球頭銷冷鐓工藝

1、汽車球頭銷冷擠壓工藝分析與模具設(shè)計(jì)關(guān)鍵字：球頭銷|鐓擠|模具設(shè)計(jì)|組合凹模|有限元模擬摘要：球頭銷是汽車上的重要連接零件，要求結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，宜采用冷精鍛成形。采用鐓擠加工方法，分析了某汽車球頭銷的成形工藝，對(duì)金屬的塑性變形進(jìn)行了合理分配，完成了加工此零件所需的三個(gè)道次工藝設(shè)計(jì)。同時(shí)，為驗(yàn)證設(shè)計(jì)工藝的合理性，采用有限元模擬手段，對(duì)該球頭銷的鐓擠成形過程進(jìn)行仿真，得到了金屬流動(dòng)的位移場(chǎng)、速度場(chǎng)及應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)。模擬結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的三道次鐓擠工藝方案能夠保證球頭銷的順利成形。1 概 述球頭銷是汽車、拖拉機(jī)上的重要連接零件，物理、力學(xué)性能都有較高要求。過去該零件主要采用切削加工，材料的強(qiáng)度、硬度都得不到保證

2、，實(shí)際使用中經(jīng)常發(fā)生零件損傷而需要不斷更換的現(xiàn)象。目前已普遍采用冷成形方法，即鐓擠成形加工球頭銷，但工藝設(shè)計(jì)主要還是憑經(jīng)驗(yàn)，加工道次的分配、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都還存在不合理的現(xiàn)象，需要深入研究1,2。本文以某型號(hào)汽車用球頭銷為例，材料20Cr，結(jié)合精密冷鍛成形工藝，分析了該零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，完成了三道次鐓擠成形工藝的設(shè)計(jì)。同時(shí)，借助有限元模擬手段，分析了該球頭銷鐓擠工藝的成形過程。模擬結(jié)果表明，鐓擠工藝方案設(shè)計(jì)合理，能保證該零件的成形質(zhì)量。2 球頭銷鐓擠工藝分析與模具設(shè)計(jì)2.1 零件特征分析該球頭銷如圖1所示。從零件圖中可以看出，零件為軸對(duì)稱的回轉(zhuǎn)體，主要由桿部和球頭兩部分組成。在結(jié)構(gòu)特征上，主要包含

3、四個(gè)重要的特征，依次是：9.10 mm的底端桿部;15.0 mm的中間桿部，且與底端桿部連接處為直角過渡;中間桿部一段長(zhǎng)為6mm的六邊形臺(tái)階;桿部頂端，帶有2mm凸緣的球頭部分。由傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)可知，9.10 mm的桿部可采用正擠壓一次成形;下端桿部與中間桿部的直角過渡，若對(duì)其一次成形，則會(huì)造成變形和應(yīng)力分布的不均勻，易產(chǎn)生裂紋。因此，在對(duì)該部分設(shè)計(jì)時(shí)，最好先將直角端面部位設(shè)計(jì)成錐形過渡，圓桿與六邊形的銜接處采用平滑圓弧連接，分成多道次成形出直角過渡部分;對(duì)于中間桿部的六邊形臺(tái)階，宜放在成形的最后一個(gè)道次加工。這是因?yàn)椋糇畛蹙图庸こ鰜恚瑒t也需要對(duì)后面道次的模具加工出相應(yīng)的六邊形臺(tái)階，這顯然增加了模

4、具制造上的工時(shí)和難度;另外，球頭銷的頭部變形量大，不宜一道次成形，最好是能采用預(yù)成形加終成形兩道次來完成3。圖1 汽車球頭銷零件圖2.2 工藝方案確定圖2 球頭銷鐓擠加工工藝方案根據(jù)上述零件特征分析，同時(shí)參考文獻(xiàn)4的模輥鍛工藝方案，擬定鐓擠方案如下：采用三個(gè)加工道次，先完成桿部擠壓，最后加工球頭部分。其中，第一道次正擠圓形坯料，獲得9.10mm的底端桿部;第二道次對(duì)球頭部分進(jìn)行預(yù)鐓成形;最后一道次鐓粗球頭部分，以及中間桿部的六邊形臺(tái)階。整個(gè)加工方案，如圖2所示。圖3 第二道工序模具設(shè)計(jì)總裝圖第二道次的模具設(shè)計(jì)總裝圖,如圖3所示。零件中間桿部的高度要求為14.1 mm，而制件的中間桿部直徑要求為

