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1 防止活塞銷冷擠壓工藝中出現(xiàn)流動(dòng)缺陷的新方法 D J Lee D J Kim B M Kim 精密機(jī)械工程系 研究生院 釜山國(guó)家大學(xué) 釜山 韓國(guó) 機(jī)械設(shè)計(jì)工程部門 研究生院 釜山國(guó)家大學(xué) 釜山 韓國(guó) 機(jī)械工程系 工程研究中心 釜山國(guó)家大學(xué) 釜山 韓國(guó)編號(hào) 3 Janjeon 董 Kumjeong 顧 釜山 609 735 韓國(guó) 摘要 這份報(bào)告主要研究的是作為汽車零部件之一的活塞銷的流動(dòng)缺陷 在聯(lián)合冷擠 壓制活塞銷的工藝中 起皺就是一種流動(dòng)缺陷 它是由死金屬區(qū)引起的 具有這種 缺陷的部件帶有很明顯的外部特征 特征是被一微小而且厚的塊狀物嵌入材料中 這種缺陷對(duì)保證尺寸精度和降低材料損失是不利的 活塞銷的這種缺陷對(duì)于其強(qiáng)度 和疲勞壽命也有不利的影響 因此 在工藝設(shè)計(jì)的早期預(yù)測(cè)并防止這種缺陷是非常 重要的 防止其產(chǎn)生的最好方法就是通過控制材料流動(dòng)來(lái)限制或減少死金屬區(qū) 有 限元模擬分析方法被應(yīng)用于流動(dòng)缺陷研究分析當(dāng)中 這份研究報(bào)告提出了通過去除 死金屬區(qū)防止產(chǎn)生流動(dòng)缺陷的新工藝方法 有限元分析法 將有限元分析的結(jié)果 與實(shí)驗(yàn)結(jié)果做比較 結(jié)果表明有限元分析的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合 關(guān)鍵詞 流動(dòng)缺陷 活塞銷釘 材料流動(dòng)控制 前后雙向冷擠壓 死金屬區(qū) 有限元分 析 1 序言 冷加工是一種及其重要而且經(jīng)濟(jì)的加工方法 尤其對(duì)于大批量制件的加工 其 優(yōu)點(diǎn)更為突出 由于冷加工具有高的成品率 精確的尺寸精度 良好的表面光潔度 優(yōu)良的機(jī)械加工性和冶金工藝性等優(yōu)點(diǎn) 因此冷加工是工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中應(yīng)用最為廣泛 的零件加工工藝 冷鍛制件廣泛應(yīng)用于飛機(jī)制造 摩托車 螺母和螺栓等生產(chǎn)制造 但是 冷鍛 制件也有可能產(chǎn)生缺陷 這主要取決于金屬材料的變形過程 成形加工的外部條件 2 和材料的流動(dòng)方式等 可延伸的裂紋缺陷是由材料的引應(yīng)力狀態(tài)和變形過程引起的 流動(dòng)缺陷是由不穩(wěn)定的材料流動(dòng)引起的 低的尺寸精度是由低的模具尺寸精度和摩 擦情況引起的 總之 鍛壓制件的缺陷主要包括兩類 分別是內(nèi)部缺陷和外部缺陷 這些缺陷危害到產(chǎn)品的質(zhì)量和制造成本 因此 在工藝設(shè)計(jì)中的早期預(yù)防是非 常重要的 利用有限元分析法中的不同可用標(biāo)準(zhǔn)來(lái)研究大型鍛件的可延伸裂紋缺陷 KIM 和 KIM 對(duì)兩道加強(qiáng)筋進(jìn)行冷擠壓件的內(nèi)部和外部缺陷研究 并還在進(jìn)行一種防 止產(chǎn)生這些缺陷的加工工藝設(shè)計(jì) 這份報(bào)告是一份關(guān)于汽車活塞銷產(chǎn)生的缺陷的測(cè)試報(bào)告 而這種活塞銷是采用 前后雙向聯(lián)合擠壓的方式支撐的 這份報(bào)告中也提出了新的工藝方法可在工藝設(shè)計(jì) 