油泵活塞成形工藝數(shù)值模擬與模具設(shè)計范文

本站小編為你精心準(zhǔn)備了油泵活塞成形工藝數(shù)值模擬與模具設(shè)計參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要：依據(jù)擠壓特點和技術(shù)要求，采用溫擠壓成形工藝對油泵活塞進(jìn)行了擠壓。通過計算獲得了相應(yīng)的壓力。以載荷-行程作為目標(biāo)函數(shù)，通過Deform-3D軟件對成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，對不同初始擠壓溫度和摩擦因子的成形效果進(jìn)行了研究。結(jié)果得出，活塞的最佳初始擠壓溫度為750℃，最佳摩擦因子為0.15。

關(guān)鍵詞：油泵活塞；溫擠壓成形；Deform-3D軟件；數(shù)值模擬；模具設(shè)計

油泵廣泛應(yīng)用于石油、化工、城市供水、污水處理、消防設(shè)施、集中供暖、農(nóng)業(yè)排灌等行業(yè)[1]。活塞是油泵中重要零件之一，其設(shè)計質(zhì)量直接影響到泵的平穩(wěn)運行和使用壽命。近年來，大量的學(xué)者利用有限元仿真軟件對各類活塞進(jìn)行研究。劉菊榮等[2-3]以應(yīng)力集中作為影響疲勞強(qiáng)度的主要因素，利用ANSYS有限元軟件對新型油泵活塞進(jìn)行疲勞性能研究；利用MATLAB分析軟件對新型真空抽油泵活塞進(jìn)行運動仿真分析，獲得活塞在工作過程中的位移、速度和加速度曲線。楊立權(quán)等[4]通過Deform-3D軟件的理論計算與模擬，探討了溫擠壓過程中應(yīng)變場、應(yīng)力場與溫度場情況。任發(fā)才等[5]以Deform-3D為平臺對活塞頭成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出變形過程中擠壓件破壞因子分布圖和載荷行程曲線。王旭飛等[1]利用ANSYS有限元分析軟件對新型真空抽油泵活塞進(jìn)行靜力分析。佟瑩[6]通過分析活塞頭的結(jié)構(gòu)特點，利用Deform-3D軟件對溫擠壓和閉式模鍛兩套溫成形工藝方案進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了閉式模鍛工藝不同潤滑條件對鍛件成形以及模具磨損的影響。

1成形工藝分析

1.1有限元模型建立

隨著動力機(jī)械向高速、低耗、高穩(wěn)定性方向發(fā)展[4]，對油泵活塞的開發(fā)提出了更高的要求。使用高性能材料固然可以提高活塞性能，但生產(chǎn)成本會成倍增加。制造活塞的材料主要采用45鋼，坯料尺寸為準(zhǔn)20mm×34mm。工藝主要采用溫擠壓[7]，溫擠壓成形工藝比冷擠壓成形工藝所需擠壓力小，無需冷擠壓后的軟化退火處理，相對于熱擠壓成形工藝模具磨損小。根據(jù)油泵活塞零件圖（圖1），初步確定成形工藝流程為：剪切下料→中頻感應(yīng)加熱→鐓擠→終鍛成形→形變淬火→高溫回火→機(jī)加工。

1.2邊界條件設(shè)置

溫擠壓模具的選擇主要依據(jù)模具材料的耐熱程度。由于成形時間短，擠壓過程的鍛件急劇升溫，使鍛件與模具的溫差加大，所以選擇模具材料必須具有耐熱性和高硬性。根據(jù)文獻(xiàn)[8]，在650～800℃的溫擠過程中，模具采用4Cr5MoSiV1（AISI-H13）鋼，這是國內(nèi)應(yīng)用最廣的熱作模具材料，適合溫擠壓。由圖2可知，隨著擠壓溫度的升高，45鋼抗拉強(qiáng)度總體呈現(xiàn)降低趨勢。但在400℃左右出現(xiàn)升高現(xiàn)象，此時金屬的塑性降低，即金屬藍(lán)脆區(qū)，所以選擇成形溫度時應(yīng)避免[9]。為了避免金屬在擠壓過程中產(chǎn)生高變形抗力，降低壓力和模具磨損，一般采用中高溫。為了降低模擬時間和提高模擬精確程度，將在模擬過程中只對整體坯料的1/8進(jìn)行模擬。通過Deform-3D軟件模擬成形過程，需要對工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)計和預(yù)定。本次模擬設(shè)置了不同的工藝參數(shù)，具體參數(shù)[10]作以下設(shè)置：①成形速度為10mm/s；②坯料與模具傳熱系數(shù)為5N/（s•mm•℃）；③模具初始溫度為240℃。