5、15.0 mm，這里過渡成形為14.75 mm。錐角過渡帶高約為1.8 mm，再加上此道次成形出11 mm的中間桿部，這一道次實(shí)際成形的中間桿部高度約為12.8 mm。由計(jì)算得出的冷鐓力為1958 kN, 單位擠壓力為 1059 MPa，因此采用整體式凹模即可。3 擠壓成形過程有限元模擬為驗(yàn)證優(yōu)化分析的正確性，采用DEFORM-3D有限元模擬軟件，對(duì)各個(gè)工序的擠壓過程進(jìn)行有限元模擬。模擬時(shí)考慮到，模具的變形與坯料的變形相比可以忽略不計(jì)，故將模具當(dāng)作剛體，不計(jì)算其變形及應(yīng)力分布情況。同時(shí)，由于球頭銷是回轉(zhuǎn)體，為減少計(jì)算規(guī)模，模擬時(shí)取整個(gè)模型的1/6分析。另外，由于該零件需要多道次成形，故在模擬時(shí)

6、采用“無縫轉(zhuǎn)接”技術(shù)，將上一道次模擬得到的制件直接轉(zhuǎn)換成下一道次的坯料，從而解決了三道次模擬之間的連續(xù)性問題。3.1 第一道工序模擬第一道次主要擠壓桿部，建立的有限元模型,如圖4所示，桿部正擠成形過程,如圖5所示。圖4 第一道工序有限元模型型穩(wěn)態(tài)擠壓時(shí)金屬的等效應(yīng)力、應(yīng)變分布云圖,如圖6所示。從圖中可以看出，金屬的塑性變形表現(xiàn)出不同時(shí)性，變形主要集中在模具錐角之間的過渡帶部分。變形區(qū)域可分為已變形區(qū)、變形區(qū)和待變形區(qū)三部分，從待變形區(qū)到變形區(qū)的等效應(yīng)力逐漸增大，最大應(yīng)力出現(xiàn)在模具的定徑帶處，已變形區(qū)的應(yīng)力接近于零。圖5 第一道工序成形過程示意圖圖6 穩(wěn)態(tài)擠壓時(shí)金屬的等效應(yīng)力、應(yīng)變分布云圖3.2

7、第二道工序模擬該道次有限元模擬的模型,如圖7所示。從前面的分析可知，該道次主要的目的是對(duì)球頭部分進(jìn)行預(yù)成形。模擬達(dá)到130步時(shí)，坯料的應(yīng)力分布云圖, 如圖8所示。從圖中能看到，此時(shí)的變形主要集中在桿的上部。其中，與凸模接觸的端面部分應(yīng)力較小，而中心部位應(yīng)力較大，中心外側(cè)的應(yīng)力分布介于二者之間，整個(gè)變形區(qū)域成類似x形分布，這顯然符合鐓粗變形的特征。圖7 第二道工序有限元模型圖8 第130步時(shí)應(yīng)力分布云圖3.3 第三道工序模擬最后一道次的有限元模型,如圖9所示。在這一道工序中，主要進(jìn)行球頭銷頭部終成形和六邊臺(tái)階部分的成形。該道次成形過程示意圖,如圖10所示。圖9 第三道工序有限元模型圖10 第三道

