徐杰,王久林,周敏,李萍

(1.合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,合肥230009; 2.南通福樂達汽車配件有限公司,江蘇南通226300)

小尺寸梯形凸臺曲軸蓋板成形工藝研究

徐杰1,王久林1,周敏2,李萍1

(1.合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,合肥230009; 2.南通福樂達汽車配件有限公司,江蘇南通226300)

目的 研究汽車曲軸蓋板復(fù)合加工工藝的可行性。方法 根據(jù)零件特點,采用多道次拉深和整形相結(jié)合的加工工藝成形零件,并利用有限元技術(shù),對成形過程進行了數(shù)值模擬分析,然后結(jié)合物理實驗對工藝可行性進行了驗證。結(jié)果 試制出的零件表面質(zhì)量較好,法蘭內(nèi)緣處梯形凸臺尺寸精度達到了要求,和有限元仿真模擬結(jié)果相吻合。結(jié)論 采用多道次拉深和整形復(fù)合工藝所獲得的汽車曲軸蓋板,完全滿足零件實際使用要求,成形工藝有效、可行。

曲軸蓋板;拉深;整形;梯形凸臺

近年來隨著汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展,曲軸蓋板作為整個汽車產(chǎn)業(yè)鏈中不可或缺的零部件之一,其生產(chǎn)制造工藝的改進和革新越來越受到業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。零件法蘭內(nèi)緣處的梯形凸臺尺寸較小,利用傳統(tǒng)制造工藝成形困難。目前國內(nèi)外針對曲軸蓋板的制造工藝主要是采取兩個步驟:首先采用多道次拉深成形出曲軸蓋板主要輪廓,再利用機械加工的方法加工出法蘭內(nèi)緣圓角處梯形凸臺[1—2]?，F(xiàn)有加工方法會耗費大量的能源和材料,資源利用率較低,零件綜合性能差。在競爭越來越激烈的汽車產(chǎn)業(yè)中,已經(jīng)不能適應(yīng)汽車工業(yè)對減輕重量、降低能源消耗等方面的要求[3—5]。

在塑性成形技術(shù)領(lǐng)域,各種成形技術(shù)合理的交叉復(fù)合使用正被越來越多的業(yè)內(nèi)人士所認可。其獨特的零件生產(chǎn)方法符合節(jié)約材料和能源,減少加工工序,提高勞動生產(chǎn)效率和降低成本的實際生產(chǎn)要求[6—7]。

如圖1所示曲軸蓋板為一回轉(zhuǎn)體,加工特點如下:(1)直筒直徑為φ57.3 mm,表面積較大;(2)直壁厚度為2.5 mm,多次拉深后直筒處壁厚難以保證; (3)法蘭內(nèi)緣處的梯形凸臺,垂直高度分別為2.0 mm和2.3 mm,厚度為2.5 mm,水平角度為10.5°,尺寸要求較高,成形困難,是整個零件成形的關(guān)鍵區(qū)域。

圖1 曲軸蓋板零件模型Fig.1 Crankshaft cover partmodel

1 工藝原理和有限元模型的確定

1.1 新工藝的確定

對于該零件,常規(guī)加工方法為多道次拉深,以達到零件的尺寸要求(包括筒形壁厚、筒形高和筒形底部最小圓角半徑),但是法蘭內(nèi)緣處梯形凸臺由于特殊的尺寸要求難以通過多道次拉深工藝實現(xiàn)。國內(nèi)外普遍的加工方法是采用較厚坯料多道次拉深,增厚法蘭內(nèi)緣處處壁厚,再機加工出法蘭內(nèi)緣處梯形小凸臺[8—10],從而完成整個零件的制造。這樣的做法雖然能夠得到符合要求的零件,但材料利用率低,加工成本高,加工效率低。通過一次整形達到所需梯形凸臺尺寸亦難度較大,主要原因有:(1)通過多次拉深之后材料在法蘭內(nèi)緣處增厚不明顯,導(dǎo)致整形所需充填金屬體積不足,凸臺難以成形;(2)由于法蘭內(nèi)緣處梯形凸臺尺寸很小,采用鍛壓工藝實現(xiàn)該處梯形臺階的一次成形,金屬極易產(chǎn)生折疊,而且該處變形類似于沖裁,模具極易嵌入金屬內(nèi),破壞零件表層;(3)整形時凸模的單位載荷較大,模具容易損壞。