1.3斷面縮減率

在塑性加工過程中，許用變形程度越大，生產(chǎn)率越高，變形工序越少[11]，但受金屬材料的塑性和模具單位許用擠壓力的影響，對于變形程度的大小要嚴(yán)格控制。由圖1可知，此工藝過程主要采用反擠壓成形。反擠壓變形程度計算為：式中：ψ為斷面縮減率；d1為凸模截面直徑，mm；d0為擠壓后鍛件截面直徑，mm。通過文獻(xiàn)[7]可知，在拉伸試驗中獲得45鋼在不同溫度下的變形抗力和斷面縮減率的關(guān)系曲線如圖2所示。45號鋼在600～800℃的許用變形程度為82%～91%，符合要求。

1.4壓力機(jī)選擇

在擠壓成形過程中，擠壓力的精確計算對壓力機(jī)噸位的選擇至關(guān)重要。但在擠壓過程中的影響因素較多，很難精確計算擠壓力。目前，用于計算溫擠壓力的方法有經(jīng)驗公式計算法、圖算法、查表法和近似計算法等常用方法[7]，本文采用近似計算法。反擠壓時，作用在凸模上的單位擠壓力pc計算為：式中：C為安全系數(shù)，查表1，取2.2；n為溫擠壓變形時材料的冷作硬化系數(shù)，查表1，取2.0；A0為毛坯截面積，mm2；A1為凸模截面積，mm2；Rm為溫擠壓下材料的抗拉強(qiáng)度，查圖2，700℃下的抗拉強(qiáng)度為180MPa。式中：P為所需的總擠壓力，kN；C為安全系數(shù)，取1.3；A為凸模與毛坯表面接觸在水平方向上的投影面積，mm2。考慮實際的擠壓過程，當(dāng)鍛件的最大變形力大于鍛壓機(jī)輸出壓力時，容易出現(xiàn)悶車現(xiàn)象，故計算所得噸位應(yīng)為實際公稱壓力的80%，實際所采用壓力機(jī)的公稱壓力為1600kN，所以選擇國產(chǎn)的閉式拉力肘桿式冷擠壓機(jī)，其型號為J88-160。

2溫擠壓模擬過程

2.1數(shù)值模擬流程分析

運用Deform-3D軟件對活塞溫擠壓成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，圖3是鍛件成形過程示意圖。圖3（a）表示鐓粗過程中凸模與坯料剛剛接觸，此時壓下量為0mm；圖3（b）表示鐓粗過程中，凸模壓下量1.7mm時，活塞底部凸臺基本成形；圖3（c）表示鐓粗階段完成，此時壓下量為15mm，凹模內(nèi)壁與坯料外壁相接觸；圖3（d）表示更換凸模后開始擠壓成形；圖3（e）表示鍛件擠壓成形，此時凸模壓下量為29.2mm，可以看出溫擠壓過程坯料的工件變形良好，杯口外圓有毛刺產(chǎn)生。