8、工序成形過程示意圖變形到140步和192步時(shí)的等效應(yīng)變分布云圖,如圖11所示。從圖中能看出，第140步時(shí)，球頭部分除凸緣外基本成形出來，變形還是呈鐓粗的特征;第192步時(shí)，中間桿部上的直角過渡部分完成成形。由此可見，從變形程度上，該球頭銷中間桿部上的直角過渡部分是最大的成形難點(diǎn)。傳統(tǒng)切削加工會(huì)導(dǎo)致此處的金屬流線被切斷，而采用鐓擠加工時(shí)，較好的保證了此處纖維組織的完整性，從而提高了零件的強(qiáng)度。圖11 第140步和第192步時(shí)的等效應(yīng)變分布云圖圖12載荷-行程曲線該道次成形時(shí)的載荷-行程曲線,如圖12所示。隨著凸模不斷向下運(yùn)動(dòng)，金屬逐漸充滿型腔，擠壓力呈明顯上升趨勢(shì)。當(dāng)凸模運(yùn)行到24mm處時(shí)，球頭

9、銷的主要變形結(jié)束，但還存在少許成形不飽滿的地方。此時(shí)凸模繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，擠壓力出現(xiàn)急劇上升，坯料在很高的變形力作用下充填滿金屬型腔，完成最后的成形。從模擬結(jié)果來看，最后的零件成形飽滿，特別是球頭上的凸緣和中間桿部的六邊形臺(tái)階部分都能達(dá)到零件的成形要求。4結(jié)束語針對(duì)球頭銷的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了先擠壓桿部后鐓粗頭部的三道次鐓擠新工藝方案，完成了成形該零件所需的工藝分析與模具設(shè)計(jì)。采用有限元軟件，模擬了該球頭銷的三道次鐓擠成形過程。有限元模擬驗(yàn)證了三道次工藝方案的合理性，同時(shí)得到了金屬成形時(shí)的材料流動(dòng)規(guī)律，如位移場(chǎng)、應(yīng)力-應(yīng)變場(chǎng)等，這為該零件的模具優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。參 考 文獻(xiàn)1 Santosh Kum

10、ar. Shashi Kant Prasad . Feature-based design of extrusion process using upper-bound and finite element techniques for extrudable shapesJ. Journal of Materials Processing Technology. 155156 (2004) P13651372.2 郝濱海編著.擠壓模具簡(jiǎn)明設(shè)計(jì)手冊(cè)M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社與工業(yè)裝備與信息工程出版中心出版發(fā)行.2006. P3536.3 洪深澤主編.擠壓工藝及模具設(shè)計(jì)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.19

11、96. P 125127.4 羅晴嵐.汽車球頭銷模鍛工藝方案J. 汽車工藝與材料.2005.No 6. P2628.附錄資料：不需要的可以自行刪除閃光對(duì)焊工藝評(píng)定記錄工程名 xxxx試件用部位崗前焊接工藝試驗(yàn)試件編號(hào)HXJ/2017-20851操作人接頭形式/接頭類型閃光對(duì)焊鋼筋規(guī)格HRB400E 14設(shè)備型號(hào)UN-100對(duì)焊機(jī)設(shè)備電壓380V設(shè)備功率U20-3.8-7.6V鋼筋母材爐批號(hào)Y-7032494鋼筋母材復(fù)驗(yàn)報(bào)告編號(hào)HXH/GL2017-03292焊劑/檢查依據(jù)JGJ18-2012一般項(xiàng)目質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)程的規(guī)定試件外觀描述結(jié)果1.對(duì)焊接頭表面應(yīng)呈圓滑、帶毛刺狀，不得有肉眼可見的裂紋。滿足

12、要求合格2.鋼筋與電極接觸處不得有明顯燒傷無明顯燒傷合格3、接頭處的彎折大于2滿足要求合格4、軸線偏移不得大于筋直徑的1/10，且不得大于1mm滿足要求合格力學(xué)性能鋼筋編號(hào)123結(jié)果1.接頭試件拉伸試驗(yàn)625630640合格2.接頭彎曲試驗(yàn)90度未破裂90度未破裂90 度未破裂合格試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)報(bào)告編號(hào)： HXJ/GH2017-06113 ,本試驗(yàn)結(jié)果 合格 。評(píng)定意見結(jié)論： 1、本評(píng)定按JGJ18-2012規(guī)定進(jìn)行準(zhǔn)備、施工和試驗(yàn)； 2、確認(rèn)試驗(yàn)記錄正確，評(píng)定結(jié)果 合格 。閃光對(duì)焊工藝評(píng)定記錄工程名稱：試件用部位崗前焊接工藝試驗(yàn)試件編號(hào)HXJ/2017-20851操作人王福軍接頭形式/接頭類型

