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1 防止活塞銷冷擠壓工藝中出現(xiàn)流動缺陷的新方法 D J Lee D J Kim B M Kim 精密機械工程系 研究生院 釜山國家大學 釜山 韓國 機械設計工程部門 研究生院 釜山國家大學 釜山 韓國 機械工程系 工程研究中心 釜山國家大學 釜山 韓國編號 3 Janjeon 董 Kumjeong 顧 釜山 609 735 韓國 摘要 這份報告主要研究的是作為汽車零部件之一的活塞銷的流動缺陷 在聯(lián)合冷擠 壓制活塞銷的工藝中 起皺就是一種流動缺陷 它是由死金屬區(qū)引起的 具有這種 缺陷的部件帶有很明顯的外部特征 特征是被一微小而且厚的塊狀物嵌入材料中 這種缺陷對保證尺寸精度和降低材料損失是不利的 活塞銷的這種缺陷對于其強度 和疲勞壽命也有不利的影響 因此 在工藝設計的早期預測并防止這種缺陷是非常 重要的 防止其產(chǎn)生的最好方法就是通過控制材料流動來限制或減少死金屬區(qū) 有 限元模擬分析方法被應用于流動缺陷研究分析當中 這份研究報告提出了通過去除 死金屬區(qū)防止產(chǎn)生流動缺陷的新工藝方法 有限元分析法 將有限元分析的結(jié)果 與實驗結(jié)果做比較 結(jié)果表明有限元分析的結(jié)果與實驗結(jié)果相符合 關鍵詞 流動缺陷 活塞銷釘 材料流動控制 前后雙向冷擠壓 死金屬區(qū) 有限元分 析 1 序言 冷加工是一種及其重要而且經(jīng)濟的加工方法 尤其對于大批量制件的加工 其 優(yōu)點更為突出 由于冷加工具有高的成品率 精確的尺寸精度 良好的表面光潔度 優(yōu)良的機械加工性和冶金工藝性等優(yōu)點 因此冷加工是工業(yè)生產(chǎn)當中應用最為廣泛 的零件加工工藝 冷鍛制件廣泛應用于飛機制造 摩托車 螺母和螺栓等生產(chǎn)制造 但是 冷鍛 制件也有可能產(chǎn)生缺陷 這主要取決于金屬材料的變形過程 成形加工的外部條件 2 和材料的流動方式等 可延伸的裂紋缺陷是由材料的引應力狀態(tài)和變形過程引起的 流動缺陷是由不穩(wěn)定的材料流動引起的 低的尺寸精度是由低的模具尺寸精度和摩 擦情況引起的 總之 鍛壓制件的缺陷主要包括兩類 分別是內(nèi)部缺陷和外部缺陷 這些缺陷危害到產(chǎn)品的質(zhì)量和制造成本 因此 在工藝設計中的早期預防是非 常重要的 利用有限元分析法中的不同可用標準來研究大型鍛件的可延伸裂紋缺陷 KIM 和 KIM 對兩道加強筋進行冷擠壓件的內(nèi)部和外部缺陷研究 并還在進行一種防 止產(chǎn)生這些缺陷的加工工藝設計 這份報告是一份關于汽車活塞銷產(chǎn)生的缺陷的測試報告 而這種活塞銷是采用 前后雙向聯(lián)合擠壓的方式支撐的 這份報告中也提出了新的工藝方法可在工藝設計 的早期防止產(chǎn)生流動缺陷 而這些新工藝方案是通過有限元分析研究得出的 實驗 證明 這些新工藝方案是可行的 2 成形工藝與缺陷形成分析 2 1 成形工藝 活塞銷是汽車零部件當中用來連接活塞與曲軸的并傳遞動力的部件 當采用冷 沖壓制活塞銷時 設計要求必須保證前后雙向沖壓時具有相同的高度并且不能出現(xiàn) 鍛壓缺陷 因為活塞銷在周期性大載荷作用下工作 制作活塞銷的材料是 AISI 4135H 合金鋼 它具有如下材料流動性 768 06 0 139 潤滑措施是采用潤 滑油類的磷鍍在活塞銷表面進行潤滑 