油泵活塞成形工艺数值模拟与模具设计范文

摘要：依据挤压特点和技术要求，采用温挤压成形工艺对油泵活塞进行了挤压。通过计算获得了相应的压力。以载荷-行程作为目标函数，通过Deform-3D软件对成形过程进行了数值模拟，对不同初始挤压温度和摩擦因子的成形效果进行了研究。结果得出，活塞的最佳初始挤压温度为750℃，最佳摩擦因子为0.15。

关键词：油泵活塞；温挤压成形；Deform-3D软件；数值模拟；模具设计

油泵广泛应用于石油、化工、城市供水、污水处理、消防设施、集中供暖、农业排灌等行业[1]。活塞是油泵中重要零件之一，其设计质量直接影响到泵的平稳运行和使用寿命。近年来，大量的学者利用有限元仿真软件对各类活塞进行研究。刘菊荣等[2-3]以应力集中作为影响疲劳强度的主要因素，利用ANSYS有限元软件对新型油泵活塞进行疲劳性能研究；利用MATLAB分析软件对新型真空抽油泵活塞进行运动仿真分析，获得活塞在工作过程中的位移、速度和加速度曲线。杨立权等[4]通过Deform-3D软件的理论计算与模拟，探讨了温挤压过程中应变场、应力场与温度场情况。任发才等[5]以Deform-3D为平台对活塞头成形过程进行了数值模拟，得出变形过程中挤压件破坏因子分布图和载荷行程曲线。王旭飞等[1]利用ANSYS有限元分析软件对新型真空抽油泵活塞进行静力分析。佟莹[6]通过分析活塞头的结构特点，利用Deform-3D软件对温挤压和闭式模锻两套温成形工艺方案进行数值模拟，研究了闭式模锻工艺不同润滑条件对锻件成形以及模具磨损的影响。

1成形工艺分析

1.1有限元模型建立

随着动力机械向高速、低耗、高稳定性方向发展[4]，对油泵活塞的开发提出了更高的要求。使用高性能材料固然可以提高活塞性能，但生产成本会成倍增加。制造活塞的材料主要采用45钢，坯料尺寸为准20mm×34mm。工艺主要采用温挤压[7]，温挤压成形工艺比冷挤压成形工艺所需挤压力小，无需冷挤压后的软化退火处理，相对于热挤压成形工艺模具磨损小。根据油泵活塞零件图（图1），初步确定成形工艺流程为：剪切下料→中频感应加热→镦挤→终锻成形→形变淬火→高温回火→机加工。

1.2边界条件设置

温挤压模具的选择主要依据模具材料的耐热程度。由于成形时间短，挤压过程的锻件急剧升温，使锻件与模具的温差加大，所以选择模具材料必须具有耐热性和高硬性。根据文献[8]，在650～800℃的温挤过程中，模具采用4Cr5MoSiV1（AISI-H13）钢，这是国内应用最广的热作模具材料，适合温挤压。由图2可知，随着挤压温度的升高，45钢抗拉强度总体呈现降低趋势。但在400℃左右出现升高现象，此时金属的塑性降低，即金属蓝脆区，所以选择成形温度时应避免[9]。为了避免金属在挤压过程中产生高变形抗力，降低压力和模具磨损，一般采用中高温。为了降低模拟时间和提高模拟精确程度，将在模拟过程中只对整体坯料的1/8进行模拟。通过Deform-3D软件模拟成形过程，需要对工艺参数进行设计和预定。本次模拟设置了不同的工艺参数，具体参数[10]作以下设置：①成形速度为10mm/s；②坯料与模具传热系数为5N/（s•mm•℃）；③模具初始温度为240℃。

1.3断面缩减率

在塑性加工过程中，许用变形程度越大，生产率越高，变形工序越少[11]，但受金属材料的塑性和模具单位许用挤压力的影响，对于变形程度的大小要严格控制。由图1可知，此工艺过程主要采用反挤压成形。反挤压变形程度计算为：式中：ψ为断面缩减率；d1为凸模截面直径，mm；d0为挤压后锻件截面直径，mm。通过文献[7]可知，在拉伸试验中获得45钢在不同温度下的变形抗力和断面缩减率的关系曲线如图2所示。45号钢在600～800℃的许用变形程度为82%～91%，符合要求。

