冷擠壓成形是一種常見的材料塑性成形工藝，它具有成形零件力學性能高、精度等級高、表面粗糙度較低、生產周期短、節約資源、節能環保等諸多工藝優點，在許多工程領域得到廣泛應用，尤其是在汽車工業中。水閥套零件是液壓系統中節水閥的一個重要零部件，由于是在汽車液壓系統中進行工作，水閥套零件與閥芯相連接，因此需要滿足較高的尺寸精度。目前切削加工是水閥套零件較為常用的加工工藝，但相較于切削加工，冷擠壓成形材料利用率高，更環保，生產周期也更短，可大大提高生產效率。

水閥套零件擠壓成形工藝方案設計

在進行水閥套零件擠壓成形工藝方案制定前，需要先對相應零件坯料進行熱處理，本文選取的水閥套零件材料為20Cr，其材料力學性能參數及化學成分如表1、表2所示，退火處理方式如圖1所示，坯料加熱至860℃，隨爐冷20℃/h，冷卻到300℃后轉為空冷。然后，對零件坯料進行表面潤滑處理，本零件采用傳統表面潤滑處理工藝—磷皂化處理，其主要目的是減小坯料和模具之間的摩擦力，有效提高工件表面質量及擠壓成形模具壽命。表1 20Cr化學成分表表2 20Cr基本力學性能圖1 20Cr退火工藝示意為了確定合理的水閥套零件加工成形工序，需計算其斷面縮減率，進而制定其成形工藝的工序，根據公式(d0為擠壓變形前毛坯直徑，d1為擠壓變形后杯套外直徑，d2為擠壓變形后杯套內直徑)，分別計算出零件上半部分的斷面縮減率為13.82%和下半部分的斷面縮減率為63.84%，查閱相關文獻可得，20Cr反擠壓許用變形程度為30.05%～64.31%，正擠壓最大許用變形程度為76.20%～81.20%，采用復合擠壓一次成形即可完成零件的成形，因此對該零件設計了兩種復合擠壓成形工藝方案，如圖2、圖3所示。圖2 復合成形方案一圖3 復合成形方案二方案二由凸模自上而下運動，一次復合擠壓成形。根據擬定的兩套復合成形方案分別在SOLIDWORKS軟件中建立相應的工模具幾何模型，然后在DEFORM-3D軟件中導入其工模具幾何模型并進行相應的FEM模型建立，后續數值模擬試驗均采用DEFORM-3D軟件完成。

數值模擬試驗及結果分析

為了節約成形運算時間，提高運算效率，在模擬試驗中，兩種復合成形工藝方案均采用1/4模型進行數值模擬，所獲得的成形件等效應力、等效應變、變形速度矢量以及損失因子分布云圖，分別如圖4、圖5所示。由模擬試驗結果可知，方案一和方案二都能實現該零件的成形，且等效應力、等效應變、變形速度矢量以及損失因子分布差異不大，但眾所周知，在冷擠壓成形中，擠壓力是決定擠壓成形的關鍵因素，擠壓力大小對模具壽命及設備選擇等都起著關鍵作用。方案一和方案二所獲得的擠壓載荷曲線如圖6所示，根據圖6可知，采用方案一時，最大擠壓載荷為8.97×105N，采用方案二獲得的最大擠壓載荷為5.02×105N，得出采用方案二可有效減少擠壓力。由此可知，在一次復合擠壓成形中，金屬流動方向與沖頭運動方向需要認真考慮，盡可能將金屬流動最大部位做正向擠壓，這樣能有效減少擠壓力。圖4 方案一模擬試驗結果圖5 方案二模擬試驗結果圖6 擠壓載荷曲線

對主要成形工藝參數進行正交優化數值模擬試驗及分析

正交試驗的基本流程如圖7所示，先根據正交試驗所要達到的目標對各項參數進行篩選，在選定參數后，確定各項因素及其水平數，然后再根據正交試驗所要達到的目標對各項因素建立合適的正交表。圖7 正交試驗基本流程在進行水閥套零件冷擠壓成形數值模擬試驗研究中，選取了擠壓速度、坯料倒角以及摩擦系數三個不同的工藝參數進行正交試驗，采用3因素3水平正交試驗設計，如表3所示，9組具體的試驗取值如表4所示。表3 正交試驗3因素3水平選取表表4 正交試驗模擬參數表根據上述參數制定正交試驗的參數表，并生成項目文件。根據上述設定參數進行數值模擬試驗，從而得到各組參數下的擠壓載荷數值，如表4所示。繪制正交極差分析的流程，如圖8所示。圖8 極差分析法流程圖在圖8中：(1)Cjm中j為第j列因素，m為第m行水平數，Cjm代表了第j列因素的第m行水平的試驗值；(2)Ajm則是Cjm的平均值。當j因素的水平進行變動時，通過Rj能夠得出試驗指標的變動幅度，根據Rj的大小可判斷出因素的重要性，從而對因素進行排序，如表5所示。表5 基于載荷值評估的極差CAE分析試驗結果通過上述極差分析法可知，得到的最優化工藝參數如圖9所示，其最優工藝成形方案是：在凸模擠壓速度為10mm/s、坯料倒角為60°、摩擦系數為0.08的情況下，獲得的擠壓載荷最小。圖9 最優工藝參數擠壓成形凸模載荷曲線

結論

本文對一種典型的車用水閥套零件進行了冷擠壓成形數值模擬研究，獲得的主要研究結論如下。⑴根據理論分析，采用了兩種一次復合擠壓成形方案，通過數值模擬試驗得知，采用方案二獲得的試驗結果更理想，由此可知，在進行一次復合擠壓成形中，要盡可能將金屬流動的主要部位設置為正向擠壓，這樣可以有效減少擠壓力。⑵選取擠壓速度、坯料倒角以及摩擦系數三種工藝參數，根據3水平3因素正交數值模擬試驗，獲得了水閥套零件的冷擠壓成形最優參數組合為：凸模擠壓速度為10mm/s、坯料倒角為60°、摩擦系數為0.08的情況下獲得的擠壓載荷最小，其擠壓載荷為4.82×105N。—— 來源：《鍛造與沖壓》2019年第17期

總結

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