基于SolidWorks的锁芯冷挤压模具凸模热处理工艺研究

罗 成

（中山市基信锁芯有限公司，广东中山 528400）

0 引言

冷挤压是指在冷态下将金属毛坯放入模具型腔内，在强大的压力和一定的速度作用下，迫使金属从型腔中挤出，从而获得所需形状、尺寸及具有一定力学性能挤压件的成形工艺。该工艺具有工效高、节省材料、产品质量好等优点，在锁具锁芯生产中得到广泛应用[1]。随着人们对锁具安全性能要求的提高，锁芯也越来越复杂，对锁芯的冷挤压模具提出了更高的要求。

1 锁芯模型

图1所示为锁芯模型，主要材料是黄铜。对于锁芯，其形具有较高的复杂性，若是直接借助基础切削方式进行生产，则会导致工艺十分繁琐，并且对生产效率造成一定影响。同时，在锁芯生产中，锁芯零件生产批量较大，因此，冷挤压模具并不适用于锁芯生产中。

图1 锁芯模型

中国一些企业在采取冷挤压工艺过程中，其模具使用寿命较短，而实际寿命对产品生产效率以及质量等有着直接影响。模芯材料一般以Cr12MoV为主，该材料具有微变形性、抗压强度良好、热稳定性、耐磨性、强韧性以及淬透性等特点。然而在实际应用中，会存在凹模开裂、局部起层、凸模弯曲、断裂以及局部产生鳞片状等问题。为了使模具力学性能得到充分优化，提升其使用寿命，对其开展了热处理试验，并最终加以确认[2]。之后通过构建SolidWorks软件与Simulation功能，结合有限元对凸模进行了分析，对其热处理工艺合理性以及有效性进行充分验证。

2 热处理工艺

基于加工手段与合金的化学成份一定的条件时，可以借助热处理工艺对模具型芯强韧度、硬度以及耐磨性等进行优化，以避免出现早期失效的问题。Cr12MoV材料主要热处理工艺是回火、淬火以及球化退火等工艺[3]，如图2、图3所示。球化退火存在碳化物球体缺少统一尺寸、碳化物网存在尖角碳化物以及偏析严重等不足，进而对模具使用寿命造成一定影响。回火与淬火工艺存在无法解决球化退火中的组织缺陷问题，致使模具的实际抗压强度受到一定影响，造成早期失效问题。如图3（b）所示的工艺，其存在点状碳化物、网状碳化物以及共晶碳化物等问题，与图3（a）进行对比，发现能够使模具韧性以及断裂抗力得到明显提升，然而其成本较高，模具寿命无法满足预期要求。

图2 球化退火

图3 淬火、回火

表1 Cr12MoV改进热处理方案与力学性能

通过对锁芯模具实际应用要求以及热处理工艺进行综合分析，制定热处理方案，借助检测Cr12MoV试样的力学性能以及对其进行试验，对最佳方案进行了确认，各个方案以及通过热处理的力学性能[4]如表1所示。由表可知，二次回火、高淬高回+调质工艺是最佳方案，Cr12MoV经过该工艺处理之后，所有力学性能十分突出。后续借助有限元分析验证该结果。

3 冷挤压凸模的有限元分析

3.1 模具凸模的建模

SolidWorks的装配能力及建模能力十分突出，能够对仿真操作进行灵活应用。该软件可以进行参数驱动，也能够对设计数据进行随意变动，与资源管理器中的特征管理器有较多相似之处，对复杂零件的层次关系以及设计细节等可以十分便捷地观察，保证零部件和工程图、装配图等实现同步更新。另外，SolidWorks在复杂曲面中表现出的造型能力十分突出，能够对复杂曲面零件进行轻松、合理地设计。借助该软件，对冷挤压模具的凸模进行建模，能够将锁芯的制造全过程、外形结构以及三维模型更加清晰、生动地展现出来。为了保证分析工作能够顺利开展，在正式开展分析工作前，应该将模型简化[5]。这样能够充分减少对分析结果的影响，同时，此种影响几乎可以忽略不计。

锁芯的圆角非常多，而模具凸模也有着较多的圆角，为了对网格数进行有效控制，保证分析工作顺利开展，需对其周边圆角进行处理，如图4所示。

3.2 Cr12MoV静力分析

表2所示为Cr12MoV热处理前与热处理后的物理属性，对两种情况同时开展测试。

图4 冷挤压模具的凸模模型简化图

夹具借助固定几何手段对凸模表面进行充分固定，并在其上表面施加挤压力，对模具闭合过程中实际员工作业情况进行充分模拟，如图5所示为边界条件[6]。将挤压力的施加区域设定在其上表面，实际挤压力凸模施压面积以及坯料与挤压为温度过程的润滑效果、力学性能、模具形状以及变形程度等有直接关联，挤压力可借助经验公式进行计算：

式中：P为单位挤压力，N/cm2，在对铜、硬铝等材料进行冷挤压时，通常取值1 000；F为实际积压面积，mm2，一般对锁芯的简化模型取值1 680。

因此，实际施加的载荷力为：

P=1.3 pF=1.3×1 000×16.8=21 840 N

表2 Cr12MoV钢热在处理前与热处理后的材料属性

图5 边界条件

图6 划分结果

网格单元随着划分的精密度增加，分析结果会更加精确。本文借助曲率半径网格单元，其类型属于四面体实体，最大与最小单元分别为10.623 235 9 mm、2.124 647 18 mm，增长比率为1.6。对网格借助高品质进行划分，其雅可比点是4[7]。雅可比点主要代表单元的畸形情况，随着点数增加，检查也更加严格，会使其精度得到优化，降低结算速度。由于Simulaiton软件需要进行三角形单元设置，其内部积分点只有一个，因此采用4点雅可比能够充分保证精确度要求。图6所示为划分结果。

4 有限元结果和分析

对Cr12MoV热处理前与热处理后的凸模静应力进行分析发现，虽然其均在屈服极限的范围，但是未进行热处理的凸模，安全系数方面存在不足；进行热处理后的凸模，安全系数得到有效提升，促使模具使用寿命得到充分延长[8]。主要原因在于进行热处理之后，钢材料的屈服强度上升到1 665 MPa，促使其安全性与可靠性得到充分提升。

5 结束语

对于Cr12MoV材料冷挤压模具的断裂以及弯曲等问题，利用SolidWorks软件对其凸模进行建模。对热处理前以及热处理后的凸模进行静应力分析发现，借助Cr12MoV材料值设计的冷挤压模型，在对其模具型芯进行调质处理、高淬高回以及二次回火等处理之后，能够充分优化其力学性能并提升安全系数，使其使用寿命得到充分提升。因此，在热处理工艺以及锁芯生产等方面可以借鉴该研究。