轻量型食品装备多界面管材塑性成型工艺有限元模拟

朱成俊ZHU Cheng-jun 王 景

(1. 河南工业职业技术学院，河南 南阳 473009；2. 武汉理工大学机电工程学院，湖北 武汉 430070)

随着经济的发展，食品工业进入到一个蓬勃发展的阶段，食品工业的发展也带动了食品机械工业的发展。随着大众生活水平的提高，越来越多的食品加工设备来到了人们生活中，榨汁机、豆浆机、面条机等。许多设备设计之初是为了工业化量产，不符合家用需求，但设备原理不变，用更为轻便的材料将工业设备小型化成了研究热点，设备管件塑性方法近几年得到了大量的关注[1]。

在创通领域中，管材塑性工艺研究需要数次重复，直至产品完全定型，研发时间长、成本高、难度大，不适用于现阶段机械设备高速发展的需要[2]。随着计算机技术的发展，现阶段主要采用有限元模拟的方式重复管材塑性研究，能够大幅度缩短研发时间，降低研发成本[3]。本研究拟采用DEFORM数值模拟软件对多界面管材的塑性成形工艺进行研究，对轻量级食品装备管材性能的研发过程进行详细的介绍，方便同类型研究者进行参考，为加速中国高端装备制造业发展做出贡献。

1 多界面塑性成型方法

1.1 工艺方案的确定

此次模拟是对家用食品机械轴头进行研究，轴头由锥形连接多个不同直径的阶梯管组成。加工的原料是由矩形与圆形共同组成的圆管，见图1。

图1 轴头所用的毛坯

Figure 1 The blank used for the shaft head

温挤压，冷整形，是本研究所用的成形工艺。温挤压的目的是按照主要尺寸成形出轴头的形状，这一步主要是分配材料的体积。其后再通过冷整形对轴头形状进行细致的处理[4]。经过细致处理后，轴头的精度可以达到单用冷挤压工艺成形所能达到的精度。并且该工艺后序加工步骤少，且可直接应用到食品机械产品中，所选用的设备吨位低，适用于大批量生产[5]。

1.2 轴头挤压常见问题及解决方案

材料折叠、飞边、堆积缺陷，见图2。形成该缺陷的原因可能是模具尺寸设计不合理、温度较高或者摩擦系数偏大，金属不能及时向自由端流动，从而导致缺陷的产生。本研究主要通过修改模具尺寸来解决该问题。

图2 温挤压常见缺陷Figure 2 Warm extrusion common defects

挤压件与模具定径区充不满，有间隙，见图3。材料的屈服强度、磨具的摩擦系数和锥角都会影响间隙的大小。本研究通过改进优化温挤压模来解决该问题[6]。

图3 温挤压间隙充不满Figure 3 Warm squeezed gap

固定端镦粗现象的出现，见图4。图4是经过冷整形处理后的轴头。但是其并未与磨具完全贴合，挤压的过程还未达到要求，从而导致镦粗现象在固定端的出现。因此，对于挤压件的温挤压变形量设置，要尽量贴近最终的尺寸要求，这样才能够达到较好的成形效果。

图4 固定端镦粗Figure 4 Fixed end upsetting

1.3 有限元模拟

有限元模拟过程中涉及2个模型，分别为模具和管坯[7]。模具所用的材料为5CrNiMo，在对称边界条件设置时选择刚形体。管坯所用的材料为SAE1527，在对称边界条件设置时选择塑性体。对于模拟部位的选取，是根据轴头的对称性特征和圆管来选择的[8]。本研究在有限元模拟中选取圆管及模具的1/4进行模拟，按照成形方式设定挤压速度为30 mm/s，摩擦系数为0.05，管坯和挤压模热传递系数为模拟默认值。

由于DEFORM没有建模功能，为了能在短时间内模拟出来，本研究在前处理中将模具与管坯在CATIA中配置好，调整好定位。然后把管坯和挤压模分别以STL格式储存，最后将数据导入至DEFORM，其中挤压模拟的起始定位情况见图5。

2 试验过程和数据分析

模拟参数影响着模拟的结果和最终效果，因此对模拟参数的研究十分必要。在塑性成形过程中有3个主要的模拟参数，挤压速度、加压时加热温度以及摩擦系数。其中挤压速度对于成形的影响并不显著，但另外2个参量都会严重影响模型成型。为了让轴头成形的结果更为准确，本研究对温度和摩擦系数进行了具体研究。