經(jīng)試驗測試摩擦系數(shù) M 為 0 1 加工活塞銷釘以前用的是多步驟加工法 如圖 3 所示 前兩步通過導圓角和沖 出非圓形的基準孔等預處理工序來減少缺陷的產(chǎn)生 從而可以提高尺寸精度和模具 壽命 第三步和第四步相同 分別是從前后雙向沖出圓形的腹板 最后一步是修整 工序 從而得到活塞銷的形狀 然而 用普通加工方法加工的結(jié)果顯示 第三步的 早期會在腹板部位形成缺陷 更嚴重的是在缺陷產(chǎn)生的部位出現(xiàn)了一種不一致的流 動形式 這種形式是一種非常壞的流動形式的延伸 3 圖 1 活塞銷釘?shù)男螤詈统叽?圖 2 活塞銷釘?shù)牧鲃尤毕?圖 3 活塞銷釘傳統(tǒng)的形成過程 2 2 用有限元分析預測缺陷的產(chǎn)生 塑性變形組織分布和有效應力對比圖的應用 暗示著有限元精密塑造程序在成 形與缺陷分析領域中的商業(yè)價值 最初的坯料直徑為 30mm 深度為 61mm 最終成品 的體積為 43 118 這種成形工藝看上去類似于普通加工結(jié)果 最大的裂縫值可以結(jié)算出斷裂缺陷產(chǎn)生的可能性 在這個沖壓過程中 其大小 只有 0 08mm 而且分布在坯料和沖床活塞沖頭接觸的端部 因此 可以避免流動缺 陷的產(chǎn)生 因此這種缺陷并不能產(chǎn)生可延展的裂紋 金屬流動的流線圖是由 Altan 和 Knoerr 提出的 他們正在從事這種缺陷的分析研究 隨著沖頭沖壓深度的增加 劇烈變動的流線出現(xiàn)了不同的流動速度 從而導致實驗中缺陷的產(chǎn)生 如圖 5 所示 所以金屬流動只出現(xiàn)在第四步的反向沖壓而不出現(xiàn)在正向沖壓 并且在靠近腹 板處的金屬被拔起形成一條筋 很像是重疊缺陷 因此 活塞銷的流動缺陷產(chǎn)生并 發(fā)展的原因是 正反沖壓時由于死金屬區(qū)域產(chǎn)生而造成的金屬流動速度的不同 這 4 種現(xiàn)象在像活塞銷這種薄壁件沖出尺寸精度高 材料損耗少的孔的制件中是非常明 顯的 對于活塞銷這類工作溫度高 載荷大而且為交變載荷的零件來說 這種流動 缺陷的產(chǎn)生會對其強度和疲勞壽命產(chǎn)生有害的影響 因此 有必要研究一種新工藝 來防止產(chǎn)生流動缺陷 圖 4 有效的負荷和裂縫價值的關系 圖 5 金屬流動和速度的關系 3 防止缺陷的工藝分析與設計 流動缺陷產(chǎn)生的原因是金屬限制死金屬區(qū)域的流動 為了在傳統(tǒng)工藝中早期的 沖壓部位 第三步 消除死金屬區(qū) 正沖壓或反沖壓工藝被改為聯(lián)合正反沖壓工藝 這種工藝在兩個完全相反的方向上同時進行同樣地動作 由于正反兩向不同的沖壓 率和沖壓長度 要使兩個方向上同時完成材料流動是很困難的 因此在提前完成材 料流動就會出現(xiàn)傳統(tǒng)工藝一樣出現(xiàn)的死金屬區(qū) 因此 在活塞銷成形這種情況下 兩個方向的沖壓率和沖壓長度都是 1 89 和 5 51mm 目前 一項關于活塞銷的沖壓長度的調(diào)查研究正在進行開模正反沖壓工藝的 分析 兩個方向上的沖壓長度是不同的 正向沖壓長度長為 24 9mm 反向沖壓長度 如圖 6 所示要比正向的短 反向金屬流動必須強制性的被限制才能滿足設計要求 而這就意為著死金屬區(qū) 會產(chǎn)生 因此 要想在兩個方向上得到相同的沖壓長度 提出了三種控制金屬流動 的方法 這三種方法都不同程度的強制限制金屬流動 圖 6 反向沖壓長度 3 1 改變初加工的形狀 在正反雙向沖壓之前 