基于数值模拟驱动的斜花齿零件冷挤压成形工艺参数优化

赵 霞¹，王 霄^2

(1. 江苏农林职业技术学院机电工程学院，江苏 句容 212400）

(2. 江苏大学机械工程学院，江苏 镇江 212013)

作者简介：赵霞(1983—)，女，实验师，硕士，主要研究方向为机械设计及制造，120314012@qq.com.

通讯作者：王霄，男，教授，wx@ujs.edu.cn.

摘要：以斜花齿零件为研究对象，建立斜花齿零件冷挤压成形的三维模型及有限元模型。基于数值模拟对变形量最大的工序凸模进行四因素三水平正交试验，采用DEFORM-3D软件进行分组仿真模拟，以凸模磨损量为优化目标，并通过极差法和方差法分析四因素对凸模磨损的影响，得出最优工艺参数组合。结果表明,优化后的参数组合能提高模具寿命，为斜花齿零件的实际生产提供了理论依据。

关键词：冷挤压；斜花齿；数值模拟；正交试验；磨损；有限元分析

中图分类号：TG376   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2021)04-0017-04

传统的冷挤压成形工艺，主要是依靠工程师的经验来设计模具并制定加工工艺，没有一个系统的理论研究和分析，造成大量资源浪费，导致成品质量和加工成本难以达到预期要求。随着产品质量要求的提高及企业竞争压力的增加，迫切需要在企业中全面推广产品开发新技术。近年来，对模具成形工艺参数优化的研究主要集中在以实验为基础的工艺参数的建模与优化方面。陈浩等^［1］进行了激光投射焊接的数值仿真模拟研究及多目标优化；傅珂等^［2］对汽车空调出风口开展了计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)数值模拟研究及参数优化设计。此方法虽然对生产实践有直接的指导作用，但是实践过程费时费力、成本较高。目前，随着计算机辅助工程(computer aided engineering, CAE)技术在产品开发中的普及与深入，CAE技术已从广泛应用于产品开发的验证与反馈指导产品开发走向更科学先进的阶段。李聪波等^［3］提出一种基于Archard模型和有限元的分析方法，通过数值模拟机床导轨的磨损过程来预测机床导轨的磨损深度。基于数值模拟驱动的实验设计与优化能直接面向产品的最终目标性能进行工艺参数优化，便于工程师直接判断优化解的质量。

本文使用DEFORM-3D有限元软件对斜花齿零件进行冷挤压成形过程数值模拟来代替实际冷挤压调试，通过正交试验设计，对变形量最大的工序凸模磨损量进行试验设计与优化，从而得出最优工艺参数组合。

1 成形工艺分析及工艺参数的确定

1.1 成形工艺分析

图1为斜花齿零件图，材料为10钢。该零件毛坯变形程度较大，一次成形不能获得最终产品，因此工艺方案设计尤为重要。根据其结构特点，结合生产实践，不断调整工艺方案，最终确定4步成形工艺路线：第1步挤出头部和底部的小锥形毛坯;第2步挤出头部的圆柱面;第3步挤出头部的斜花;第4步打通孔。