根據(jù)零件特殊尺寸要求,在常規(guī)工藝分析的基礎(chǔ)上,提出新的加工工藝方法[11—13],如圖2所示,其成形工序依次為:多道次拉深→壓邊→梯形凸臺處預(yù)整形→梯形凸臺處終整形。多道次拉深的目的是成形零件筒壁部分,增厚法蘭內(nèi)緣處的坯料,為之后的預(yù)整形和終整形提供足夠體積的金屬。壓邊的作用是成形出一定法蘭內(nèi)緣形狀,減少預(yù)整形金屬的變形量,保護模具。預(yù)整形采用較大圓角的擠壓環(huán)將金屬聚集在圓角處,避免金屬過多的橫向流動。終整形采用較小的圓角,成形出零件要求尺寸。

圖2 工藝流程Fig.2 Flow diagram of the process

1.2 有限元模型的建立

曲軸蓋板零件的幾何形狀、邊界條件和載荷都相對中心軸對稱,為提高有限元模擬計算效率和精度,建立1/4幾何模型進行有限元模擬,采用四面體單元的網(wǎng)格劃分方式[9,14];多道次拉深過程凸模移動速度設(shè)為30 mm/s,壓邊、預(yù)整形和終整形階段凸模移動速度設(shè)置為1 mm/s,整個成形階段坯料和模具之間的摩擦因數(shù)設(shè)為0.12。根據(jù)體積不變原則,坯料尺寸選擇厚度為2.5 mm,直徑為150 mm。材料選擇1.0338冷軋深拉伸板,材料的基本力學(xué)性能如下:屈服強度為231 MPa,密度為7.851 g/cm3,彈性模量為220 GPa,泊松比為0.283。

2 模擬仿真結(jié)果分析

2.1 多道次拉深增厚階段分析

hn和tn為拉深件的相對高度和相對厚度,二者分別表示零件實際厚度、高度和零件直徑之間的相對數(shù)值關(guān)系。二者是確定拉深次數(shù)的2個主要量化指標(biāo)。根據(jù)式(1)和(2)計算可得,hn和tn分別為0.7和1.6。由表1可知整個拉深過程分為3道次完成,考慮到直筒底部圓角半徑R僅為5 mm,在拉深增厚階段增加一次整形過程,以更好成形直筒底部圓角,圓角半徑大小從一道次的17.5 mm,減小到四道次的5 mm。拉深后材料直筒高為34.9 mm,壁厚由坯料時的2.6 mm減薄至2.5 mm,法蘭內(nèi)緣處厚度則增厚至2.92 mm,達到之后整形所要求的壁厚要求。式中:H為零件高度,mm;l為有凸緣拉深件修邊余量,mm;D為零件直徑,mm;t為零件厚度,mm。

表1 筒形件拉深相對厚度t/D與拉深次數(shù)的關(guān)系Tab le 1 Relationship of relative thickness and num ber for cylind rical deep d raw ing

2.2 整形工藝階段分析

通過對拉深后零件法蘭內(nèi)緣處梯形凸臺的擠壓成形實現(xiàn)零件整形過程。該過程采用整體凸模,并且預(yù)整形和終整形采用同一凹模,主要目的是保證零件的表面質(zhì)量、外圍尺寸和降低零件加工成本。

