冷挤压成形技术是一种高效、高精度、优质低耗、少无切屑的先进成形工艺技术，材料利用率通常可以达到80%以上；制造的冷挤压件最重可达30kg，最轻只有1g，零件的精度可达IT7～IT8级，表面粗糙度Ra可达0.2～1.6；目前已广泛应用在机械、汽车、航天、仪表、船舶、军工等工程领域。
利用计算机仿真模拟技术进行冷挤压成形优化是一种非常高效的研究方法。本文研究的产品是衬套零件，是航空油泵中的一个重要零件，其材料为H65黄铜。该零件要求有良好的耐磨性和较高的表面质量，并具备一定的硬度。图1为衬套零件冷挤压尺寸图和实体造型图(3/4)。
图1 零件冷挤压尺寸图和实体造型图(3/4)
衬套零件形状虽然简单，但采用传统的机械加工方法既费工时又费材料；再者零件的尺寸较小，装夹、加工都比较困难，表面质量也不易控制，从而不能保证零件使用性能要求。
冷挤压过程中金属材料处于强烈三向压应力状态，变形后材料晶粒细化、组织致密且具有连续的纤维流向，因而可使零件的强度有较大提高。因此，采用冷挤压成形工艺具有较大的优势。本文借助DEFORM-3D有限元软件对衬套成形过程进行仿真、分析，以便提出可行的工艺改进措施。
1 零件挤压工艺方案分析
根据工件的特点，选择正向挤压。为了综合优化冷挤压工艺，现拟定两种方案，比较成形工艺的优劣。
1.1方案1采用实心毛坯
先对实心坯料进行挤压成形，然后再冲裁掉中心处直径φ16mm、厚5mm的材料，其具体的生产工艺流程为：实心坯料一退火一碱洗一酸洗一磷化一皂化一挤压一冲孔，最后获得零件。
实际需要的材料体积为7649.04 mm3;高度为10.83 mm，直径为φ30mm。
1.2方案2采用空心毛坯
采用空心坯料直接挤压成型，其生产工艺流程为：空心坯料一退火一碱洗一酸洗一磷化一皂化一挤压成形，获得零件。
实际需要的材料体积为6644.24 mm3;高度13.14 mm，直径φ30 mm。
1.3断面收缩率的计算
在塑性加工中，表示坯料变形程度的方法有多种，如断面收缩率、对数应变、挤压面积比等。本文采用断面收缩率ε来表示挤压后坯料变形程度的大小。
方案l和方案2的断面收缩率分别为ε1=74.7%和ε2=64.6%。H65黄铜的许用断面收缩率[ε]=80%～ 90%，因而这两种方案的断面收缩率均符合要求，故一次挤压即可成型。
2 建立模型及有限元前处理
2.1模型设计
根据模具设计得到的结果，采用Pro/E 5.0软件对坯料和模具进行三维实体建模。为了保证两种方案条件的相同，模具的尺寸和倒角(R1)等保持一致。为了简化有限元仿真的计算量，只切取装配体端面30°的纵向体(1/12)，其造型见图2。将实体造型以*．STL二进制文件格式输出保存，并导入DEFORM-3D中。
图2 方案1和方案2的三维建模图（1/12）
2.2有限元前处理DEFORM-3D的参数设定
本零件的材料是H65黄铜(对应IS0426-1:1983 CuZn35)。其主要成分（质量分数，%）为：63.5～68Cu，32～36Zn，0.03 Pb，0.5 Ni。采用软件材料库中与之相近的CuZn37材料作为坯料的材料进行求解计算，上、下模设置为刚体。采用相对尺寸划分网格，数量为12000。采用剪切摩擦模型，考虑到坯料已经进行了磷化和皂化处理，摩擦系数设为0.12。对于模具和坯料间的接触公差，软件自动设置为0.0193。上模的下压速度设置为12 mm/s。本零件在常温(20℃)下挤压，步长为0.1 mm，每2步保存一次，总步数设定为100。完成前处理后，生成*.DB格式的数据文件，退出前处理模块。
3 仿真模拟分析与后处理
