季超平,董明飛,王志恒,鮑官軍,楊慶華
(浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部浙江省重點實驗室,浙江 杭州 310032)
冷擠壓成形是在室溫下,將冷態(tài)的金屬毛坯放入具有各種形狀型腔的模具中,通過對毛坯施加大的壓力與一定的擠壓速度,致使金屬發(fā)生塑性流動達(dá)到所需形狀的一種成形方法[1-2]。冷擠壓加工不像傳統(tǒng)切削成形那樣會在加工過程中產(chǎn)生大量的材料浪費(fèi),是一種少無切屑的凈成形加工方法。與傳統(tǒng)成形方式相比,冷擠壓加工方法具有“高效、優(yōu)質(zhì)、低消耗、低成本”等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于汽車、軍工、航空航天、日用五金等各行業(yè)。在現(xiàn)今濃厚的零件制造業(yè)國際化氣氛以及日益劇烈的產(chǎn)品價格市場競爭的背景下,一個國家的冷擠壓加工技術(shù)水平,是該國家的汽車工業(yè)水平、工業(yè)化水平及現(xiàn)代化水平的一種重要標(biāo)志和反映[3]。
但是現(xiàn)有的冷擠壓技術(shù)存在的幾個明顯問題也需亟待解決[4-6]:
(1)成形抗力巨大。在冷態(tài)下,金屬材料存在極高的變形抗力與流動應(yīng)力,而通過冷擠壓成形的零件大多是重要的承力件;加之對于形狀復(fù)雜的擠壓件,在成形填充過程中,特別是最終成形階段,其變形抗力往往有一個階越式的上升。
(2)成形設(shè)備要求高。冷擠壓零件成形存在巨大的成形壓力,需要大噸位、高強(qiáng)度、高剛度、高精度的重型壓力機(jī)。
(3)模具壽命低。由于毛坯處于三向壓應(yīng)力的作用下,變形抗力大,冷擠壓模具要有足夠的承載能力、耐磨性和沖擊韌性。
解決這些難題的有效方法之一是引入振動技術(shù)[7-8]。
振動是存在于物質(zhì)世界一種基本運(yùn)動形式。近些年,利用振動原理來工作的振動機(jī)械也得到了迅速發(fā)展和較為廣泛應(yīng)用。振動加工是在對金屬材料引入振動的一種新的成形加工工藝,通過對被加工金屬材料施加一定頻率、振幅以及一定方向的振動激勵,使材料在振動激勵下發(fā)生塑性變形[9-10]。在振動激勵下,可以大幅度降低金屬塑性成形加工過程中的材料變形抗力[11-13]。
本研究將顫振應(yīng)用于萬向節(jié)軸套的冷擠壓工藝,重點分析討論其降低變形抗力和成形力的基本原理,并應(yīng)用有限元方法進(jìn)行沒有振動和電液顫振兩種模式下的軸套零件加工過程中的行程-載荷和模具磨損量的比較分析,以此來證明顫振技術(shù)的引入能夠降低冷擠壓過程中的變形抗力,進(jìn)而改善模具壽命,降低設(shè)備噸位。
本研究的對象是萬向節(jié)軸套,其零件尺寸及毛坯如圖1所示。采用正擠壓形式,其模具結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
冷擠壓的擠壓力是模具設(shè)計基礎(chǔ),擠壓力理論公式繁多、復(fù)雜,計算結(jié)果相差也較大,實際工程應(yīng)用多采用經(jīng)驗性數(shù)據(jù)及公式計算。在一般擠壓試驗中,計算擠壓力P(kN)公式采用通式:
式中:c—安全系數(shù);p—單位擠壓力,MPa;F—擠壓作用投影面積,mm2。
本研究針對軸套零件采用正擠壓形式進(jìn)行擠壓,正擠壓件擠壓力為穩(wěn)定變形階段擠壓力,采用主應(yīng)力法求解單位擠壓力。正擠壓軸套變形區(qū)域如圖3所示,區(qū)域1和3分別是出口部分和直筒部分,該部分不產(chǎn)生塑性變形,只作剛性平移,區(qū)域2是鐓擠部分為塑性變形區(qū)域。
