冷挤压成形是一种常见的材料塑性成形工艺，它具有成形零件力学性能高、精度等级高、表面粗糙度较低、生产周期短、节约资源、节能环保等诸多工艺优点，在许多工程领域得到广泛应用，尤其是在汽车工业中。
水阀套零件是液压系统中节水阀的一个重要零部件，由于是在汽车液压系统中进行工作，水阀套零件与阀芯相连接，因此需要满足较高的尺寸精度。
目前切削加工是水阀套零件较为常用的加工工艺，但相较于切削加工，冷挤压成形材料利用率高，更环保，生产周期也更短，可大大提高生产效率。
水阀套零件挤压成形工艺方案设计在进行水阀套零件挤压成形工艺方案制定前，需要先对相应零件坯料进行热处理，本文选取的水阀套零件材料为20Cr，其材料力学性能参数及化学成分如表1、表2所示，退火处理方式如图1所示，坯料加热至860℃，随炉冷20℃/h，冷却到300℃后转为空冷。
然后，对零件坯料进行表面润滑处理，本零件采用传统表面润滑处理工艺—磷皂化处理，其主要目的是减小坯料和模具之间的摩擦力，有效提高工件表面质量及挤压成形模具寿命。
表1 20Cr化学成分表表2 20Cr基本力学性能图1 20Cr退火工艺示意为了确定合理的水阀套零件加工成形工序，需计算其断面缩减率，进而制定其成形工艺的工序，根据公式（d0为挤压变形前毛坯直径，d1为挤压变形后杯套外直径，d2为挤压变形后杯套内直径），分别计算出零件上半部分的断面缩减率为13.82%和下半部分的断面缩减率为63.84%，查阅相关文献可得，20Cr反挤压许用变形程度为30.05%～64.31%，正挤压最大许用变形程度为76.20%～81.20%，采用复合挤压一次成形即可完成零件的成形，因此对该零件设计了两种复合挤压成形工艺方案，如图2、图3所示。
图2 复合成形方案一图3 复合成形方案二方案二由凸模自上而下运动，一次复合挤压成形。
根据拟定的两套复合成形方案分别在SOLIDWORKS软件中建立相应的工模具几何模型，然后在DEFORM-3D软件中导入其工模具几何模型并进行相应的FEM模型建立，后续数值模拟试验均采用DEFORM-3D软件完成。
数值模拟试验及结果分析为了节约成形运算时间，提高运算效率，在模拟试验中，两种复合成形工艺方案均采用1/4模型进行数值模拟，所获得的成形件等效应力、等效应变、变形速度矢量以及损失因子分布云图，分别如图4、图5所示。
由模拟试验结果可知，方案一和方案二都能实现该零件的成形，且等效应力、等效应变、变形速度矢量以及损失因子分布差异不大，但众所周知，在冷挤压成形中，挤压力是决定挤压成形的关键因素，挤压力大小对模具寿命及设备选择等都起着关键作用。
方案一和方案二所获得的挤压载荷曲线如图6所示，根据图6可知，采用方案一时，最大挤压载荷为8.97×105N，采用方案二获得的最大挤压载荷为5.02×105N，得出采用方案二可有效减少挤压力。
由此可知，在一次复合挤压成形中，金属流动方向与冲头运动方向需要认真考虑，尽可能将金属流动最大部位做正向挤压，这样能有效减少挤压力。
图4 方案一模拟试验结果图5 方案二模拟试验结果图6 挤压载荷曲线对主要成形工艺参数进行正交优化数值模拟试验及分析正交试验的基本流程如图7所示，先根据正交试验所要达到的目标对各项参数进行筛选，在选定参数后，确定各项因素及其水平数，然后再根据正交试验所要达到的目标对各项因素建立合适的正交表。
图7 正交试验基本流程在进行水阀套零件冷挤压成形数值模拟试验研究中，选取了挤压速度、坯料倒角以及摩擦系数三个不同的工艺参数进行正交试验，采用3因素3水平正交试验设计，如表3所示，9组具体的试验取值如表4所示。
表3 正交试验3因素3水平选取表表4 正交试验模拟参数表根据上述参数制定正交试验的参数表，并生成项目文件。
根据上述设定参数进行数值模拟试验，从而得到各组参数下的挤压载荷数值，如表4所示。
绘制正交极差分析的流程，如图8所示。
图8 极差分析法流程图在图8中：(1）Cjm中j为第j列因素，m为第m行水平数，Cjm代表了第j列因素的第m行水平的试验值；(2）Ajm则是Cjm的平均值。
当j因素的水平进行变动时，通过Rj能够得出试验指标的变动幅度，根据Rj的大小可判断出因素的重要性，从而对因素进行排序，如表5所示。
表5 基于载荷值评估的极差CAE分析试验结果通过上述极差分析法可知，得到的最优化工艺参数如图9所示，其最优工艺成形方案是：在凸模挤压速度为10mm/s、坯料倒角为60°、摩擦系数为0.08的情况下，获得的挤压载荷最小。
图9 最优工艺参数挤压成形凸模载荷曲线结论本文对一种典型的车用水阀套零件进行了冷挤压成形数值模拟研究，获得的主要研究结论如下。
⑴根据理论分析，采用了两种一次复合挤压成形方案，通过数值模拟试验得知，采用方案二获得的试验结果更理想，由此可知，在进行一次复合挤压成形中，要尽可能将金属流动的主要部位设置为正向挤压，这样可以有效减少挤压力。
⑵选取挤压速度、坯料倒角以及摩擦系数三种工艺参数，根据3水平3因素正交数值模拟试验，获得了水阀套零件的冷挤压成形最优参数组合为：凸模挤压速度为10mm/s、坯料倒角为60°、摩擦系数为0.08的情况下获得的挤压载荷最小，其挤压载荷为4.82×105N。
—— 来源：《锻造与冲压》2019年第17期