3.1两种方案的结果对比
在DEFORM-3D中多次进行仿真模拟，可以看出，方案1实际运行到第66步就完成了工件的挤压成形，划分的单元数目为8017个，结点数目为2036个；在第22步，其等效应变和等效应力均出现最大值，分别是10.4和286 MPa;金属最大流速52.4mm/s出现在第65步；在填充挤压阶段和基本挤压阶段，上模的最大轴向负载15934.6N和下模的最大径向负载649.936N均出现在第55步；在缩尾挤压阶段，上模的最大轴向负载和下模的最大径向负载分别为19732N和866.287N，即在型腔即将充满时，由于挤压仍在继续，造成了压力的陡升。
方案2运行到96步完成挤压成形，划分的单元数目为8063个，结点数目为2045个；在第8步，其等效应变和等效应力均出现最大值，分别是6.25和249 MPa；金属最大流速48.2 mm/s出现在第96步；在填充挤压阶段和基本挤压阶段，上模的最大轴向负载8548.39N出现在第60步，下模的最大径向负载407.789N出现在第94步；在缩尾挤压阶段，分别陡升到了12132.5N和552.16N。这两种方案的应变场、应力场和总流速场云图如图3所示。将以上部分数据列表对照如表1。
图3 两种方案的等效应变场、应力场、总流速场云图
表1 两种方案仿直结果对照
比较这两种方案可知，方案2比方案l的最大应变程度降低了40．0%,断面收缩率降低了13.5%,最大应力降低了l2.9%；轴向负载和径向负载的最大降低程度均在填充挤压和基本挤压阶段，分别为46.4%和37.3%。
为了进一步深入分析，现在这两种方案成形过程中靠近模具的相同位置取3个点，见图3(b)，跟踪这些点在整个成形过程中的等效应力变化情况，如图4所示。
图4 定点跟踪等效应力变化曲线
点的位置均在模具尺寸变化的位置选定，这些位置容易出现应力集中，便于评定模具所受的应力大小，可以为模具设计优化提供参考。从等图4可以看出，方案2的整体应力均低于方案1的，与上述仿真模拟分析一致，可大大降低挤压模具的应力，有利于延长模具的寿命。
研究金属在挤压变形过程中的流动行为具有极为重要的实际意义。挤压制品的组织、性能、表面质量、外形尺寸和形状精度、成材率、挤压模具的正确设计、挤压生产效率等，均与金属流动有着十分密切的关系。方案1在挤压完成后，还要再冲裁掉中心处金属横向流动形成的直径φ16mm、厚度5mm的材料，势必破坏零件在挤压时形成的纤维流向，将直接导致挤压所形成的稳定应力平衡状态被破坏，极易造成局部应力集中。同时，零件的局部表面质量也会丧失。
方案2以冷挤压作为终加工直接成形，不需要破坏成形状态的后续加工，零件获得了较好的力学性能和表面质量，材料的挤压流动性也得到了较大改善，有效降低了模具的应力集中。
3.2最终成形方案的确定
通过对这两种方案的应变场、应力场、速度场和载荷的对比分析，方案2的成形工艺明显优于方案1，最终选择方案2用于生产。
4 结束语
(1)方案2采用空心坯料，较大幅度降低了断面收缩率和材料应变率，有效降低了单位挤压力和材料的变形抗力，降低了应力集中，避免了材料在变形过程出现破裂、折叠等现象。
(2)方案2较大程度降低了模具的最大应力和最大负载力，有效减小了工步变形力与力能消耗，并为选用冷挤压设备，设计模具结构和校核模具强度提供了可靠的依据。
(3)借助计算机仿真成形技术，可以在模具设计，工艺优化中发挥巨大的经济效应，减少试模费用，缩短产品开发周期。
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