的早期防止產(chǎn)生流動(dòng)缺陷 而這些新工藝方案是通過有限元分析研究得出的 實(shí)驗(yàn) 證明 這些新工藝方案是可行的 2 成形工藝與缺陷形成分析 2 1 成形工藝 活塞銷是汽車零部件當(dāng)中用來(lái)連接活塞與曲軸的并傳遞動(dòng)力的部件 當(dāng)采用冷 沖壓制活塞銷時(shí) 設(shè)計(jì)要求必須保證前后雙向沖壓時(shí)具有相同的高度并且不能出現(xiàn) 鍛壓缺陷 因?yàn)榛钊N在周期性大載荷作用下工作 制作活塞銷的材料是 AISI 4135H 合金鋼 它具有如下材料流動(dòng)性 768 06 0 139 潤(rùn)滑措施是采用潤(rùn) 滑油類的磷鍍?cè)诨钊N表面進(jìn)行潤(rùn)滑 經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試摩擦系數(shù) M 為 0 1 加工活塞銷釘以前用的是多步驟加工法 如圖 3 所示 前兩步通過導(dǎo)圓角和沖 出非圓形的基準(zhǔn)孔等預(yù)處理工序來(lái)減少缺陷的產(chǎn)生 從而可以提高尺寸精度和模具 壽命 第三步和第四步相同 分別是從前后雙向沖出圓形的腹板 最后一步是修整 工序 從而得到活塞銷的形狀 然而 用普通加工方法加工的結(jié)果顯示 第三步的 早期會(huì)在腹板部位形成缺陷 更嚴(yán)重的是在缺陷產(chǎn)生的部位出現(xiàn)了一種不一致的流 動(dòng)形式 這種形式是一種非常壞的流動(dòng)形式的延伸 3 圖 1 活塞銷釘?shù)男螤詈统叽?圖 2 活塞銷釘?shù)牧鲃?dòng)缺陷 圖 3 活塞銷釘傳統(tǒng)的形成過程 2 2 用有限元分析預(yù)測(cè)缺陷的產(chǎn)生 塑性變形組織分布和有效應(yīng)力對(duì)比圖的應(yīng)用 暗示著有限元精密塑造程序在成 形與缺陷分析領(lǐng)域中的商業(yè)價(jià)值 最初的坯料直徑為 30mm 深度為 61mm 最終成品 的體積為 43 118 這種成形工藝看上去類似于普通加工結(jié)果 最大的裂縫值可以結(jié)算出斷裂缺陷產(chǎn)生的可能性 在這個(gè)沖壓過程中 其大小 只有 0 08mm 而且分布在坯料和沖床活塞沖頭接觸的端部 因此 可以避免流動(dòng)缺 陷的產(chǎn)生 因此這種缺陷并不能產(chǎn)生可延展的裂紋 金屬流動(dòng)的流線圖是由 Altan 和 Knoerr 提出的 他們正在從事這種缺陷的分析研究 隨著沖頭沖壓深度的增加 劇烈變動(dòng)的流線出現(xiàn)了不同的流動(dòng)速度 從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中缺陷的產(chǎn)生 如圖 5 所示 所以金屬流動(dòng)只出現(xiàn)在第四步的反向沖壓而不出現(xiàn)在正向沖壓 并且在靠近腹 板處的金屬被拔起形成一條筋 很像是重疊缺陷 因此 活塞銷的流動(dòng)缺陷產(chǎn)生并 發(fā)展的原因是 正反沖壓時(shí)由于死金屬區(qū)域產(chǎn)生而造成的金屬流動(dòng)速度的不同 這 4 種現(xiàn)象在像活塞銷這種薄壁件沖出尺寸精度高 材料損耗少的孔的制件中是非常明 顯的 對(duì)于活塞銷這類工作溫度高 載荷大而且為交變載荷的零件來(lái)說 這種流動(dòng) 缺陷的產(chǎn)生會(huì)對(duì)其強(qiáng)度和疲勞壽命產(chǎn)生有害的影響 因此 有必要研究一種新工藝 來(lái)防止產(chǎn)生流動(dòng)缺陷 圖 4 有效的負(fù)荷和裂縫價(jià)值的關(guān)系 圖 5 金屬流動(dòng)和速度的關(guān)系 3 防止缺陷的工藝分析與設(shè)計(jì) 