预成形毛坯矩形槽劈挤成形初步研究

王沁军

（山西机电职业技术学院机械工程系，山西 长治 046011）

矩形槽作为构成零件的常见特征，按加工过程中有无切屑产生，分为切削成形和塑性成形两种方法。劈挤成形矩形槽属于塑性成形方法，成形过程中局部发生塑性变形，成形力较小，通过金属体积的连续局部转移形成矩形槽，成形后金属纤维组织能够合理分布，同时模具（劈楔）磨损后能自动补偿，是一种新的塑性成形方法[1]。

对于劈挤成形的研究，目前还处于初步阶段，矩形槽劈挤成形的基本模型如图1所示。成形过程中，坯料固定在夹具上固定不动，模具的工作部分（劈楔头部）沿一定方向运动，使其头部与坯料接触，先将坯料劈分，然后头部对坯料产生推挤作用，使局部金属发生转移，产生连续的塑性变形，最终形成矩形槽[1]。

图1 矩形槽劈挤成形模型

1 矩形槽劈挤成形的数值模拟

DEFORM-3D是一套基于工艺模拟系统的有限元分析软件，专门用于分析各种金属成形过程中的三维（3D）流动，提供极有价值的工艺分析数据，显示成形过程中材料的流动和温度变化情况[2~3]。通过科学的有限元分析，可以预测成形后的各种缺陷，进而改善工艺方案，降低生产成本，提高设计效率。劈挤成形属于塑性成形的一种，可使用DEFORM-3D软件进行有限元分析。DEFORM-3D软件有限元分析的主要步骤如图2所示。

图2 DEFORM-3D软件有限元分析步骤

数值模拟前，利用UG NX软件建立毛坯、夹具、劈楔的数学模型[4~6]。为满足物理模拟试验用模架需要，采用长方体毛坯。夹具用于固定毛坯，根据毛坯外形尺寸确定夹具尺寸即可。劈楔的形状，对劈挤成形的效果有很大影响，结合现有研究成果，采用尖头劈楔，如图3所示，主要参数有劈分角（α=60°），劈入角（β =60°），劈楔工作部分高度（h）和槽宽。

图3 尖头劈楔

利用相对网格划分工具进行毛坯网格划分，网格数目约为11 000个，同时进行局部细分网格。劈挤成形时，毛坯只在局部区域发生剧烈变形，故在该区域进行网格细化，其他区域变形较小，网格相对较疏。相对于劈楔和夹具而言，毛坯为变形体，还需要定义材料模型，毛坯材料选用45钢，由于劈挤成形为热成形，成形温度在1 000℃左右。

数值模拟前，需在软件中设置劈挤成形工艺参数，主要包括以下内容：

（1）劈挤成形速度。即劈楔相对于夹具的移动速度，因夹具位置固定不动，故设置劈楔的运动速度为10 mm/s，与物理模拟速度基本相同。

（2）劈挤成形温度。数值模拟时，不考虑温度的变化对劈挤成形的影响。设定毛坯的温度为1 000℃。热成形中，模具一般需预热，设定劈楔温度为250℃，夹具温度为200℃。

（3）劈挤成形步距。即数值模拟时，劈楔每一步的移动距离。一般情况下，步距越大，所需的模拟时间越短，模拟精度越小；反之，步距越小，所需的模拟时间越长，精度越高。通常步距应为网格最小边距的1/10～1/3[2~3]，划分网格时最小边距为2 mm左右，故取劈挤成形步距为0.6 mm。

（4）相互位置关系。数值模拟前，应调整好毛坯、夹具、劈楔三者之间的位置关系，以便进行劈挤成形数值模拟。

2 预成形毛坯设计

采用长方体毛坯，在劈挤成形过程中，槽侧均有隆起，且隆起高度和隆起体积较大，要得到规则的矩形槽，还需进行大量的切削加工[7]。为直接得到槽侧无隆起的矩形槽，采用预成形毛坯，然后经劈挤成形得到矩形槽。这种方法的关键，在于预成形毛坯的设计，预成形部分的结构要简单且易于成形。根据现有研究状况，设计了6种预成形毛坯，预成形部分如图4所示。其基本尺寸为长74 mm，宽39 mm，高20 mm。数值模拟时，矩形槽槽宽为10 mm，槽深度为11 mm。

图4 预成形毛坯

3 预成形毛坯矩形槽劈挤成形初步研究

进行毛坯1的数值模拟，可观察到：成形时，与劈楔正面接触的金属部分随着劈楔一起运动，进而脱离毛坯本体，部分转移到槽侧形成槽侧隆起，与劈楔侧面接触的金属受挤压而向上运动，形成槽侧隆起。经测量，成形后隆起高度较小，最高处为2 mm左右，隆起体积较小。成形后的最大缺陷，是顶部槽侧为圆弧过渡，而非直角过渡。

毛坯2和3的数值模拟结果，与毛坯1相近，其中毛坯3成形后，顶部槽侧圆弧过渡半径很小，成形效果较好。

进行毛坯4和5的数值模拟，其成形过程与毛坯1相似。成形后，隆起高度和体积都很小，存在的缺陷，是顶部槽侧不是直角过渡，而是斜线过渡。

进行毛坯6的数值模拟，其成形过程与毛坯1相似，如图5所示。

图5 毛坯6数值模拟结果

成形后隆起高度和体积都很小，顶部槽侧直角过渡区域已达到11 mm，后续通过少量的机械加工，即可得到规则的矩形槽。

综合比较以上数值模拟试验，毛坯6最有利加工出槽侧无隆起的矩形槽。按照毛坯6的设计要求，制作预成形毛坯（铅坯），进行了物理模拟试验，与数值模拟结果相符。

4 结束语

对劈挤成形矩形槽的研究，目前还处在初步阶段，采用预成形毛坯经劈挤成形得到槽侧无隆起的规则矩形槽，关键是研究劈挤成形过程中，金属的流动趋势和变形情况，从而合理设计预成形毛坯。进一步的研究还需要大量的数值模拟和物理模拟试验，逐步优化预成形毛坯的结构参数，并通过生产试验来验证。

[1]张如华，卢险峰.槽的连续局部塑性成形与劈挤[J].塑性工程学报，2006，(4)：75-78.

[2]李传民，王向丽，闫华军，等.DEFORM5.03金属成形有限元分析实例指导教程[M].北京：机械工业出版社，2007.

[3]张 莉，李升军.DEFORM在金属塑性成形中的应用[M].北京：机械工业出版社，2009.

[4]李丽华，郑少梅，李 伟.轻松跟我学UGNX4.0[M].北京：电子工业出版社，2007.

[5]江 洪，郦祥林，李春表，等.UG5.0典型实例解析[M].北京：机械工业出版社，2007.

[6]袁 锋.UG机械设计工程范例教程（高级篇）[M].北京：机械工业出版社，2006.

[7]王沁军.尖头劈楔劈挤矩形槽成形规律初步研究[D].南昌：南昌大学，2009.