图5 有限元模型Figure 5 Finite element model

2.1 温度对挤压成形效果的影响

在温度对挤压成形的效果模拟中，分别取500，600，700，800 ℃作为研究对象，其他条件和参数保持一致。

图6为温度对壁厚增量的影响。从图6中可以看出，随着温度的升高，管坯壁厚也随之增加。并且在500～700 ℃时，管壁厚度的增加速度并不剧烈，但在700～800 ℃时，厚度增加的速度急剧上升。由于管坯内径处于自由状态，在500～800 ℃时钢的塑性随温度升高而增加，金属在径向加速流动，从而引发管壁厚度的剧烈变化。

图6 温度对壁厚增量的影响Figure 6 Influence of temperature on wall thickness increment

图7为分析端部翘曲受温度影响的变化情况。从图7中可以看出，随着温度的增加，端部内径的数值有微小下降，但是变化并不明显。由此可以说明端部翘曲受温度影响很小。

图8为温度对载荷的影响。从图8中可以看出，载荷随着温度的升高而显著降低。

图7 温度对端部内径的影响Figure 7 Temperature effect on the inner diameter of the end

图8 温度对载荷的影响Figure 8 Temperature effect on the load

考虑到较小的载荷可以减少模具的磨损降低生产成本，但温度过低金属材料的塑性不好，温度过高可能会使金属材料发生堆积，严重的可能会导致折叠。所以依据试验结果得出：温度的增加会使管壁厚度增加，载荷降低，但对端部内径无影响，选取温度700 ℃作为最终成形模拟的参数。

2.2 摩擦系数对挤压成形效果的影响

在摩擦系数对挤压成形效果的模拟中，分别取0.00，0.05，0.10，0.15作为研究对象，其他条件和参数保持一致。

图9与图10分别为摩擦系数对壁厚增量以及延伸量的影响。随着摩擦系数的增加，管壁厚度增加十分明显，同时导致伸长量明显减小。这是由于管坯内壁没有模具的限制，金属的径向流动不受摩擦系数影响，从而壁厚增加。但金属的轴向流动受摩擦系数的影响，摩擦系数增大，流动受阻也增大，从而使得延伸量减小。

图9 摩擦系数对壁厚增量的影响Figure 9 Influence of friction coefficient on wall thickness increment

图10 摩擦系数对延伸量的影响Figure 10 Effect of friction coefficient on elongation

图11为端部内径受摩擦系数影响的变化曲线。由图11可知，随着摩擦系数的增加，端部内径也随之增大，从而使得翘曲程度加剧，可能是金属的径向和轴向流动受摩擦系数的影响不一致导致的。管材翘曲会因材料内外部流动的不均衡而变化明显。虽然管坯前部是翘曲出现的主要部位，材料内外流动不均，管材的翘曲程度会非常明显。虽然翘曲出现的区域位于管坯前部，且出现范围较小，对于轴头成形并没有太大影响，但是还是应该尽量避免翘曲的出现，减少摩擦，选择性能较好的润滑剂对管坯表面进行处理。

图11 摩擦系数对端部内径的影响Figure 11 The effect of friction coefficient on the inner diameter of the end

图12为摩擦系数对载荷的影响。从图12中可以看出，载荷随着摩擦系数的增大而增大。较小的载荷可以减少模具的磨损，降低生产成本，因此在成形过程中应尽量控制摩擦力，减小阻力。

图12 摩擦系数对载荷的影响Figure 12 Effect of friction coefficient on load

考虑到摩擦系数的增大，会使得管壁厚度、端部内径和载荷都依次增加。因此，在管壁厚度可以达到要求的情况下，应在成形过程中尽量减小摩擦系数，从而减少管材翘曲程度和模具的磨损。

3 结论

以轻量小型食品装备中的机械轴头为研究对象，确定了轴头多界面管材的塑性成形工艺，即温挤压和冷整形。研究了轴头在成形中常见的三类缺陷问题，分别对三类问题产生的原因进行了分析，并提出了相应的解决方案。最后，通过有限元模拟技术，分别研究了温度和摩擦系数对轴头挤压成

形效果的影响。研究表明，管坯的壁厚随着温度的增加而增加，随着摩擦系数的增大而增加；翘曲程度随着摩擦系数的增大而增加；载荷随着温度的增加而降低，随着摩擦系数的增大而增大。本研究提出针对食品机械多界面管材的塑性成形工艺，管件设备能够同时满足加工工艺中冷挤压与温挤压结合的特点，材料本身质量轻，成本低，便于加工，可满足家用面条机、和面机、食物料理机等食品机械需求。

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