流動(dòng)缺陷產(chǎn)生的原因是金屬限制死金屬區(qū)域的流動(dòng) 為了在傳統(tǒng)工藝中早期的 沖壓部位 第三步 消除死金屬區(qū) 正沖壓或反沖壓工藝被改為聯(lián)合正反沖壓工藝 這種工藝在兩個(gè)完全相反的方向上同時(shí)進(jìn)行同樣地動(dòng)作 由于正反兩向不同的沖壓 率和沖壓長(zhǎng)度 要使兩個(gè)方向上同時(shí)完成材料流動(dòng)是很困難的 因此在提前完成材 料流動(dòng)就會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)工藝一樣出現(xiàn)的死金屬區(qū) 因此 在活塞銷成形這種情況下 兩個(gè)方向的沖壓率和沖壓長(zhǎng)度都是 1 89 和 5 51mm 目前 一項(xiàng)關(guān)于活塞銷的沖壓長(zhǎng)度的調(diào)查研究正在進(jìn)行開模正反沖壓工藝的 分析 兩個(gè)方向上的沖壓長(zhǎng)度是不同的 正向沖壓長(zhǎng)度長(zhǎng)為 24 9mm 反向沖壓長(zhǎng)度 如圖 6 所示要比正向的短 反向金屬流動(dòng)必須強(qiáng)制性的被限制才能滿足設(shè)計(jì)要求 而這就意為著死金屬區(qū) 會(huì)產(chǎn)生 因此 要想在兩個(gè)方向上得到相同的沖壓長(zhǎng)度 提出了三種控制金屬流動(dòng) 的方法 這三種方法都不同程度的強(qiáng)制限制金屬流動(dòng) 圖 6 反向沖壓長(zhǎng)度 3 1 改變初加工的形狀 在正反雙向沖壓之前 為了保證從腹板中心處起正反兩個(gè)方向的沖壓長(zhǎng)度相等 就得要求初加工要將反向沖壓筋的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)與雙向沖壓長(zhǎng)度 24 9mm 有所不同 圖 7 展示了這種改進(jìn)的工藝的結(jié)果 圖 8 展示了在這種情況下采用正反雙向沖壓工藝時(shí) 最后一步中金屬的流動(dòng) 從模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以得出 兩個(gè)方向的沖壓筋的長(zhǎng)度都 是 51mm 這恰好滿足設(shè)計(jì)要求和活塞銷的尺寸要求 另外 死金屬區(qū)的金屬流動(dòng)形 式相同 而不像采用普通加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)缺陷 而且在兩個(gè)方向上的流動(dòng)速度也 是連續(xù)變化的 這就意為著金屬流動(dòng)在整個(gè)過程中是一致的 不會(huì)出現(xiàn)限制其流動(dòng) 的死金屬區(qū) 6 圖七 多級(jí)樣板的修改過程 圖八金屬網(wǎng)的流動(dòng) 3 2 驅(qū)動(dòng)沖壓模膛 驅(qū)動(dòng)模膛工藝被用來(lái)控制金屬流動(dòng)從而滿足設(shè)計(jì)要求 這種設(shè)備采用向相反方 向運(yùn)動(dòng)的模膛先與已經(jīng)沖壓成形的一側(cè)接觸 如圖 9 所示 這樣就有助于加快后沖 壓方向上的金屬流動(dòng)而減慢先沖壓方向上的金屬流動(dòng)速度 采用這種工藝制作的活 塞銷 由于反方向沖壓提前完成 而此時(shí)活塞正沿著這個(gè)方向移動(dòng)從而增加了金屬 沿著這個(gè)方向的流動(dòng) 這個(gè)工藝的首要變化因素是沖頭與活塞的相對(duì)速率和金屬材 料與活塞之間的摩擦條件 在這個(gè)研究中 由于摩擦系數(shù) m 0 1 在毛胚材料和模膛之間 模擬實(shí)驗(yàn)只 與相對(duì)速率這一變量有關(guān) 