金屬流動。其他模擬參數與一 工位一致。為了使將來孔底切除后產品高度尺寸足夠，對一工位鐓擠件稍作修改，在坯料下面增加了3mm余量，分別是1mm的凸模圓角和2mm的孔底厚度，如圖8所示。圖9為二工位反擠模擬結果。在側向塊有限位塊壓住的情況下，此時成形就是一個異形孔的反擠壓。從圖9可以看到，擠壓件關鍵部位與模具貼合度好，保證了異形孔的基本形狀，圖紙上對異形孔的精度要求也不高，反擠壓成形可以滿足需求。該方法的缺點是材料利用率較低，需在后續的切削加工中去除箭頭所指的上面的杯部和下面的杯底，其切削量上部大約從側向塊頂端至杯部最高處8mm開始，杯底約3mm。當然，采用此種成形方法模具結構較復雜，需要增加限位塊（圖8），在成形時限位塊保持不動，成形結束需要將限位塊移開以取出擠壓件。圖10為未增加限位塊的成形結果，側向塊部位隨著擠壓進行向上移動，使得其形狀和尺寸發生了變化，同時孔形也發生了變化。若在一工位通過反擠壓獲取異形孔或圓孔然后二工位完成側向塊成形也是一種思路，但通過數值模擬發現，由于孔是異形孔，側向塊存在于零件兩側，會導致孔形發生改變，因此均不可行，如圖11所示。

3結語

平衡環架零件具有異形孔，采用精密塑性成形工藝可以直接成形，降低了機械加工成本，提高了生產效率。但由于材料為42CrMo合金結構鋼，強度、硬度高，給冷擠壓帶來了困難。對于此產品，為了保證側向塊和異形孔的成形，要求模具對其有充分的約束，導致擠壓力較高，模具難以承受如此高壓力。本文以分流降載為目的，運用有限元數值模擬技術探索其合理的分流成形工藝，確定為一工位軸向分流復合徑向分流成形，二工位采用限位塊反擠成形異形孔。該工藝降低了凸模承受載荷，對于提高模具壽命，降低生產成本具有較高的應用價值。

參考文獻：

[1]夏華，姬程程，彭樹杰．異形孔軸類零件的復合擠壓成形模設計與數值模擬[J]．模具工業，2013，39(1)：71-74．

[2]夏春林，魏志堅，葉俊青，等．近凈成形技術在航空鍛件中的應用[J]．新技術新工藝，2014(3)：27-29．

[3]高振山，鄧效忠，陳拂曉，等．基于修正Archard理論的螺旋錐齒輪鍛造模具壽命預測[J]．中國機械工程，2014，25(2)：226-229．

[4]湯成建，孔德軍，趙本國，等．齒形鏈輪溫擠壓精密成形數值模擬[J]．熱加工工藝，2016，45(19)：156-159．

[5]張海英，陸賢，林健，等．用鐓擠法進行閉式模鍛[J]．鍛壓技術，2012，38(1)：17-20.

作者：黃英娜 李振紅 莊衛國 葉圣 徐輝 許軍杰 單位：江蘇省先進結構材料與應用技術重點實驗室