圖1 擠壓件與毛坯
圖2 軸套擠壓模具結(jié)構(gòu)圖
圖3 正擠壓軸套變形區(qū)域
出口部分為圓環(huán)形,不再發(fā)生塑性變形,但是金屬從塑性區(qū)域進(jìn)入該區(qū)域時,會在徑向發(fā)生彈性漲大,會受到凹模??趶较驂簯?yīng)力σp1作用,而σp1最大值要小于金屬變形抗力σ,金屬坯料在接觸表面上的摩擦應(yīng)力為:
式中:f—摩擦因數(shù)。
在出口部分取出一個高度為dz微小單元體,應(yīng)力分布情況如圖4所示。根據(jù)圓柱坐標(biāo)單元體應(yīng)力狀態(tài),則Z方向所列出的平衡方程為:
取σp1=σ,則式(3)可簡化為:
通過積分運(yùn)算得:
在凹模工作帶以下,當(dāng)z=0時,坯料處于無約束自由狀態(tài),此時,σz=0。那么可得式(5)中C=0。則有:
金屬流入工作帶,即z=h時,應(yīng)力為:
因此,作用于??谔巻挝粩D壓力為:
將p1代入式(1)所得出口部分?jǐn)D壓力P1為:
擠壓力安全系數(shù)c一般取值1.5[14],模具與材料均為鋼材,摩擦系數(shù)0.12,而變形抗力的大小,不僅取決于材料流動應(yīng)力,并且還與塑性成形時應(yīng)力狀態(tài)、摩擦、變形體相對尺寸變形速度和變形溫度等有關(guān)。在冷擠壓中,20Cr變形抗力取值σ=540 MPa,代入式(9),可得:
圖3中鐓粗?jǐn)D壓部分成形高度為h2,該部分?jǐn)D壓力產(chǎn)生于金屬坯料進(jìn)入穩(wěn)定變形階段,即塑性變形區(qū)域被鐓擠的階段。處于下凸模上邊受壓縮圓柱體單位擠壓力為p2,則單位擠壓力為:
式中:f—接觸面上的摩擦系數(shù)。
此處選取h2=d/3,代入式(11),得:
則,該部分鐓擠所需的力為:
代入c、σ、f、D、d參數(shù),可得:
正擠壓時,金屬材料處于彈性壓縮的狀態(tài),不產(chǎn)生塑性變形,只作剛性的平移,受很大的凹模正應(yīng)力σn。因此,可用下式作為擠壓筒部分單位擠壓力計算式:
則擠壓筒部分?jǐn)D壓力為:
其中,h3=h0-h2=2.7 mm。
代入數(shù)據(jù),計算得:
整個萬向節(jié)軸套在傳統(tǒng)正擠壓下成形的擠壓力為:
本研究通過將顫振工藝引入傳統(tǒng)冷擠壓成形,并起到降載效用,從表面效應(yīng)分析振動降載原因可以歸結(jié)為:①模具與工件之間的瞬間分離,工件內(nèi)應(yīng)力瞬間得到釋放;②促使?jié)櫥瑒┮子谶M(jìn)入工件與模具接觸面,改善潤滑條件減小摩擦;③模具在一定頻率振動激勵下,使得在振動周期內(nèi)的一定時間模具與材料摩擦矢量反向,使原本阻礙金屬流動的摩擦阻力變成摩擦動力。
施加于凹模的顫振激勵信號為:V(t)=2πfa?sin(2πft),施振方向與冷擠壓模具沖頭運(yùn)動方向共線,在軸向振動激勵下模具和坯料模型如圖5所示。
圖5 振動激勵下模具與坯料模型
Vs—坯料滑移速度,對于在擠壓筒部分,由于坯料做剛性移動,該速度是一個恒定值,即等于沖頭速度;F—摩擦力。
傳統(tǒng)冷擠壓過程中凹模固定不動,即V(t)=0,摩擦力F方向始終作為阻礙金屬運(yùn)動的阻力,方向始終與Vs3相反。施加振動之后,加工周期內(nèi)V(t)≥Vs3,則摩擦力F發(fā)生反向,那么反向的F變成促進(jìn)金屬流動的動力,取凹模振動速度達(dá)到?jīng)_頭速度Vs3時間為ts3,那么ts3由下式確定:
取沖頭運(yùn)動方向作為正方向,沖頭以及凹模速度變化及引起摩擦力方向改變的情況如圖6所示。從V(t)表達(dá)式可知,V(t)max=2πfa,本研究將在無振動激勵下的摩擦力設(shè)為F0。
圖6 沖頭及模具速度和摩擦力關(guān)系
在V(t)≤Vs3階段,摩擦力所提供的仍然是摩擦阻力,摩擦力方向與坯料流動方向相反,與非振動激勵擠壓摩擦狀態(tài)相同。在V(t)≥Vs3階段,摩擦力發(fā)生了反向,摩擦力不再是作為阻礙金屬流動的阻力,而是促進(jìn)金屬流動的動力。
從平均摩擦力角度考慮,在整個周期中,V(t)≥Vs3階段所產(chǎn)生的動力和V(t)≤Vs3階段所產(chǎn)生的阻力相互抵消,那么在整個周期中,振動激勵下平均摩擦力Fs3可以由下式計算:
設(shè)定一個速度比例參數(shù)λ,那么:
從式(21)可知,λ的大小取決于Vs3,以及施振參數(shù)f和a,通用冷擠壓液壓機(jī)擠壓工作時速度一般為5 mm/s~20 mm/s。用于振動激勵實驗的施振參數(shù)可調(diào)范圍廣,那么f和a的值越大,即高頻大振幅,在這樣條件下λ值可以降到很低,那么式(20)中平均摩擦力Fs3值越小。
仿真分析過程中模具和坯料間摩擦類型采用剪切摩擦模型,摩擦因數(shù)為剪切摩擦系數(shù)0.12,設(shè)置熱傳導(dǎo)系數(shù)11,初始溫度設(shè)為20℃(即室溫),凸模擠壓速度為12 mm/s??紤]到冷擠壓中溫度對坯料的影響,本研究采用熱力耦合分析。
通過對凹模施加100 Hz頻率0.03 mm振幅的周期性顫振激勵下的行程-載荷曲線如圖7(a)所示。整個成形階段可以分成3個階段:OA階段是在成形初期;AB階段是成形穩(wěn)定階段;BC階段,載荷值有一個較為明顯的下降趨勢。整個成形過程中,最大載荷值出現(xiàn)在沖頭下行行程為5.83 mm處,其值為24.06 t,對應(yīng)成形軸套零件載荷值為192.48 t,最終成形載荷值為21.40 t,對應(yīng)實際成形整個萬向節(jié)軸套零件載荷值為171.2 t。
兩種冷擠壓工藝下沖頭所受載荷值比較圖如圖7(b)所示。①在成形初期OA階段,兩者載荷曲線基本重合,這段期間坯料主要變形方式為鐓粗預(yù)成型,坯料所受外摩擦影響較小,表現(xiàn)為對載荷值影響不大;②在進(jìn)入AB穩(wěn)定變形區(qū)后,材料流過???,此時摩擦的降低對載荷值影響較為明顯,較無振動激勵情況下,載荷值開始下降;③當(dāng)進(jìn)入成形終了的BC階段,振動激勵情況下載荷繼續(xù)降低。
對比兩種成形工藝可知,整個成形過程中,整個零件最大成形壓力下降17.4 t,下降率為8.3%,最終成形壓力下降19.2 t,下降率約為10.1%。
圖7 行程-載荷
無振動激勵冷擠壓過程模具磨損量如圖8所示。沖頭最大磨損出現(xiàn)在底部與材料接觸地方,單次最大磨損量為0.000 782 mm。凹模最大磨損量在??谂髁铣尚翁?,最大磨損量為0.001 22 mm。
振動激勵下擠壓成形過程模具單次磨損如圖9所示。沖頭單次最大磨損量為0.000 722 mm,位于沖頭臺階處,凹模單次最大磨損量為0.001 33 mm,位于??谔?。相比于如圖8所示的傳統(tǒng)無振動激勵成形,振動激勵下沖頭磨損量較無振動激勵成形小,但凹模磨損量變大。由此可見,顫振激勵方式可以降低沖頭的磨損,增加其壽命;但是由于激勵施加于凹模,凹模受載較大且形式復(fù)雜,造成凹模磨損量有所增加。
圖8 模具單次擠壓磨損量
圖9 振動激勵下模具單次擠壓磨損量
