1 前言
金屬擠壓成形是用壓力機和模具對放置在模具腔內的金屬坯料施加強大的壓力使金屬坯料產生定向塑性變形，從擠壓模的模孔中擠出而獲得所需斷面形狀、尺寸且具有一定力學性能的零件或半成品的塑性加工方法。擠壓成形的種類很多，例如按照金屬塑變流動方向可分為正擠壓、反擠壓、復合擠壓及徑向擠壓。按照金屬坯料溫度分冷擠壓、溫擠壓和熱擠壓等。
2 擠壓成形工藝優勢及面臨問題
擠壓成形與其它的金屬成形加工方法相比具有明顯的優勢，可以用少量的工序完成復雜零件的成形加工，例如各種形狀復雜的深孔、薄壁和異形截面零。零件尺寸精度高，表面質量好，生產效率高，擠壓零件不需要或僅需要少量的切削加工，大大節約材料。
不過由于擠壓成形工藝特點，在生產過程中也有許多需要克服的難點。對模具的要求較高，要求模具要有較高的強度。對于冷擠壓，坯料一般需要經過軟化處理及表面潤滑處理，擠壓成形后，工件還需消除內應力才能使用；對于被擠壓的金屬材料要求有較高的塑性及低的屈服極限和冷硬性，目前常用于冷擠壓的材料有：有色金屬，低碳鋼，低合金鋼，不銹鋼，鈦和鈦合金等。除此之外在擠壓成形過程中工件經常會出現各種缺陷從而導致零件無法達到實際要求，常見的缺陷有：表面折疊、表面折縫、縮孔和裂紋等。目前國內企業在面臨這些問題時大多采用試錯法，也就是完全憑工程師經驗進行大量的實際試驗，這種方法的弊端在于對工程師經驗依賴性大，經驗又難以快速進行有效地積累和傳承，通過多次的實際試驗使得產品的生產周期長，成本增加，質量不高。因此相關企業需要一種有效地工具來面臨挑戰，專業金屬成形工藝數值模擬工具DEFORM便可以為這些難題提供相應的解決方案。
3 金屬成形工藝數值模擬工具DEFORM
DEFORM源自塑性有限元程序ALPID（Analysis of Large Plastic Incremental Deformation）。在1980年代初期，美國Battelle研究室在美國空軍基金的資助下開發了用于塑性加工過程模擬的有限元程序ALPID，后來開發人員對程序進行了逐漸完善，并采用Motif界面設計工具，將程序發展成為了商品化的軟件DEFORM（Design Environment for Forming），經過三十余年的發展DEFORM已經成長為金屬成形領域著名的工藝數值模擬軟件。
DEFORM是一套基于有限元的工藝仿真系統，用來分析變形、傳熱、熱處理、相變和擴散之間復雜的相互作用。如圖1所示，各種現象之間相互耦合。這些耦合效應將包括：由于塑性變形功引起的升溫、加熱軟化、相變控制溫度、相變內能、相變塑性、相變應變、應力對相變的影響、含碳量對各種材料屬性產生的影響及熱與變形對微觀組織的影響等。
圖1 DEFORM技術體系
4 DEFORM擠壓成形工藝方案的工業應用
首先傳統的產品工藝流程制定過程簡圖如圖2所示，大部分人力物力花費在尋找一個好的工藝方案上。而在探索過程中，傳統方法需要不斷地試模修模反復調整工藝直到找到滿足要求的工藝方案，這個過程耗費了大量的人力物力和時間，給企業帶來的損失不可估量。
圖2 傳統工藝方案制定流程
引入DEFORM數值模擬技術后，制定一個好的工藝方案的過程可以由DEFORM來協助完成，其中的試模、修模、工藝調整過程都可以先通過DEFORM在計算機上虛擬完成，直到找到一個比較優良的工藝方案后再進行實際生產。如下圖所示。
圖3 DEFORM協助工藝流程制定
針對擠壓成形工藝面對的各種問題，DEFORM能夠通過在計算機中模擬擠壓工藝過程預測零件可能出現的表面折疊、表面折縫、縮孔和裂紋等各種缺陷并能計算擠壓零件除應力過程后零件的性能，同時能夠對模具應力分布及模具磨損進行計算。DEFORM擠壓成形工藝分析以廣泛應用于汽車零部件制造企業的工藝研發中，如納鐵福傳動軸、太平洋精密鍛造、東風粉末廠及其他軸、齒輪、轉向架等工業生產用戶。
4.1鋁合金冷擠壓成形分析
通過對發動機活塞擠壓成形過程數值模擬計算，預測出現了中心部位“凹陷”，通過下圖跟實際實驗的對比可以看出DEFORM準確的預測出該缺陷的發生。
圖4 鋁合金冷擠壓成形分析結果
4.2金屬正擠壓分析
金屬擠壓成形過程會產生金屬的大位移流動現象，形成金屬件內部的拉壓應力，多數情況下，拉應力造成諸如軸類件的內部成形裂紋，使加工件產生報廢。DEFORM提供多種韌性斷裂準則，通過拉應力失效能夠預測金屬軸類件擠壓成形過程中發生的“人”字型裂紋及斷裂現象，本案例在汽車軸類件擠壓過程中通過模擬預測出現芯部拉裂，實際試驗的圖片也驗證了這一預測的準確性。
圖5 金屬正擠壓分析
4.3鋁合金穩態熱擠壓成形分析
熱擠壓成形為國內外鋁型材行業的主要成形工藝，該成形工藝下金屬流動行為常以分流、焊合等復雜方式進行，模具結構設計相當復雜，錯誤的工藝及模具設計均會造成生產出的型材發生扭擰、波紋、開裂、縮尾等缺陷，嚴重影響產品質量及美觀。DEFORM提供獨特的ALE成形求解方法能夠更加快速、準確的完成穩態擠壓分析，同時避免了Lagrange算法中由于網格扭曲引起的頻繁網格重劃分，準確預測擠型缺陷。
圖6 鋁合金穩態擠壓成形分析
4.4模具應力分析
在擠壓成形過程中，模具一般承受很大的載荷，由于模具結構設計造成強度不夠而發生破壞或長時間生產發生疲勞斷裂是比較常見的問題。DEFORM通過模具應力分析查找到模具發生破壞的原因并且通過修改模具圓角外形解決了模具破壞的問題。
圖7 擠型模具應力分析
4.5模具磨損分析
由于擠壓過程的特點，模具可能發生比較嚴重的磨損問題，DEFORM的模具磨損分析功能能夠預測模具的磨損情況，根據磨損深度、磨損區域面積等幫助用戶在模具設計時考慮磨損問題，下面便是一個模具磨損的案例，左上角為實際實驗的結果對比圖。
圖8 模具磨損分析
5 結論
由以上對擠壓成形特點的分析及DEFORM軟件的針對擠壓成形常見問題的工業應用可以得出以下結論：
（1）使用DEFORM的工藝數值模擬分析功能協助工藝工程師完成擠壓成形工藝的制定，能夠減少昂貴的現場試驗成本；
（2）DEFORM可準確預測成形工藝缺陷，通過將大多數試模過程在計算機中通過模擬完成，能夠減少實際試模修模次數，縮短新產品的研發周期；
（3）通過分析模擬結果幫助用戶評估工藝方案優劣，選擇較優的工藝方案，提高產品質量；
（4）幫助企業制造高效低成本的產品，使企業在市場上更有競爭力。
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