13、閃光對(duì)焊鋼筋規(guī)格HRB400E 16設(shè)備型號(hào)UN-100對(duì)焊機(jī)設(shè)備電壓380V設(shè)備功率U20-3.8-7.6V鋼筋母材爐批號(hào)B17687鋼筋母材復(fù)驗(yàn)報(bào)告編號(hào)HXH/GL2017-03107焊劑/檢查依據(jù)JGJ18-2012一般項(xiàng)目質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)程的規(guī)定試件外觀描述結(jié)果1.對(duì)焊接頭表面應(yīng)呈圓滑、帶毛刺狀，不得有肉眼可見的裂紋。滿足要求合格2.鋼筋與電極接觸處不得有明顯燒傷無明顯燒傷合格3、接頭處的彎折大于2滿足要求合格4、軸線偏移不得大于筋直徑的1/10，且不得大于1mm滿足要求合格力學(xué)性能鋼筋編號(hào)123結(jié)果1.接頭試件拉伸試驗(yàn)595590615合格2.接頭彎曲試驗(yàn)90度未破裂90度未破裂90 度未

14、破裂合格試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)報(bào)告編號(hào)： HXJ/GH2017-06082 ,本試驗(yàn)結(jié)果 合格 。評(píng)定意見結(jié)論： 1、本評(píng)定按JGJ18-2012規(guī)定進(jìn)行準(zhǔn)備、施工和試驗(yàn)； 2、確認(rèn)試驗(yàn)記錄正確，評(píng)定結(jié)果 合格 。閃光對(duì)焊工藝評(píng)定記錄工程名稱：試件用部位崗前焊接工藝試驗(yàn)試件編號(hào)HXJ/2017-20851操作人王福軍接頭形式/接頭類型閃光對(duì)焊鋼筋規(guī)格HRB400E 18設(shè)備型號(hào)UN-100對(duì)焊機(jī)設(shè)備電壓380V設(shè)備功率U20-3.8-7.6V鋼筋母材爐批號(hào)172020鋼筋母材復(fù)驗(yàn)報(bào)告編號(hào)HXJ/GL2017-03111焊劑/檢查依據(jù)JGJ18-2012一般項(xiàng)目質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)程的規(guī)定試件外觀描述結(jié)果1.對(duì)焊接

15、頭表面應(yīng)呈圓滑、帶毛刺狀，不得有肉眼可見的裂紋。滿足要求合格2.鋼筋與電極接觸處不得有明顯燒傷無明顯燒傷合格3、接頭處的彎折大于2滿足要求合格4、軸線偏移不得大于筋直徑的1/10，且不得大于1mm滿足要求合格力學(xué)性能鋼筋編號(hào)123結(jié)果1.接頭試件拉伸試驗(yàn)605585585合格2.接頭彎曲試驗(yàn)90度未破裂90度未破裂90 度未破裂合格試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)報(bào)告編號(hào)： HXJ/GH2017-06083 ,本試驗(yàn)結(jié)果 合格 。評(píng)定意見結(jié)論： 1、本評(píng)定按JGJ18-2012規(guī)定進(jìn)行準(zhǔn)備、施工和試驗(yàn)； 2、確認(rèn)試驗(yàn)記錄正確，評(píng)定結(jié)果 合格 。閃光對(duì)焊工藝評(píng)定記錄工程名稱：試件用部位崗前焊接工藝試驗(yàn)試件編號(hào)HXJ

