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        梭床冷擠壓成形方案研究與模具設計

        2018-05-17 01:52:20張京吳淑芳陳風龍王培安陳卜寧
        汽車零部件 2018年4期
        關鍵詞:修邊凹模凸模

        張京,吳淑芳, 陳風龍,王培安,陳卜寧

        (長春理工大學機電工程學院,吉林長春 130022)

        0 引言

        隨著能源的過度消耗,國家提出綠色環(huán)保再生產理念,鍛造行業(yè)面臨著制造轉型,采用較低的能耗完成等價生產。冷擠壓是在常溫下對毛坯擠壓成形,此擠壓工藝可以減少材料切除,生產成本比機械加工方式降低幾倍到幾十倍,材料利用率最高可以達到80%,并且具有較高的尺寸精度和力學性能[1]。

        梭床是紡織廠工業(yè)縫紉機中的重要零件之一,其質量好壞直接影響著縫紉性能和經濟效益。工作時,必須要求其裝配精度高、轉速高,零件要有高硬度和高耐磨性的特點。目前,國內主要的成形工藝還是采用車削加銑削的方法,效率不高且浪費材料嚴重。陳偉等人[2]根據梭床的結構特點采用正反復合擠壓成形方法并驗證了可行性。

        1 冷擠壓成形工藝設計

        1.1 梭床材料選擇

        為了保證梭床在使用過程中的力學性能以及生產過程中的技術要求,在冷擠壓工藝條件下選取材料,應盡量保證材料具備硬度高、韌性大的特點。初步選擇的零件材料為20Cr鋼。目前,20Cr鋼是我國產量最大、應用最廣的幾種鋼材之一,其韌性比15CrA要差,但該鋼具有淬透性高、低溫沖擊韌性好和回火脆性不明顯的特性,可滿足此鍛件的冷擠壓性能要求。查文獻[3]可知,20Cr鋼的主要化學成分和力學性能分別見表1和表2。

        表1 20Cr鋼的化學成分

        表2 20Cr鋼的力學性能

        1.2 有限元三維建模

        梭床的種類較多,圖1是某梭床的二維零件圖,通過對它進行工藝分析,為其他類型的梭床提供參考。從圖1可以看出,該鍛件結構相對簡單,屬于典型的杯-桿類回轉體鍛件。為了保證鍛件性能,虛線部分為高度方向修邊余量。作者利用大型通用建模軟件SolidWorks進行建模。圖2所示為該梭床的三維模型圖。通過對梭床三維建模,進一步掌握其結構特點,為確定成形工藝方案提供準確依據。

        圖1 二維零件圖

        圖2 三維模型

        1.3 毛坯體積確定[4]

        在冷擠壓成形過程中,依據毛坯體積與擠壓件體積相等原則近似計算,由于冷擠壓后還需要機加工工序,所以參考表3對鍛件加入修邊余量,如圖1所示。為了保證鍛件具有良好的性能,復合擠壓件的修邊余量將分別進行計算,此鍛件的杯部高度為15 mm,小于20 mm,所以高度方向的修邊余量Δh為2.5 mm;桿部高度為8 mm,小于10 mm,所以高度方向的修邊余量Δh′為2 mm。通過相關計算得出修邊余量體積Vb=1 263.847 mm3,毛坯總體積:

        V0=V1+Vb=8 611.062+1 263.847=9 873.909 mm3

        式中:V0為毛坯總體積(mm3);V1為成形件的體積(mm3);Vb為修邊余量的體積(mm3)。

        表3 軸對稱冷擠壓件高度修邊余量Δh值 mm

        1.4 毛坯尺寸分析[4]

        (1)一般情況下,坯料的外徑尺寸是由對應凹凸模的尺寸所決定,坯料的外徑尺寸要接近成品擠壓件的尺寸且能自由放入模具中。因此,坯料直徑應滿足:

        Dp=Do-(0.1~0.2)mm=15-(0.1~0.2)=14.8~14.9 mm

        式中:Dp為坯料直徑(mm);Do為下凹模外徑(mm)。

        初步選定坯料的直徑為14.8 mm。

        通過上述結論可以得出坯料高度H1:

        式中:A1為坯料截面面積(mm2)。

        初步擬定坯料的尺寸:φ14.8 mm×57.5 mm,如圖3(a)所示。

        圖3 坯料二維圖

        (2)對于坯料鐓粗過程,一般坯料高徑比除超長軸類外,其余均不大于2.5~3,但第(1)步中計算尺寸H1/Dp≈3.89>3,不符合技術要求,所以選擇直徑25 mm的圓形實心棒料并計算高度H2如下:

        式中:A2為直徑為25 mm坯料截面面積(mm2)。

        此時,擬定坯料尺寸:φ25 mm×20.2 mm,如圖3(b)所示。

        (3)一般鍛件進行擠壓鍛造時,可以通過增大直徑、減小高度的方法去除鐓粗階段,所以另選直徑為28 mm的圓形實心棒料并計算高度H3如下:

        式中:A3為直徑為28 mm坯料截面面積(mm2)。

        此時,擬定坯料尺寸:φ28 mm×16.1 mm,如圖3(c)所示。

        2 成形工藝流程方案確定

        2.1 成形工藝方案備選

        按照此零件外形特點,如采用機加工方式切除成形,就會造成廢料量大、工時長、內部結構疏松等缺點,所以采用冷擠壓成形工藝,有效節(jié)約材料和縮短工時,提高生產效率,再通過機加工方式達到零件質量要求。根據圖1的結構特點,初步提出以下3種成形工藝方案:

        方案一:坯料采用φ14.8 mm的圓形棒料,擠壓過程采用兩步工序完成:第一步是對坯料下壓35 mm的鐓粗階段,第二步是對鐓粗件下壓11.5 mm的反擠壓階段。

        方案二:坯料采用φ25 mm的圓形棒料,擠壓過程采用兩步工序完成:第一步是對坯料下壓8 mm的鐓粗階段,第二步是對鐓粗件下壓9.2 mm的正反復合擠壓階段。

        方案三:坯料采用φ28 mm的圓形棒料,擠壓過程只需一步工序完成。通過對坯料下壓13.1 mm的正反復合擠壓階段。

        根據擠壓成形工藝可知,方案一坯料高徑比大于3,在鐓粗階段可能會出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象,更重要的是心部應力狀態(tài)差,易產生鍛造缺陷,所以此方案不適合。方案二坯料高徑比小于1,雖然通過坯料鐓粗過程能使鍛件內部結構更加縝密,力學性能提高,減少內部應力的各向異性,但20Cr的硬度相對較高,鐓粗可能會在外圓壁產生縱向裂紋,導致鍛造失敗。方案三通過增大坯料直徑,降低坯料高度,從而去除鐓粗階段,對坯料直接正反復合一次成形,相對方案二,縮短了加工時間,提高了生產效率。綜上所述,通過對方案二和方案三進行數(shù)值模擬分析,確定更加有效的工藝方案。

        2.2 邊界條件設置

        為了減少模擬時間和提高模擬精確程度,將在模擬過程中只采取整體坯料的1/8進行模擬。通過SolidWorks三維畫圖軟件對坯料、凸模和凹模進行三維建模并對其進行裝配,把裝配體保存為STL格式。

        通過DEFORM-3D進行模擬過程中,需要對工藝參數(shù)進行設計和預定,再將正反復合擠壓方式與反擠壓一次成形相對比。其中鍛件材料選用20Cr鋼(AISI-5120),模具則采用4Cr5MoSiV1(AISI-H13)制造。

        具體參數(shù)參考文獻[5]作以下設置:坯料設置為塑性,溫度設置為20 ℃。網格劃分采用精細劃分中的絕對劃分方式,其中Size Ratio為2,Min Element Size為0.3 mm ,劃分網格數(shù)共42 289個;上、下模設置為剛性,溫度設置為20 ℃,上下模的網格劃分通過網格生成器中的相對網格設置功能,上模網格數(shù)共19 558個,下模網格數(shù)共29 230個。坯料與空氣之間的熱傳遞系數(shù)設置為1 N/(s·mm·℃),上下模的硬度設置為HBC50,成形速度設置為20 mm/s,潤滑系數(shù)設置為0.12。

        2.3 成形結果分析

        文中從成形載荷、等效應變、等效應力、鍛件溫度和折疊角等方面進行數(shù)值模擬分析。方案二模擬結果如圖4所示,方案三模擬結果如圖5所示。

        圖4 方案二模擬結果示意圖

        圖5 方案三模擬結果示意圖

        (1)成形載荷

        成形載荷是整個成形過程中最重要因素之一,成形載荷越小,所需擠壓力越小,生產成本越低;同時內部所產生的內應力也會越小,越有利于鍛件的實用性。方案二的最大成形載荷為5×105N,方案三的最大成形載荷為4.78×105N,方案二比方案三增加了4.6%。

        (2)等效應變

        等效應變是用來衡量鍛件變形的重要參數(shù),可以看出:最大值主要出現(xiàn)在圓角和杯壁表面,說明在擠壓過程中此處的變形最為激烈,方案二的等效應變最大值為12.7 mm/mm,方案三的等效應變最大值為14.3 mm/mm,方案二比方案三降低了11.2%。

        (3)等效應力

        等效應力是衡量鍛件變形過程中所受變形力大小的重要參數(shù),最大等效應力值必須大于材料的屈服強度,才能使材料發(fā)生形變,但也必須小于抗拉強度,如果最大等效應力值大于抗拉強度值,坯料將產生斷裂現(xiàn)象。方案二的等效應力最大值為779 MPa,方案三的等效應力最大值為805 MPa,兩者基本相同,均大于20Cr的屈服強度且小于抗拉強度極限,滿足擠壓要求。