1.4压力机选择

在挤压成形过程中，挤压力的精确计算对压力机吨位的选择至关重要。但在挤压过程中的影响因素较多，很难精确计算挤压力。目前，用于计算温挤压力的方法有经验公式计算法、图算法、查表法和近似计算法等常用方法[7]，本文采用近似计算法。反挤压时，作用在凸模上的单位挤压力pc计算为：式中：C为安全系数，查表1，取2.2；n为温挤压变形时材料的冷作硬化系数，查表1，取2.0；A0为毛坯截面积，mm2；A1为凸模截面积，mm2；Rm为温挤压下材料的抗拉强度，查图2，700℃下的抗拉强度为180MPa。式中：P为所需的总挤压力，kN；C为安全系数，取1.3；A为凸模与毛坯表面接触在水平方向上的投影面积，mm2。考虑实际的挤压过程，当锻件的最大变形力大于锻压机输出压力时，容易出现闷车现象，故计算所得吨位应为实际公称压力的80%，实际所采用压力机的公称压力为1600kN，所以选择国产的闭式拉力肘杆式冷挤压机，其型号为J88-160。

2温挤压模拟过程

2.1数值模拟流程分析

运用Deform-3D软件对活塞温挤压成形过程进行数值模拟，图3是锻件成形过程示意图。图3（a）表示镦粗过程中凸模与坯料刚刚接触，此时压下量为0mm；图3（b）表示镦粗过程中，凸模压下量1.7mm时，活塞底部凸台基本成形；图3（c）表示镦粗阶段完成，此时压下量为15mm，凹模内壁与坯料外壁相接触；图3（d）表示更换凸模后开始挤压成形；图3（e）表示锻件挤压成形，此时凸模压下量为29.2mm，可以看出温挤压过程坯料的工件变形良好，杯口外圆有毛刺产生。

2.2温度对行程载荷的影响

温挤压成形中，除了模具结构的设计之外，选择合理的锻件初始温度也是至关重要的。锻件初始温度的高低主要影响锻造过程中的变形抗力、模具磨损、坯料塑性等，合适的温度会使锻件在挤压过程中具有良好的金属流动和表面精度。本文在其他条件不变情况下，以50℃为间隔，从600℃到800℃选取五组进行数值模拟对比，观察挤压中成形载荷的变化结果，分析此类活塞的最佳温度。模拟结果如图4所示。从图4（a）～（e）可以看出，在不同的初始温度下，温挤压过程的载荷变化基本一致。成形过程分为镦粗（0～15mm）和挤压（15～29.2mm），镦粗阶段前中期，成形载荷相差不大，曲线平滑；在镦粗后期，由于坯料外圆和凹模内壁的接触作用，导致成形载荷急剧上升。在挤压前中期，成形载荷相差不大，曲线平缓；在后期，由于杯口和凸模的接触，导致成形载荷急剧上升进而最终完成成形。从图中可以清晰地看出，压下量处于15mm附近时出现突起，这是由于在Deform-3D的数值模拟过程中，挤压前未更换凹模模具所导致，使成形载荷产生落差，并不影响模拟效果。从图4（a）中可以看出，当凸模压下量达到29.2mm时，所对应的最大成形载荷为501kN。为了更直观地看出锻件初始温度与最大成形载荷的关系，将不同锻件初始温度所对应最大成形载荷的影响绘制成折线图（图4（f））。从图4（f）的趋势中可以发现，不同锻件初始温度下的成形载荷变化较大，随着温度的升高，载荷越小。在650℃时急剧下降，分析认为可能是Deform-3D的自划分网格功能导致模拟过程中金属流动比较顺畅，从而所需载荷变小。经过模拟结果比较显示，在不影响锻件质量的前提下，为了避免过度氧化造成材料损失，选择初始温度为750℃，此时模具所受载荷为420kN。