圖3為不同斜面厚度零件整形后截面面積形狀的變化。Ⅰ區(qū)域表示坯料體積減少部分,Ⅱ區(qū)域表示坯料體積增加部分。其中圖3a斜面厚度為2.5 mm,圖3b斜面厚度為2.9 mm。通過計算,圖3a中Ⅱ區(qū)域面積大于Ⅰ區(qū)域面積,說明當(dāng)法蘭內(nèi)緣沒有增厚,厚度僅為2.5 mm時,金屬減少的區(qū)域面積少于增加面積,零件成形過程金屬體積補充不足,Ⅱ區(qū)域可能會出現(xiàn)充不滿現(xiàn)象,產(chǎn)生缺陷。圖3b為Ⅰ區(qū)域面積和Ⅱ面積區(qū)域相等的理想情況,表明零件成形過程中,有足夠金屬充填。計算得圖3b法蘭內(nèi)緣斜面厚度約為2.9 mm。多道次拉和壓邊階段結(jié)束后法蘭內(nèi)緣斜面處增厚到2.92 mm,符合金屬充填要求。

整形工藝模具設(shè)置如圖4所示,預(yù)整形階段采用具有較大圓角的擠壓環(huán)將金屬聚集在圓角處,避免金屬過多的橫向流動。然后再采用較小圓角的擠壓環(huán)終整形,有效避免了金屬發(fā)生折疊現(xiàn)象。

圖3 不同斜面厚度零件整形前后截面面積的變化Fig.3 Sectional area of the ramp before and after different thickness plastic parts

圖4 整形工藝的模具設(shè)置Fig.4 Shaping process die set

圖5為預(yù)整形過程材料的等效應(yīng)變云圖。從圖5可以看出,材料首先發(fā)生變化的位置是擠壓圓環(huán)圓角處,隨著擠壓過程的進行變形主要集中在材料法蘭內(nèi)緣圓角處。預(yù)整形結(jié)束后材料成形效果良好,材料和模具完全接觸,沒有發(fā)生金屬折疊和未充滿現(xiàn)象,達到了預(yù)整形目的。

圖6為終整形階段材料的等效應(yīng)變云圖?？梢钥闯龊皖A(yù)整形階段相比,材料變形程度降低,變形區(qū)域減小,主要發(fā)生在擠壓環(huán)圓角處。這是因為在預(yù)整形階段,較大的擠壓環(huán)半徑,較小摩擦阻力,保證了金屬能夠在橫向上充分流動,完成整個整形階段大部分變形。

圖5 預(yù)整形過程的等效應(yīng)變云圖Fig.5 Pre-shaping process equivalent strain

圖6 終整形過程的等效應(yīng)變云圖Fig.6 Final shaping procedure is the equivalent strain

2.3 擠壓環(huán)圓角半徑對零件成形效果的影響

法蘭內(nèi)緣處梯形凸臺尺寸較小,金屬不易流動,成形困難。擠壓環(huán)圓角半徑通過影響成形圓角處摩擦阻力,對成形過程中金屬流動產(chǎn)生顯著的影響。根據(jù)經(jīng)驗選取3組圓角半徑進行預(yù)整形階段模擬,根據(jù)模擬成形效果和實際實驗效果確定最優(yōu)參數(shù)。3組圓角半徑分別為1.5,2.0,2.5 mm。

圖7分別為采用3組不同擠壓環(huán)圓角半徑預(yù)整形后,得到的模具和材料的接觸關(guān)系。當(dāng)R=2.5 mm時,由于圓角半徑過大,圓角半徑處的摩擦較小,造成金屬在圓角處橫向流動過多,在凹模圓角出現(xiàn)金屬未充滿現(xiàn)象,模擬結(jié)果則表現(xiàn)為材料和模具未接觸。當(dāng)圓角半徑為2.0 mm和2.5 mm時金屬與模具完全接觸,沒有發(fā)生金屬充填不足現(xiàn)象。而圓角半徑R=1.5 mm時,由于圓角半徑過小,擠壓環(huán)圓角處的摩擦過大造成金屬在預(yù)整形過程中橫向流動過少,實際生產(chǎn)中在凹模圓角處產(chǎn)生金屬過度堆積進而產(chǎn)生金屬折疊現(xiàn)象,如圖8所示。過大圓角和過小圓角都會使最終成形零件產(chǎn)生一定的缺陷,不符合實際生產(chǎn)要求,綜合考慮實際生產(chǎn)中選擇擠壓環(huán)半徑R=2.0 mm。

