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        線材鐓粗成形理論研究

        2019-08-15 16:03:02余五新李文強
        汽車實用技術(shù) 2019年15期
        關(guān)鍵詞:高徑吊鉤線材

        余五新,李文強

        (江漢大學(xué) 機電與建筑工程學(xué)院,湖北 武漢 430056)

        引言

        吊鉤用于汽車小件與車身或者底盤的連接。在吊鉤上安裝橡膠套,對汽車車身有減震作用[1]。吊鉤是通過對線材進(jìn)行局部鐓粗后,再折彎成形的。傳統(tǒng)意義上圓柱體的鐓粗是指在兩個平行的平砧之間對坯料進(jìn)行壓縮,使得坯料高度減小,橫截面面積變大[2]。該工藝操作的實現(xiàn)需要上、下模裝置,當(dāng)圓柱體的高徑比H/D≦0.5 時,鐓粗后坯料的變形程度較為均勻;當(dāng)圓柱體的高徑比H/D=0.8~2.0 時,鐓粗后坯料呈現(xiàn)鼓形;當(dāng)圓柱體的高徑比H/D>2 時,鐓粗后坯料呈現(xiàn)雙鼓型;當(dāng)圓柱體的高徑比H/D>3 時,鐓粗時坯料容易失穩(wěn)而彎曲。根據(jù)吊鉤制造的毛坯外形特征,需對其進(jìn)行橫向鐓粗,其成形特征接近于傳統(tǒng)意義上高徑比H/D>3 的圓柱體鐓粗。為避免鐓粗時坯料因失穩(wěn)而彎曲,需對線材所鐓粗部位的相鄰部分進(jìn)行夾緊,然后直接對其進(jìn)行鐓粗。

        1 線材鐓粗成形相關(guān)工藝參數(shù)

        對吊鉤進(jìn)行局部鐓粗時,需確定鐓粗力、夾緊力以及夾持長度等相關(guān)工藝參數(shù)。本研究采用理論計算和數(shù)字模擬相結(jié)合的方式確定線材鐓粗成形相關(guān)工藝參數(shù),即先通過理論公式計算鐓粗力、夾緊力以及夾持長度等相關(guān)工藝參數(shù),同時應(yīng)用Deform 有限元模擬軟件對線材進(jìn)行鐓粗模擬,得到成形效果圖;將模擬得出的鐓粗值與理論計算值進(jìn)行對比,進(jìn)一步為相關(guān)設(shè)備和工藝裝備的設(shè)計提供技術(shù)支撐。

        2 長線材鐓粗各參數(shù)的理論計算

        本研究以一種吊鉤為例,其結(jié)構(gòu)如圖1 所示,該吊鉤材料為Q235,直徑為10mm,設(shè)計有兩個凸臺,端部凸臺和中間凸臺。圖2 為吊鉤的二維尺寸圖。為提高生產(chǎn)效率,需要對兩個凸臺進(jìn)行一次性成形。

        圖1 吊鉤三維模型圖

        圖2 吊鉤二維尺寸圖

        2.1 兩個凸臺成形的鐓粗力計算

        本研究采用的是橫向鐓粗,通過對線材進(jìn)行夾緊從而產(chǎn)生摩擦力以平衡鐓粗力,沒有下模對線材提供支持力,因此鐓粗力與夾緊力都是未知的,無法進(jìn)行計算,所以本設(shè)計采用逆向思維,假設(shè)其是傳統(tǒng)的平砧鐓粗,具有上下模裝置,這樣就很容易計算出鐓粗力了。通過Pro/E 軟件建立的吊鉤三維模型圖[3],測量出端部凸臺的體積V1=888.7mm3,高度h'1=10mm,中間凸臺的體積V2=448.5mm3,高度h'2=3.5mm。已知線材的直徑為10mm,再根據(jù)鐓粗前后線材體積不變原理,計算出鐓粗端部凸臺和中間凸臺的原始高度h1=11.3mm,h2=5.3mm。對于材料Q235 經(jīng)處理的干凈軋制表面時的摩擦系數(shù)μ=0.15,常溫下其屈服應(yīng)力S=235MPa。

        2.1.1 端部凸臺鐓粗力F1的計算

        (變形后坯料的尺寸計算。線材鐓粗后的平均直徑為:

        利用公式:

        計算單位流動壓力和變形力。端部凸臺的凹模入口角為110°,查表[4]可得Kα=0.95,Kh=1.13,為提高模具壽命,使凸模承受較小的單位壓力,對10 鋼~40MnB 材料推薦選用較為合理,本設(shè)計材料為Q235,取。

        鐓粗結(jié)束時的單位流動壓力:

        變形力為:

        2.1.2 中間凸臺鐓粗力F1的計算

        1)變形后坯料的尺寸計算。線材鐓粗后的平均直徑為:

        2)同樣利用端部凸臺的鐓粗力計算公式,查表可得,其中Kα=1.2,Kh=0.9。

        鐓粗結(jié)束時的單位流動壓力:

        變形力為:

        由于兩凸臺成形順序的不可預(yù)測性,本研究假設(shè)兩凸臺同時成形,則最大總鐓粗力F總=F1+F2=184.8KN。

        1.2 對線材的夾緊力以及加持長度的計算

        通過對長線材的軸向進(jìn)行夾緊以產(chǎn)生摩擦力,從而平衡鐓粗力,根據(jù)受力平衡關(guān)系,線材所受的摩擦力大小應(yīng)該等于鐓粗力大小,為保證結(jié)構(gòu)安全,需要對摩擦力乘以一個安全系數(shù),取安全系數(shù)k=1.3,故摩擦力f=240KN,又摩擦因素μ=0.15,根據(jù)公式f=μF 可得,夾緊力F夾=1600KN。

        查表可知,室溫下Q235 的屈服強度為σ=235MPa,設(shè)夾具與線材的接觸表面積為S,則,可得S=6808.5mm2,,l 表示夾持長度,代入數(shù)值可得l=217mm。

        綜上所述,夾緊力F夾=1600KN,夾持長度l=217mm。

        3 吊鉤鐓粗的Deform 有限元模擬分析

        利用Deform 有限元軟件分析大高徑比吊鉤的鐓粗成形過程,通過對數(shù)值模擬結(jié)果的分析,得出各工藝參數(shù)對鐓粗失穩(wěn)及凸臺成形的影響規(guī)律。最后對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,避免產(chǎn)生堆積,凸臺成形不飽滿等缺陷,同時提高模具壽命[5]。在進(jìn)行Deform 有限元模擬分析之時,由于需要對線材進(jìn)行夾緊,同樣,在夾緊力未知的情況下,無法對其進(jìn)行把控,因此先采用上下模結(jié)構(gòu)對線材進(jìn)行鐓粗模擬。模擬得到鐓粗力的大小后,再根據(jù)上式計算出夾緊力以及夾持長度,最后進(jìn)行二次模擬。

        通過Pro/E 建立線材、上模、下模、哈夫塊三維模型,哈夫塊如圖3 所示。轉(zhuǎn)換成stl 格式導(dǎo)入到Deform 軟件中,并調(diào)整好各模型之間的相對位置,如圖4 所示。線材設(shè)置為彈塑性體,上下模以及哈夫塊設(shè)置為剛體。線材的網(wǎng)格劃分與重劃分設(shè)為12000,網(wǎng)格數(shù)量太大會增加模擬時間,降低效率,數(shù)量太小會使模擬精度降低[6]。單元網(wǎng)格選擇四面體,如圖5 所示。停止條件為上模運動距離為26mm。由于采用的是冷鐓,因此鐓粗時的溫度設(shè)置為20℃。在Deform 前處理模塊中,摩擦模型選擇剪切摩擦,其中線材與上下模以及哈夫塊之間的摩擦系數(shù)均為0.12。最終模擬結(jié)果顯示,單位流動壓力為1620MPa,與理論計算值相近,同時成形效果達(dá)到預(yù)期要求,成形效果如圖6 所示。

        圖3 哈夫塊三維模型圖

        圖4 簡易模具成形圖

        圖5 線材網(wǎng)格劃分圖

        圖6 成形效果圖

        4 結(jié)束語

        本研究針對長線材吊鉤的鐓粗一次成形,利用公式計算并且通過Deform 有限元模擬計算鐓粗壓應(yīng)力以及得到成形效果圖,最終結(jié)果顯示公式計算值與有限元模擬值相近,同時模擬的成形效果圖達(dá)到了預(yù)期要求。以上理論研究雖然未考慮鐓粗成形時摩擦力對材料塑性流動的阻礙,但仍能為實際生產(chǎn)制造中相關(guān)設(shè)備的選擇、模具和夾具的設(shè)計以及工藝方案的制定等提供一定的技術(shù)支撐。

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