為了保證從腹板中心處起正反兩個方向的沖壓長度相等 就得要求初加工要將反向沖壓筋的長度設計與雙向沖壓長度 24 9mm 有所不同 圖 7 展示了這種改進的工藝的結(jié)果 圖 8 展示了在這種情況下采用正反雙向沖壓工藝時 最后一步中金屬的流動 從模擬實驗的結(jié)果可以得出 兩個方向的沖壓筋的長度都 是 51mm 這恰好滿足設計要求和活塞銷的尺寸要求 另外 死金屬區(qū)的金屬流動形 式相同 而不像采用普通加工時會產(chǎn)生流動缺陷 而且在兩個方向上的流動速度也 是連續(xù)變化的 這就意為著金屬流動在整個過程中是一致的 不會出現(xiàn)限制其流動 的死金屬區(qū) 6 圖七 多級樣板的修改過程 圖八金屬網(wǎng)的流動 3 2 驅(qū)動沖壓模膛 驅(qū)動模膛工藝被用來控制金屬流動從而滿足設計要求 這種設備采用向相反方 向運動的模膛先與已經(jīng)沖壓成形的一側(cè)接觸 如圖 9 所示 這樣就有助于加快后沖 壓方向上的金屬流動而減慢先沖壓方向上的金屬流動速度 采用這種工藝制作的活 塞銷 由于反方向沖壓提前完成 而此時活塞正沿著這個方向移動從而增加了金屬 沿著這個方向的流動 這個工藝的首要變化因素是沖頭與活塞的相對速率和金屬材 料與活塞之間的摩擦條件 在這個研究中 由于摩擦系數(shù) m 0 1 在毛胚材料和模膛之間 模擬實驗只 與相對速率這一變量有關 如果相對速率小于滿足同時成型最合適的速率 則在反 向方向上的沖壓過程就會比正向沖壓提前完成 這樣的話就會像采用普通加工一樣 在相同部位產(chǎn)生流動缺陷 相反 如果相對速率大于最適宜的速率 則正向沖壓過 程就會比反向沖壓過程提前完成 這樣就會在相反地部位產(chǎn)生缺陷 因此 為了滿足設計要求 采用半分法可以找出最佳的相對速率 從結(jié)果來看 最佳的相對速率是 0 48 圖 10 和 11 顯示了相對速率分別為 0 1 0 48 1 0 時采 用一次沖壓變形過程和金屬流動情況 圖 11 c 顯示了當采用最佳相對速率 0 48 時的金屬流動形式 它記錄了一個可以防止缺陷產(chǎn)生的流動形式 7 圖 9 軸向移動的箱體示意圖 圖 10 根據(jù)相對速度比率變化的活塞銷釘形態(tài) 圖 11 根據(jù)相對速度比率比較的金屬 3 3 修改模具結(jié)構 這種被提出的修改模具結(jié)構的工藝可以限制金屬在反方向上的流動 而在 這個方向上容易提前完成變形 從而可以實現(xiàn)在兩個方向上同時完成變形 采 用這種工藝時 為了能在兩個方向上同時完成變形過程而得到相同的變形長度 卸料器又被設計者重新采用 它是一種使沖頭從制件中抽出的裝置 如果采用 普通加工工藝中的固定式卸料器 則由于材料流動受到限制 會出現(xiàn)死金屬區(qū) 而此時產(chǎn)生的部位與采用雙向沖壓時產(chǎn)生在中間位置不同 8 因此 一種利用彈簧彈力的結(jié)構可以推遲金屬材料沿反方向的流動 圖 12 顯示了這種模具結(jié)構 采用這種方法 選用合適的彈簧彈力對于滿足變形同時 完成的要求來講是很重要的 因而有限元模擬可以計算出這種必要地彈力 從 模擬結(jié)果來看 需要給卸料器施加 5 噸的彈力 圖 13 展示了這種工藝下金屬流 動形式 與其它改進的工藝方法相比 這種工藝在死金屬區(qū)沒有出現(xiàn)不連續(xù)的 流動速度 此處的金屬流動形式是相同的 圖 12 使用沖壓模板的凹模模子結(jié)構示意圖 圖 13 使用沖壓模板的金屬流動 4 