圖7 不同圓角半徑成形后材料和模具的接觸關(guān)系Fig.7 Materials and mold after forming different contact relationships radius

圖8 產(chǎn)生折疊缺陷的零件Fig.8 Folding produce defective parts

2.4 成形載荷分析

圖9為整形階段材料成形載荷。預(yù)整形和終整形階段載荷曲線均呈現(xiàn)漸升趨勢,主要是因為隨著成形的不斷進行,坯料的擠壓環(huán)接觸面積逐漸增加,導(dǎo)致成形載荷不斷增加。預(yù)整形階段最大成形載荷約為200 t,終整形階段最大成形載荷約為300 t,符合實際生產(chǎn)設(shè)備要求。

圖9 整形過程載荷云圖Fig.9 Shaping process loads

3 零件試制

根據(jù)模擬所得實驗參數(shù),生產(chǎn)企業(yè)利用JL21-80A高速沖床和YQ32-500T三梁四柱壓力機對零件進行試制。試制過程采用高分子潤滑劑,成形零件表面質(zhì)量較好,較難成形的法蘭內(nèi)緣梯形凸臺成形尺寸完全符合要求,沒有產(chǎn)生金屬折疊或充填不滿等缺陷,滿足了零件尺寸、形狀和力學(xué)性能要求,獲得了良好的汽車曲軸蓋板,見圖10。

圖10 曲軸蓋板的生產(chǎn)試制Fig.10 Crankshaft covers trial production

4 結(jié)論

1)根據(jù)零件特點,采用了常規(guī)拉深、壓邊和整形相結(jié)合的新加工工藝。

2)結(jié)合零件特點確定了拉深道次。采用四道次拉深成形,零件高度、直筒壁厚和直筒底部圓角均符合要求。法蘭內(nèi)緣處增厚成功,壁厚達到2.92 mm,符合預(yù)整形對壁厚要求。

3)整形得到了滿足要求的法蘭內(nèi)緣帶有較小尺寸梯形凸臺的較高質(zhì)量汽車曲軸蓋板。

4)根據(jù)制定的工藝和數(shù)值模擬結(jié)果,進行了零件試制,驗證了新工藝的可行性。

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Process of Small Size and Trapezoid Convex Platform of Crankshaft Cover

XU Jie1,WANG Jiu-lin1,ZHOU Min2,LIPing1
(1.School of Materials Science&Engineering,Hefei University of Technology,Hefei230009,China; 2.Nantong Fuleda Vehicle Accessory Component Co.,Ltd.,Nantong 226300 China)

The aim of this study was to investigate the feasibility study of the cover of automobile crankshaftmachining process.According to the characteristics of the part,partswere assembled bymachining process combined withmulti pass drawing with shaping,and the numerical simulation of forming process was analyzed by the finite element technology.Finally,the feasibility of process was verified using physical experiments.The surface quality of the trial is good,the size precision of the trapezoidal bulge at the inner edge of the flangemeet the requirements,which was consistentwith the finite element simulation results.The automobile crankshaft cover board processed by multi-pass drawing and plastic composite technology can fullymeet the requirements of the actual use,and the forming process is effective and feasible.

crankshaft cover;drawing;shaping;trapezoid convex platform

10.3969/j.issn.1674-6457.2015.04.004

TG316

:A

:1674-6457(2015)04-0016-06

2015-06-12

徐杰(1988—),男,安徽肥西人,碩士研究生,主要研究方向為擠壓成形與數(shù)值仿真。

李萍(1973—),女,哈爾濱人,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向為精密成形和數(shù)值模擬。