基于振動技術(shù)的冷擠壓對于降低模具和坯料的摩擦、模具的磨損(尤其是降低冷擠壓設(shè)備的噸位)從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的方面具有重要作用。本研究著重討論了顫振技術(shù)應(yīng)用于冷擠壓過程的降載機(jī)理,并以汽車萬向節(jié)軸套零件為對象,通過冷擠壓力的理論分析計算,應(yīng)用Deform-3D有限元分析方法,證明了引入顫振激勵將顯著降低冷擠壓過程的變形抗力,并在一定條件下改善模具受載狀況。理論和仿真分析結(jié)果表明:
(1)100 Hz頻率0.03 mm振幅的周期性顫振激勵下,萬向節(jié)軸套零件的冷擠壓過程最大成形壓力下降8.3%,最終成形壓力下降10.1%;
(2)相比于無振動激勵成形,振動激勵下沖頭磨損量下降,但凹模磨損量有所增大,這主要是由于顫振激勵直接施加于凹模的緣故。
(References):
[1] ALTAN T,NGAILE G,SHEN Gang-shu.Cold and Hot Forging:Fundamentals and Applications[M].ASM International,2005.
[2] 梁瑜軒,黎向鋒,左敦穩(wěn),等.內(nèi)螺紋低頻振動冷擠壓試驗研究[J],航空學(xué)報,2012,34(2):442-450.
[3] 周賢賓.塑性加工技術(shù)的發(fā)展—更精、更省、更凈[A].第八屆全國塑性加工學(xué)術(shù)年會論文集[C].北京,2002:1-4.
[4] 楊謹(jǐn)華,寇淑清.直齒圓柱齒輪冷精鍛實用化工藝研究[J].中國機(jī)械工程,1999,10(4):401-402.
[5] 江雄心,萬平榮,林治平.直齒圓柱齒輪精鍛工藝[J].鍛壓技術(shù),2002(5):1-4.
[6] 夏世升,王廣春,趙國群,等.直齒圓柱齒輪冷精鍛新工藝數(shù)值模擬研究[J].熱加工工藝,2003(2):22-23.
[7] 董明飛,王志恒,胡新華,等.高頻電液激振冷擠壓數(shù)值模擬及其減載實驗研究[J].機(jī)電工程,2014,31(1):63-67.
[8] 楊慶華,陳 鑫,孟 彬,等.汽車活塞銷振動擠壓數(shù)值模擬分析[J],浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2013,41(3):317-320.
[9] 何 勍,聞邦椿.振動塑性加工的進(jìn)展及若干問題[J].遼寧工學(xué)院學(xué)報,1999(4):5-9.
[10]韓清凱,郝建山,聞邦椿.金屬材料加工中的振動利用問題[J].中國機(jī)械工程,2001,12(5):594-597.
[11]SIEGERT K.MOCK A.Wire drawing with ultrasonically oscillating dies[J].Materials Processing Technology,1996(60):657-660.
[12]MAKAROV P V,ROMANOVA V A,BALOKHONOV R R.Plastic deformation behavior of mild steel subjected to ultrasonic treatment[J].Theoretical and Applied Fracture Mechanics,1997(28):141-146.
[13]梁瑜軒,黎向鋒,左敦穩(wěn),等.內(nèi)螺紋低頻振動冷擠壓振動加工裝置動力學(xué)仿真分析[J].振動與沖擊,2012,31(22):143-146.
[14]阮雪榆,蕭文斌.冷擠壓技術(shù)[M].上海:科學(xué)技術(shù)出版社,1963.