基于DEFORM-3D的柱塞冷挤压成形质量分析

李佳林，邵耿，郭斌

（1.四川瑞霆电力科技有限公司，成都 610000；2.四川坤成润科技有限公司，成都 610101；3.四川大学，成都 610065）

0 引言

为满足液压系统节能减材要求，液压柱塞泵正朝着轻量化、结构紧凑化方向发展。传统的柱塞都是实心结构，质量较大，所需驱动力也相应增加，而且在制作工艺过程中，柱塞所使用的材料多，从而使其生产成本大幅增加，实心柱塞的容积效率比空心柱塞的容积效率更低。柱塞的好坏直接影响了液压系统的工作性能，目前不少专家学者都对空心柱塞进行了研究。例如，田奎等[1]通过对河南井下700型压裂车在使用过程中柱塞失效模式进行了研究，并根据失效原因对柱塞结构进行了优化，将一体化实心柱塞改为空心柱塞后，提高了柱塞的使用寿命。汪崎生等[2]研究了空心柱塞的结构和运动特点，得出了空心柱塞在油井液中下落的运动速度、间歇中流体的流速分布等参数，为实际应用提供了理论依据。文献[3]～[5]提出了利用冷挤压技术，能够有效提高成形零部件的疲劳寿命，改善其抗振等性能。在处理板件等变形过程技术中，主要的仿真平台为DEFORM-3D，文献[6]～[10]利用该平台针对工件淬火、模具钣金等成形过程变形进行了研究。文献[11]～[15]利用DEFORM-3D软件分别对铝合金蓄能器壳体、螺帽、花键轴、筒形件等进行冷挤压成形仿真分析，得出零件成形的理论参数，为同类结构的零件成形提供借鉴。

本文研究了一种空心柱塞成形过程，着重分析了该柱塞材料成形中变化特点及相对性的应力应变情况。完成模拟后，零件充型完全，没有裂纹等缺陷。研究结果为同类零件的工艺设计提供了重要的理论参考。

1 750空心柱塞成形工艺分析

1.1 冷挤压分析

冷挤压工艺主要应用在汽车行业、军工行业、高强度紧固件等。也是柱塞成形过程中重要的工艺手段，利用冷挤压工艺，可以使毛坯发生变形进而得到目标零件。该方法具有以下优点：1）节约原材料。采用冷挤压工艺，可以提高材料的利用率，无切屑或者少量切屑产生。2）提高力学性能。表面压应力提高疲劳强度，心部纤维流线分布，材料的强度增加，同时也省去了热处理工序。3）能够加工结构复杂件。包括复杂的内腔、齿、键槽等。4）降低零件成本。提高生产效率、零件使用率等。

1.2 750空心柱塞分析

为了降低柱塞的运动惯量，以提高效率和降低机械噪声，空心柱塞在实际工程中得到越来越广泛的应用。750柱塞工艺流程如图1所示：棒料经过下料，粗车形成前段坯件和后段坯件，先经过冷挤压工艺得到前段、后段模型，再通过摩擦焊接组成柱塞组件，最后经过精车、钻孔及热处理工艺等一系列处理得到柱塞成品。

图1 750空心柱塞工艺流程图

2 有限元模型及模拟条件的设定

2.1 模具的建立

本文主要研究柱塞前段挤压成形过程，首先在INVENTOR中建立前段坯件、凸模、凹模、顶料杆的三维模型。前段坯件如图2所示，凸模如图3所示，凹模如图4所示，顶料杆如图5所示。再将三维模型导入DEFORM-3D环境中，如图6所示。

图2 前段坯件模型

图3 凸模模型

图4 凹模模型

图5 顶料杆模型

图6 基于DEFORM-3D环境的三维模型

2.2 材料参数

750柱塞的材料选用38CrMoAl，结构如图7所示。其他物理参数如表1所示。凸模、凹模材料采用CrMoV，顶料杆材料选用40Cr。凸模、凹模和顶料杆都被视为刚体，忽略其变形。

图7 750空心柱塞零件图

表1 750空心柱塞物理参数

2.3 网格划分

有限元分析中，网格质量的好坏直接影响求解的效率和精度。本文对前段坯件的网格划分，四面体网格数为10万，节点数为25 016个，单元质量达到0.962 057，如图8所示。

图8 前段坯件的有限元模型

2.4 运动参数及接触设置

模具温度与环境温度相同，设置为20 ℃，凸模向下运动，速度为25 mm/s，凸模行程为60.55 mm，步长为0.4 mm，设置步数为158步。此外，在仿真中，施加常剪切摩擦模型，其值为0.12。

3 仿真结果

3.1 挤压结果分析

1）本文基于DEFORM-3D软件对750空心柱塞的成形过程进行有限元模拟分析。柱塞挤压前后，根据材料的流动，可以将前段冷挤压过程分为充型凹模型腔、充型凸模型腔及凹模之间的型腔和充型完成等3个阶段。

2）充型凹模型腔阶段凸模向下运动，凸模与坯料上端面接触，因此坯料受到向下的压力，随着凸模的进给，坯料上端面开始变形，第10步应力视图如图9所示，材料流动视图如图10所示。

图9 第10步应力视图

图10 第10步材料流动视图

3）充型凸模型腔及凹模之间的型腔阶段凸模继续向下进给，坯料内圈金属沿着轴线向上流动，第80步的应力视图与材料流动视图如图11、图12所示。

图11 第80步应力视图

图12 第80步材料流动视图

4）充型完成阶段也是最终成形阶段。此时坯料完全充满型腔，多余金属沿凸模流出，与凸模接触，该阶段凸模进给量较小，型腔内的金属处于强烈的三向压应力的状态，第158步的应力视图与材料流动视图如图13、图14所示。

图13 第158步应力视图

图14 第158步材料流动视图

3.2 挤压结果分析

通过对空心柱塞前段进行有限元仿真：最大等效应力为1040 MPa，如图15所示；最大等效应变为7.32 mm，如图16所示；最大位移为51.2 mm，如图17所示；最大载荷为270 t，如图18所示。为实际生产提供理论参考，在机械领域实际生产中，取1.5的安全系数时，能够得出500 t的压力机能够满足实际加工需求。

图15 最大等效应力图

图16 最大等效应变图

图17 最大位移图

图18 载荷分布情况

4 结论

本文对某空心柱塞成形过程进行了仿真分析，基于DEFORM-3D平台，分析了其材料变化及零件应力应变情况，分析结果为同类零件设计提供了重要的参考，主要得出以下结论：1）在空心柱塞数值模拟成形过程中，金属流动清晰可见，流动顺利、分流合理，无成形缺陷产生，说明冷挤压工艺合理，具有可行性。2）仿真过程中基于DEFORM平台展现了柱塞材料流动规律及零件应力应变情况。仿真结果数字化展现了加工工艺过程，为减少产品工艺设计时间、优化设计方案等提供了可能性。3）结果验证了冷挤压成形空心柱塞工艺方案的可行性，同时为模具等同类零件结构设计提供了重要的参考依据。