2.2溫度對行程載荷的影響

溫擠壓成形中，除了模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計之外，選擇合理的鍛件初始溫度也是至關(guān)重要的。鍛件初始溫度的高低主要影響鍛造過程中的變形抗力、模具磨損、坯料塑性等，合適的溫度會使鍛件在擠壓過程中具有良好的金屬流動和表面精度。本文在其他條件不變情況下，以50℃為間隔，從600℃到800℃選取五組進(jìn)行數(shù)值模擬對比，觀察擠壓中成形載荷的變化結(jié)果，分析此類活塞的最佳溫度。模擬結(jié)果如圖4所示。從圖4（a）～（e）可以看出，在不同的初始溫度下，溫擠壓過程的載荷變化基本一致。成形過程分為鐓粗（0～15mm）和擠壓（15～29.2mm），鐓粗階段前中期，成形載荷相差不大，曲線平滑；在鐓粗后期，由于坯料外圓和凹模內(nèi)壁的接觸作用，導(dǎo)致成形載荷急劇上升。在擠壓前中期，成形載荷相差不大，曲線平緩；在后期，由于杯口和凸模的接觸，導(dǎo)致成形載荷急劇上升進(jìn)而最終完成成形。從圖中可以清晰地看出，壓下量處于15mm附近時出現(xiàn)突起，這是由于在Deform-3D的數(shù)值模擬過程中，擠壓前未更換凹模模具所導(dǎo)致，使成形載荷產(chǎn)生落差，并不影響模擬效果。從圖4（a）中可以看出，當(dāng)凸模壓下量達(dá)到29.2mm時，所對應(yīng)的最大成形載荷為501kN。為了更直觀地看出鍛件初始溫度與最大成形載荷的關(guān)系，將不同鍛件初始溫度所對應(yīng)最大成形載荷的影響繪制成折線圖（圖4（f））。從圖4（f）的趨勢中可以發(fā)現(xiàn)，不同鍛件初始溫度下的成形載荷變化較大，隨著溫度的升高，載荷越小。在650℃時急劇下降，分析認(rèn)為可能是Deform-3D的自劃分網(wǎng)格功能導(dǎo)致模擬過程中金屬流動比較順暢，從而所需載荷變小。經(jīng)過模擬結(jié)果比較顯示，在不影響鍛件質(zhì)量的前提下，為了避免過度氧化造成材料損失，選擇初始溫度為750℃，此時模具所受載荷為420kN。

2.3摩擦因子對載荷的影響

溫擠壓成形過程中，隨著擠壓的進(jìn)程，凸模與鍛件間的摩擦將不斷增大，表面損傷越大，因而造成鍛件表面破損達(dá)不到零件所需要求。另外，磨損必將產(chǎn)生熱量，白白消耗能量從而使機(jī)械效率降低。因此，溫擠壓過程中需要加入凸、凹模與鍛件之間的潤滑。雖然潤滑效果越好，表面質(zhì)量越高，但過度的潤滑也是一種資源的浪費。本文在其他條件不變情況下，摩擦因子以0.05為間隔，從0.1到0.3選取五組進(jìn)行數(shù)值模擬對比，觀察擠壓中成形載荷的變化比較結(jié)果，分析此類活塞在溫擠壓成形工藝下的最佳摩擦因子。模擬結(jié)果如圖5所示。從圖5（a）～（e）可以看出，不同摩擦因子下，溫擠壓過程的載荷變化基本一致。成形過程分為鐓粗和擠壓，在鐓粗階段前中期，成形載荷相差不大，在鐓粗后期，由于坯料外圓和凹模內(nèi)壁的接觸作用，導(dǎo)致成形載荷急劇上升。在擠壓階段前中期，成形載荷相差不大，在擠壓后期，由于杯口和凸模的接觸，導(dǎo)致成形載荷急劇上升進(jìn)而完成最終成形。從圖5（a）可以看出，當(dāng)凸模壓下量達(dá)到29.2mm時，所對應(yīng)的最大成形載荷為51kN。為了更直觀地看出摩擦因子與最大成形載荷的關(guān)系，將不同摩擦因子所對應(yīng)最大成形載荷的影響繪制成折線圖。從圖5（f）的趨勢圖中我們可以清晰看出總體趨勢：隨著摩擦因子的增大，模具所受載荷呈“U”型狀態(tài)。一般情況下，良好的潤滑有利于減小行程載荷。但隨著坯料溫度的升高，尤其在溫、熱擠壓工藝方案下，所采用的潤滑方式較困難，且高溫易使?jié)櫥阅芙档汀Ｒ虼耍瑥哪M結(jié)果趨勢圖5（f）中可以看出，在摩擦因子在0.1時，行程載荷并非是最小值。在不影響鍛件質(zhì)量的前提下，為了避免摩擦的影響從而增大載荷。從圖中可知，摩擦因子在0.15時，模具所受載荷較小，此時模具所受載荷為412kN。