結(jié)果和實驗 通過有限元分析法分析出的三種方法中是適合防止金屬的流動缺陷 每個方法 的情況如下 第一種方法是初步加工的產(chǎn)品需要三級過程 預制 正反壓擠 穿孔 并且有一個簡單的模具結(jié)構 第二方法是使用沿軸方向移動的沖孔模板 第三種方 法是軸向移動的箱體需要二級過程 前后壓擠 穿孔 并且有一個復雜的模具結(jié)構 關于在里面形成的負荷 這三個方法都非常相似 特別是在沿軸方向移動的大約10噸的箱體情況下形成最大的負荷比其他方法小 因為在穿孔過程中沿軸方向移動的箱體會增加材料的流動 通過表1分析出的方法為 形成做出了比較 在這項研究過程中 一個用在初步加工產(chǎn)品的實驗被進行 并且 為了證實模擬結(jié)果所以使用一個250噸能力的多級樣板 在穿孔之前 為了金屬的觀 察蝕刻流動能夠正常被進行 所以必須為活塞銷做一個流動缺陷檢查 圖14就是表 示這個實驗結(jié)果 這種方法改變了初步加工的產(chǎn)品 實驗結(jié)果證明了在缺陷區(qū)域內(nèi) 金屬流動的缺陷是相同的 并且滿足形成同時完成和在兩個擠壓方向長度相同 這 9 種過程和模擬的結(jié)果相符 傳統(tǒng)方法 初步加工的產(chǎn)品的使用 沖壓模板的使用 移動箱體的用途 最大負荷 噸 97 2 96 3 96 1 84 0 擠壓的過程 2個階段 2個階段 1個階段 1個階段 缺陷 存在 不存在 不存在 不存在 表1 各個方法的比較 圖14 對流動缺陷的消除 5 結(jié)論 在這項研究過程中 流動缺陷過程和預防缺陷的過程都已經(jīng)被有限元分析重新 設計 缺陷的原因已經(jīng)被分析 并且通過分析已經(jīng)模擬出了結(jié)果 從模擬結(jié)果中 可以看出 有限元分析方法是可以防止流動缺陷并且滿足生產(chǎn)過程中控制材料的流 動狀態(tài) 通過有限元分析的結(jié)果和實驗的結(jié)果做比較 可以得出以下幾個結(jié)論 1 活塞銷里存在流動缺陷的原因是材料限制死金屬區(qū)域的流動 消除這個區(qū) 域最重要的是控制材料的流動 2 初步加工的產(chǎn)品設計和改變模具結(jié)構是使用軸向運動的擠壓箱來消除擠壓 過程中出現(xiàn)的流動缺陷 3 被提出的方法滿足了工藝的要求 向前擠壓的長度部分和落后的部分都是 相同的 這些已經(jīng)由實驗所證實 10 參考文獻 1 T Altan S I Oh L Gegel Metal forming ASM 1983 2 T Okamoto T Fukuda H Hagita Source Book on Cold Forming ASTM 1997 pp 216 226 3 S W Oh T H Kim B M Kim J C Choi KSME 19 12 1995 3121 3129 4 R C Batra N V Nechitailo Int J Plast 13 4 1997 291 306 5 A S Wifi A Abdel Hamid N El Abbasi J Mater Process Technol 77 1998 285 293 6 D J Kim B M Kim J KSTP 8 6 1999 612 619 7 D C Ko Pusan National University Dissertation 1998 8 T Altan 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