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汽车球头销冷挤压工艺分析与模具设计

2018-10-8 10:20:00

关键字:球头销|镦挤|模具设计|组合凹模|有限元模拟

摘要:球头销是汽车上的重要连接零件,要求结构强度高,宜采用冷精锻成形。采用镦挤加工方法,分析了某汽车球头销的成形工艺,对金属的塑性变形进行了合理分配,完成了加工此零件所需的三个道次工艺设计。同时,为验证设计工艺的合理性,采用有限元模拟手段,对该球头销的镦挤成形过程进行仿真,得到了金属流动的位移场、速度场及应力—应变场。模拟结果表明,设计的三道次镦挤工艺方案能够保证球头销的顺利成形。

概 述

球头销是汽车、拖拉机上的重要连接零件,物理、力学性能都有较高要求。过去该零件主要采用切削加工,材料的强度、硬度都得不到保证,实际使用中经常发生零件损伤而需要不断更换的现象。目前已普遍采用冷成形方法,即镦挤成形加工球头销,但工艺设计主要还是凭经验,加工道次的分配、模具结构设计都还存在不合理的现象,需要深入研究[1,2]。

本文以某型号汽车用球头销为例,材料20Cr,结合精密冷锻成形工艺,分析了该零件的结构特点,完成了三道次镦挤成形工艺的设计。同时,借助有限元模拟手段,分析了该球头销镦挤工艺的成形过程。模拟结果表明,镦挤工艺方案设计合理,能保证该零件的成形质量。

球头销镦挤工艺分析与模具设计

1、零件特征分析

该球头销如图1所示。从零件图中可以看出,零件为轴对称的回转体,主要由杆部和球头两部分组成。在结构特征上,主要包含四个重要的特征,依次是:Φ9.10 mm的底端杆部;Φ15.0 mm的中间杆部,且与底端杆部连接处为直角过渡;中间杆部一段长为6mm的六边形台阶;杆部顶端,带有2mm凸缘的球头部分。

由传统经验可知,Φ9.10 mm的杆部可采用正挤压一次成形;下端杆部与中间杆部的直角过渡,若对其一次成形,则会造成变形和应力分布的不均匀,易产生裂纹。因此,在对该部分设计时,最好先将直角端面部位设计成锥形过渡,圆杆与六边形的衔接处采用平滑圆弧连接,分成多道次成形出直角过渡部分;对于中间杆部的六边形台阶,宜放在成形的最后一个道次加工。这是因为,若最初就加工出来,则也需要对后面道次的模具加工出相应的六边形台阶,这显然增加了模具制造上的工时和难度;另外,球头销的头部变形量大,不宜一道次成形,最好是能采用预成形加终成形两道次来完成[3]。

图1 汽车球头销零件图

2、工艺方案确定

图2 球头销镦挤加工工艺方案

根据上述零件特征分析,同时参考文献[4]的模辊锻工艺方案,拟定镦挤方案如下:采用三个加工道次,先完成杆部挤压,最后加工球头部分。其中,第一道次正挤圆形坯料,获得Φ9.10mm的底端杆部;第二道次对球头部分进行预镦成形;最后一道次镦粗球头部分,以及中间杆部的六边形台阶。整个加工方案,如图2所示。


图3 第二道工序模具设计总装图

第二道次的模具设计总装图,如图3所示。零件中间杆部的高度要求为14.1 mm,而制件的中间杆部直径要求为Φ15.0 mm,这里过渡成形为Φ14.75 mm。锥角过渡带高约为1.8 mm,再加上此道次成形出11 mm的中间杆部,这一道次实际成形的中间杆部高度约为12.8 mm。由计算得出的冷镦力为1958 kN, 单位挤压力为 1059 MPa,因此采用整体式凹模即可。

挤压成形过程有限元模拟

为验证优化分析的正确性,采用DEFORM-3D有限元模拟软件,对各个工序的挤压过程进行有限元模拟。

模拟时考虑到,模具的变形与坯料的变形相比可以忽略不计,故将模具当作刚体,不计算其变形及应力分布情况。同时,由于球头销是回转体,为减少计算规模,模拟时取整个模型的1/6分析。

另外,由于该零件需要多道次成形,故在模拟时采用“无缝转接”技术,将上一道次模拟得到的制件直接转换成下一道次的坯料,从而解决了三道次模拟之间的连续性问题。

1、第一道工序模拟

第一道次主要挤压杆部,建立的有限元模型,如图4所示,杆部正挤成形过程,如图5所示。

图4 第一道工序有限元模型型

稳态挤压时金属的等效应力、应变分布云图,如图6所示。从图中可以看出,金属的塑性变形表现出不同时性,变形主要集中在模具锥角之间的过渡带部分。变形区域可分为已变形区、变形区和待变形区三部分,从待变形区到变形区的等效应力逐渐增大,最大应力出现在模具的定径带处,已变形区的应力接近于零。


图5 第一道工序成形过程示意图


图6 稳态挤压时金属的等效应力、应变分布云图

2、第二道工序模拟

该道次有限元模拟的模型,如图7所示。从前面的分析可知,该道次主要的目的是对球头部分进行预成形。模拟达到130步时,坯料的应力分布云图, 如图8所示。从图中能看到,此时的变形主要集中在杆的上部。其中,与凸模接触的端面部分应力较小,而中心部位应力较大,中心外侧的应力分布介于二者之间,整个变形区域成类似x形分布,这显然符合镦粗变形的特征。

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