3模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

溫擠壓成形過程中所用模具，必須符合實際生產(chǎn)要求。本文所設(shè)計的模具裝配圖如圖6所示。（1）隨著擠壓的進(jìn)行，凸、凹模必將受到軸向壓力。凸模墊板和凹模墊板的彈性作用用于分散擠壓所受壓力，延長凸、凹模的使用壽命。（2）鍛件在擠壓成形后，由于溫度的變化和坯料體積的增加造成鍛件卡入凸、凹模中不易取出。當(dāng)擠壓件附著在凸模上時，可利用卸料板和卸料環(huán)的阻礙作用把鍛件從凸模中卸下來；當(dāng)擠壓件嵌在凹模中時，則利用下頂桿推動頂桿和頂料桿向上將鍛件從凹模中脫離出來。（3）本文采用溫擠壓成形工藝，鍛件初始溫度與模具初始溫度有一定溫差，且擠壓過程中隨著坯料的不斷變形，也會產(chǎn)生熱量作用于鍛件上。對于小批量生產(chǎn)時，生產(chǎn)量小，模具結(jié)構(gòu)中可以不設(shè)置冷卻系統(tǒng)。在大批量生產(chǎn)時，隨著擠壓次數(shù)的增多，溫差的變化會增加模具磨損，進(jìn)而縮減模具使用壽命，則必須在模具結(jié)構(gòu)中加入冷卻系統(tǒng)。圖6在下模座內(nèi)預(yù)留冷卻液通道。當(dāng)需要對模具冷卻時，通過預(yù)留冷卻管口將冷卻水或冷空氣通入進(jìn)行冷卻。

4結(jié)語

通過對活塞的有限元建模分析，選擇合理的模擬邊界條件，應(yīng)用Deform-3D進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)擠壓力計算公式獲得相應(yīng)的計算載荷，從而選擇合適的壓力機(jī)，確保擠壓成形中所需的壓力。確定溫擠壓中對載荷-行程影響較大的因素是鍛件初始溫度和摩擦因子，并進(jìn)行數(shù)值模擬，分析結(jié)果可知，活塞的較優(yōu)初始鍛造溫度為750℃，較優(yōu)摩擦因子是0.15。依據(jù)溫擠壓成形工藝方案對現(xiàn)有模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而保證鍛件的合格率。

參考文獻(xiàn)：

[1]王旭飛，劉菊蓉，戴俊平，等．新型真空油泵活塞的有限元模態(tài)分析[J]．機(jī)械設(shè)計與制造，2010(9)：104-106．

[2]劉菊蓉，王旭飛，戴俊平，等．基于ANSYS的油泵活塞疲勞分析[J]．礦山機(jī)械，2012，40(4)：111-113．

[3]劉菊蓉，王旭飛，戴俊平，等．新型真空抽油泵活塞的運動仿真[J]．煤礦機(jī)械，2009，30(9)：85-87．

[4]楊立權(quán)，呂青青，汪希奎，等．發(fā)動機(jī)活塞頭溫擠過程數(shù)值模擬研究[J]．熱加工工藝，2013，42(5)：84-87．

[5]任發(fā)才，趙國群，王廣春．活塞頭擠壓工藝模具設(shè)計與數(shù)值模擬優(yōu)化[J]．鍛壓技術(shù)，2006(4)：49-53．

[6]佟瑩．活塞頭溫鍛成形工藝的數(shù)值模擬優(yōu)化[J]．熱加工工藝，2012，41(21)：136-138．

[7]洪慎章．冷擠壓實用技術(shù)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014：71-84．

[8]徐新成，張水忠，劉淑梅．溫鍛用模具材料的選用及熱處理工藝[J]．熱加工工藝，2005，34(7)：66-67．

[9]徐新成，趙中華，張水忠．偏心軸的冷溫復(fù)合擠壓工藝及模具設(shè)計[J]．熱加工工藝，2008，37(19)：72-76．

[10]張莉，李升軍．DEFORM在金屬塑性成形中的應(yīng)用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：44-90．

[11]楊明．拉伸曲線及形變硬化指數(shù)在塑性加工中的應(yīng)用與探討[J]．現(xiàn)代機(jī)械，2013(4)：20-22．

作者：張京 吳淑芳 苗潤忠 陳風(fēng)龍 單位：長春理工大學(xué)