如果相對(duì)速率小于滿足同時(shí)成型最合適的速率 則在反 向方向上的沖壓過程就會(huì)比正向沖壓提前完成 這樣的話就會(huì)像采用普通加工一樣 在相同部位產(chǎn)生流動(dòng)缺陷 相反 如果相對(duì)速率大于最適宜的速率 則正向沖壓過 程就會(huì)比反向沖壓過程提前完成 這樣就會(huì)在相反地部位產(chǎn)生缺陷 因此 為了滿足設(shè)計(jì)要求 采用半分法可以找出最佳的相對(duì)速率 從結(jié)果來(lái)看 最佳的相對(duì)速率是 0 48 圖 10 和 11 顯示了相對(duì)速率分別為 0 1 0 48 1 0 時(shí)采 用一次沖壓變形過程和金屬流動(dòng)情況 圖 11 c 顯示了當(dāng)采用最佳相對(duì)速率 0 48 時(shí)的金屬流動(dòng)形式 它記錄了一個(gè)可以防止缺陷產(chǎn)生的流動(dòng)形式 7 圖 9 軸向移動(dòng)的箱體示意圖 圖 10 根據(jù)相對(duì)速度比率變化的活塞銷釘形態(tài) 圖 11 根據(jù)相對(duì)速度比率比較的金屬 3 3 修改模具結(jié)構(gòu) 這種被提出的修改模具結(jié)構(gòu)的工藝可以限制金屬在反方向上的流動(dòng) 而在 這個(gè)方向上容易提前完成變形 從而可以實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)方向上同時(shí)完成變形 采 用這種工藝時(shí) 為了能在兩個(gè)方向上同時(shí)完成變形過程而得到相同的變形長(zhǎng)度 卸料器又被設(shè)計(jì)者重新采用 它是一種使沖頭從制件中抽出的裝置 如果采用 普通加工工藝中的固定式卸料器 則由于材料流動(dòng)受到限制 會(huì)出現(xiàn)死金屬區(qū) 而此時(shí)產(chǎn)生的部位與采用雙向沖壓時(shí)產(chǎn)生在中間位置不同 8 因此 一種利用彈簧彈力的結(jié)構(gòu)可以推遲金屬材料沿反方向的流動(dòng) 圖 12 顯示了這種模具結(jié)構(gòu) 采用這種方法 選用合適的彈簧彈力對(duì)于滿足變形同時(shí) 完成的要求來(lái)講是很重要的 因而有限元模擬可以計(jì)算出這種必要地彈力 從 模擬結(jié)果來(lái)看 需要給卸料器施加 5 噸的彈力 圖 13 展示了這種工藝下金屬流 動(dòng)形式 與其它改進(jìn)的工藝方法相比 這種工藝在死金屬區(qū)沒有出現(xiàn)不連續(xù)的 流動(dòng)速度 此處的金屬流動(dòng)形式是相同的 圖 12 使用沖壓模板的凹模模子結(jié)構(gòu)示意圖 圖 13 使用沖壓模板的金屬流動(dòng) 4 結(jié)果和實(shí)驗(yàn) 通過有限元分析法分析出的三種方法中是適合防止金屬的流動(dòng)缺陷 每個(gè)方法 的情況如下 第一種方法是初步加工的產(chǎn)品需要三級(jí)過程 預(yù)制 正反壓擠 穿孔 并且有一個(gè)簡(jiǎn)單的模具結(jié)構(gòu) 第二方法是使用沿軸方向移動(dòng)的沖孔模板 第三種方 法是軸向移動(dòng)的箱體需要二級(jí)過程 前后壓擠 穿孔 并且有一個(gè)復(fù)雜的模具結(jié)構(gòu) 關(guān)于在里面形成的負(fù)荷 這三個(gè)方法都非常相似 特別是在沿軸方向移動(dòng)的大約10噸的箱體情況下形成最大的負(fù)荷比其他方法小 因?yàn)樵诖┛走^程中沿軸方向移動(dòng)的箱體會(huì)增加材料的流動(dòng) 通過表1分析出的方法為 形成做出了比較 在這項(xiàng)研究過程中 一個(gè)用在初步加工產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)被進(jìn)行 