        (4)鍛件溫度

        鍛件溫度的高低對模具硬度影響較大,鍛件溫度越高,模具硬度越低,將加大模具與鍛件磨損,造成鍛件表面粗糙度增大和模具使用壽命縮短;又因為鍛件溫度越高,所需冷卻時間越長,生產效率越低,不符合經濟至上理念。方案二的成形溫度最大值為411 ℃,方案三的成形溫度最大值為372 ℃,方案三比方案二降低9.5%。

        (5)折疊角

        折疊角是用來衡量擠壓件出現(xiàn)折疊現(xiàn)象的重要參數(shù),當折疊角大于270°時,鍛件產生折疊的可能性將大大增加。兩個方案最大折疊角都出現(xiàn)在杯形上部,屬于機加工部分。兩方案的最大折疊角基本相同,都在230°左右,小于270°,所以擠壓件出現(xiàn)折疊的可能性非常小。

        綜上所述,分析兩種成形方案的模擬結果可知:兩種方案的成形因素相差不大且都能滿足鍛件的技術要求。但方案二在高徑比小于1的情況下再進行鐓粗工步,加大了鍛件成形操作時間、模具制造成本和軟化處理成本,因此從模擬結果看,用方案三的工藝過程更適合此鍛件生產。

        3 模具設計

        圖6為封閉式正擠壓力機模具結構示意圖,此模具采用雙卸料結構,即上頂出機構和下頂出機構。

        (1)當未進行壓模時,由于凸模套固定圈7和凸模20的定位作用,凸模套8處于定位狀態(tài)。進行壓模時,凸模套8上端依靠凸模墊板4和凸模固定板5的反作用力固定并下壓鍛件,此時上復位彈簧并未達到彈性極限,保證擠壓力能夠滿足鍛件變形力要求。

        (2)擠壓完成后上模上行階段,擠壓件可能會由于熱效應和擠壓作用,被粘在凸模A和凸模套8上時,在壓力機導柱9提高上模板2的過程中,依靠上復位彈簧1的彈性力和凸模套8的自重使凸模套下行把擠壓件與凸模分離,從而使鍛件從凸模中脫落下來。

        (3)為了方便取出擠壓件,傳統(tǒng)鍛壓機中都會存在頂桿裝置,作者設計下復位彈簧12來代替頂桿。當凸模下壓時,頂料桿14依靠凹模墊板13的反作用力使之固定,此時下復位彈簧12并未達到極限狀態(tài);當凸模上行時,下復位彈簧12壓力減小,依靠彈簧彈力把頂料桿14推動上行,自動把擠壓件頂出,不消耗外加能量。

        (4)在正反復合擠壓過程中,由于凹模部分變形量大,產生熱能高,易造成凹模硬度降低,從而導致過度磨損,使模具過早失效,造成經濟損失。在凹模托板15和凹模套固定圈19上開冷卻孔,以便于外接管接頭通入冷空氣或冷水對凹模套18進行冷卻,從而對凹模產生冷卻效果,減小擠壓磨損,增加使用壽命。

        圖6 模具結構示意圖

        4 結論

        (1)通過梭床結構分析,精確計算并確定成形工藝方案。運用DEFORM-3D軟件對3種工藝方案進行數(shù)值模擬。

        (2)通過分析模擬結果,從成形載荷、等效應變、等效應力、鍛件溫度和折疊角等方面研究兩種成形方案的異同點,最終確定采用正反復合一次成形方案更適合此鍛件生產,為此鍛件的實際生產提供了理論方向,具有合理的理論指導意義。

        (3)設計了帶雙卸料機構和冷卻孔的新型模具結構,利用上、下復位彈簧替代原有的頂桿裝置,依靠彈簧自身的變形力使鍛件出模,減少了能量消耗,節(jié)約成本。

        參考文獻:

        [1]王曉強,霍穎,劉瑞秀.冷擠壓設備現(xiàn)狀及發(fā)展[J].鍛壓裝備與制造技術,2007,42(3):28-30.

        WANG X Q,HUO Y,LIU R X.Present Conditions and Development of Cold-Squeezing Equipment[J].China Metalforming Equipment & Manufacturing Technology,2007,42(3):28-30.

        [2]陳偉,陳丹,李炳.縫紉機梭床復合擠壓成形數(shù)值模擬分析[J].鑄造技術,2015,36(10):2 603-2 604.

        CHEN W,CHEN D,LI B.Numerical Simulation and Analysis of Composite Extrusion Process for Sewing Machine Shuttle Bed[J].Foundry Technology,2015,36(10):2 603-2 604.

        [3]全國鋼標準化技術委員會.合金結構鋼:GB/T 3077-2015[S].北京:中國標準出版社,2016.

        [4]洪慎章.冷擠壓實用技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2014:71-84,87-109.

        [5]張莉,李升軍.DEFORM在金屬塑性成形中的應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009:44-90.

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