2.3摩擦因子对载荷的影响

温挤压成形过程中，随着挤压的进程，凸模与锻件间的摩擦将不断增大，表面损伤越大，因而造成锻件表面破损达不到零件所需要求。另外，磨损必将产生热量，白白消耗能量从而使机械效率降低。因此，温挤压过程中需要加入凸、凹模与锻件之间的润滑。虽然润滑效果越好，表面质量越高，但过度的润滑也是一种资源的浪费。本文在其他条件不变情况下，摩擦因子以0.05为间隔，从0.1到0.3选取五组进行数值模拟对比，观察挤压中成形载荷的变化比较结果，分析此类活塞在温挤压成形工艺下的最佳摩擦因子。模拟结果如图5所示。从图5（a）～（e）可以看出，不同摩擦因子下，温挤压过程的载荷变化基本一致。成形过程分为镦粗和挤压，在镦粗阶段前中期，成形载荷相差不大，在镦粗后期，由于坯料外圆和凹模内壁的接触作用，导致成形载荷急剧上升。在挤压阶段前中期，成形载荷相差不大，在挤压后期，由于杯口和凸模的接触，导致成形载荷急剧上升进而完成最终成形。从图5（a）可以看出，当凸模压下量达到29.2mm时，所对应的最大成形载荷为51kN。为了更直观地看出摩擦因子与最大成形载荷的关系，将不同摩擦因子所对应最大成形载荷的影响绘制成折线图。从图5（f）的趋势图中我们可以清晰看出总体趋势：随着摩擦因子的增大，模具所受载荷呈“U”型状态。一般情况下，良好的润滑有利于减小行程载荷。但随着坯料温度的升高，尤其在温、热挤压工艺方案下，所采用的润滑方式较困难，且高温易使润滑性能降低。因此，从模拟结果趋势图5（f）中可以看出，在摩擦因子在0.1时，行程载荷并非是最小值。在不影响锻件质量的前提下，为了避免摩擦的影响从而增大载荷。从图中可知，摩擦因子在0.15时，模具所受载荷较小，此时模具所受载荷为412kN。

3模具结构设计

温挤压成形过程中所用模具，必须符合实际生产要求。本文所设计的模具装配图如图6所示。（1）随着挤压的进行，凸、凹模必将受到轴向压力。凸模垫板和凹模垫板的弹性作用用于分散挤压所受压力，延长凸、凹模的使用寿命。（2）锻件在挤压成形后，由于温度的变化和坯料体积的增加造成锻件卡入凸、凹模中不易取出。当挤压件附着在凸模上时，可利用卸料板和卸料环的阻碍作用把锻件从凸模中卸下来；当挤压件嵌在凹模中时，则利用下顶杆推动顶杆和顶料杆向上将锻件从凹模中脱离出来。（3）本文采用温挤压成形工艺，锻件初始温度与模具初始温度有一定温差，且挤压过程中随着坯料的不断变形，也会产生热量作用于锻件上。对于小批量生产时，生产量小，模具结构中可以不设置冷却系统。在大批量生产时，随着挤压次数的增多，温差的变化会增加模具磨损，进而缩减模具使用寿命，则必须在模具结构中加入冷却系统。图6在下模座内预留冷却液通道。当需要对模具冷却时，通过预留冷却管口将冷却水或冷空气通入进行冷却。

4结语

通过对活塞的有限元建模分析，选择合理的模拟边界条件，应用Deform-3D进行数值模拟。根据挤压力计算公式获得相应的计算载荷，从而选择合适的压力机，确保挤压成形中所需的压力。确定温挤压中对载荷-行程影响较大的因素是锻件初始温度和摩擦因子，并进行数值模拟，分析结果可知，活塞的较优初始锻造温度为750℃，较优摩擦因子是0.15。依据温挤压成形工艺方案对现有模具结构进行优化，从而保证锻件的合格率。

参考文献：

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[3]刘菊蓉，王旭飞，戴俊平，等．新型真空抽油泵活塞的运动仿真[J]．煤矿机械，2009，30(9)：85-87．

[4]杨立权，吕青青，汪希奎，等．发动机活塞头温挤过程数值模拟研究[J]．热加工工艺，2013，42(5)：84-87．

[5]任发才，赵国群，王广春．活塞头挤压工艺模具设计与数值模拟优化[J]．锻压技术，2006(4)：49-53．

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作者：张京 吴淑芳 苗润忠 陈风龙 单位：长春理工大学