并且 為了證實(shí)模擬結(jié)果所以使用一個(gè)250噸能力的多級(jí)樣板 在穿孔之前 為了金屬的觀 察蝕刻流動(dòng)能夠正常被進(jìn)行 所以必須為活塞銷做一個(gè)流動(dòng)缺陷檢查 圖14就是表 示這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果 這種方法改變了初步加工的產(chǎn)品 實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了在缺陷區(qū)域內(nèi) 金屬流動(dòng)的缺陷是相同的 并且滿足形成同時(shí)完成和在兩個(gè)擠壓方向長(zhǎng)度相同 這 9 種過程和模擬的結(jié)果相符 傳統(tǒng)方法 初步加工的產(chǎn)品的使用 沖壓模板的使用 移動(dòng)箱體的用途 最大負(fù)荷 噸 97 2 96 3 96 1 84 0 擠壓的過程 2個(gè)階段 2個(gè)階段 1個(gè)階段 1個(gè)階段 缺陷 存在 不存在 不存在 不存在 表1 各個(gè)方法的比較 圖14 對(duì)流動(dòng)缺陷的消除 5 結(jié)論 在這項(xiàng)研究過程中 流動(dòng)缺陷過程和預(yù)防缺陷的過程都已經(jīng)被有限元分析重新 設(shè)計(jì) 缺陷的原因已經(jīng)被分析 并且通過分析已經(jīng)模擬出了結(jié)果 從模擬結(jié)果中 可以看出 有限元分析方法是可以防止流動(dòng)缺陷并且滿足生產(chǎn)過程中控制材料的流 動(dòng)狀態(tài) 通過有限元分析的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果做比較 可以得出以下幾個(gè)結(jié)論 1 活塞銷里存在流動(dòng)缺陷的原因是材料限制死金屬區(qū)域的流動(dòng) 消除這個(gè)區(qū) 域最重要的是控制材料的流動(dòng) 2 初步加工的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和改變模具結(jié)構(gòu)是使用軸向運(yùn)動(dòng)的擠壓箱來(lái)消除擠壓 過程中出現(xiàn)的流動(dòng)缺陷 3 被提出的方法滿足了工藝的要求 向前擠壓的長(zhǎng)度部分和落后的部分都是 相同的 這些已經(jīng)由實(shí)驗(yàn)所證實(shí) 10 參考文獻(xiàn) 1 T Altan S I Oh L Gegel Metal forming ASM 1983 2 T Okamoto T Fukuda H Hagita Source Book on Cold Forming ASTM 1997 pp 216 226 3 S W Oh T H Kim B M Kim J C Choi KSME 19 12 1995 3121 3129 4 R C Batra N V Nechitailo Int J Plast 13 4 1997 291 306 5 A S Wifi A Abdel Hamid N El Abbasi J Mater Process Technol 77 1998 285 293 6 D J Kim B M Kim J KSTP 8 6 1999 612 619 7 D C Ko Pusan National University Dissertation 1998 8 T Altan M Knoerr J Mater Process Technol 35 1992 275 302 9 K Osakata X Wang S Hanami J Mater Process Technol 71 1997 105 112