16、/2017-20851操作人王福軍接頭形式/接頭類型閃光對(duì)焊鋼筋規(guī)格HRB400E 20設(shè)備型號(hào)UN-100對(duì)焊機(jī)設(shè)備電壓380V設(shè)備功率U20-3.8-7.6V鋼筋母材爐批號(hào) TA17-06072鋼筋母材復(fù)驗(yàn)報(bào)告編號(hào)HXJ/GL2017-03297 焊劑/檢查依據(jù)JGJ18-2012一般項(xiàng)目質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)程的規(guī)定試件外觀描述結(jié)果1.對(duì)焊接頭表面應(yīng)呈圓滑、帶毛刺狀，不得有肉眼可見的裂紋。滿足要求合格2.鋼筋與電極接觸處不得有明顯燒傷無明顯燒傷合格3、接頭處的彎折大于2滿足要求合格4、軸線偏移不得大于筋直徑的1/10，且不得大于1mm滿足要求合格力學(xué)性能鋼筋編號(hào)123結(jié)果1.接頭試件拉伸試驗(yàn)600

17、605610 合格2.接頭彎曲試驗(yàn)90度未破裂90度未破裂90 度未破裂合格試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)報(bào)告編號(hào)： HXJ/GH2017-06084 ,本試驗(yàn)結(jié)果 合格 。評(píng)定意見結(jié)論： 1、本評(píng)定按JGJ18-2012規(guī)定進(jìn)行準(zhǔn)備、施工和試驗(yàn)； 2、確認(rèn)試驗(yàn)記錄正確，評(píng)定結(jié)果 合格 。閃光對(duì)焊工藝評(píng)定記錄工程名稱：試件用部位崗前焊接工藝試驗(yàn)試件編號(hào)HXJ/2017-20851操作人王福軍接頭形式/接頭類型閃光對(duì)焊鋼筋規(guī)格HRB400E 22設(shè)備型號(hào)UN-100對(duì)焊機(jī)設(shè)備電壓380V設(shè)備功率U20-3.8-7.6V鋼筋母材爐批號(hào)704-1403 鋼筋母材復(fù)驗(yàn)報(bào)告編號(hào)HXJ/GL2017-03298焊劑/檢查依

18、據(jù)JGJ18-2012一般項(xiàng)目質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)程的規(guī)定試件外觀描述結(jié)果1.對(duì)焊接頭表面應(yīng)呈圓滑、帶毛刺狀，不得有肉眼可見的裂紋。滿足要求合格2.鋼筋與電極接觸處不得有明顯燒傷無明顯燒傷合格3、接頭處的彎折大于2滿足要求合格4、軸線偏移不得大于筋直徑的1/10，且不得大于1mm滿足要求合格力學(xué)性能鋼筋編號(hào)123結(jié)果1.接頭試件拉伸試驗(yàn)615595605合格2.接頭彎曲試驗(yàn)90度未破裂90度未破裂90 度未破裂合格試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)報(bào)告編號(hào)： HXJ/GH2017-06085 ,本試驗(yàn)結(jié)果 合格 。評(píng)定意見結(jié)論： 1、本評(píng)定按JGJ18-2012規(guī)定進(jìn)行準(zhǔn)備、施工和試驗(yàn)； 2、確認(rèn)試驗(yàn)記錄正確，評(píng)定結(jié)果 合格 。閃光對(duì)焊工藝評(píng)定記錄工程名稱：試件用部位崗前焊接工藝試驗(yàn)試件編號(hào)HXJ/2017-20851操作人王福軍接頭形式/接頭類型閃光對(duì)焊鋼筋規(guī)格HRB400E 25設(shè)備型號(hào)UN-100對(duì)焊機(jī)設(shè)備電壓380V設(shè)備功率U20-3.8-7.6V鋼筋母材爐批號(hào)T17-3559 鋼筋母材復(fù)驗(yàn)報(bào)告編號(hào)HXJ/GL2017-03299焊劑/檢查依據(jù)JGJ18-20