基于成形過(guò)程的閉塞式冷鍛工藝優(yōu)化*

黃珍媛 章弦 郭雷 阮鋒

(華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510640)

鍛造是一種非常重要的塑性加工方法，主要用于加工機(jī)械、航天航空、交通運(yùn)輸、橋梁建筑等行業(yè)中負(fù)載高、工作條件嚴(yán)峻的重要零部件.閉塞式冷鍛是近年來(lái)發(fā)展十分迅速的一種精密鍛造工藝［1-2］，具有高效率、高性能、低消耗等特點(diǎn);其成形過(guò)程是先將可分凹模閉合，并對(duì)閉合的凹模施加足夠的合模力，然后用一個(gè)沖頭或多個(gè)沖頭，從一個(gè)方向或多個(gè)方向?qū)δＬ艃?nèi)的坯料進(jìn)行擠壓成形［3］.金屬填充性和成形力是衡量閉塞式鍛造工藝質(zhì)量的重要參數(shù)指標(biāo)，優(yōu)化工藝參數(shù)使兩者均達(dá)到最優(yōu)化是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，其影響因素很多，傳統(tǒng)的試錯(cuò)方法很難實(shí)現(xiàn)這種多目標(biāo)的同時(shí)優(yōu)化.近幾年來(lái)，有限元仿真技術(shù)被廣泛應(yīng)用于鍛造工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，取得了很好的效果［4-6］.

金屬填充性和成形力是衡量閉塞式冷鍛工藝成敗的兩個(gè)重要指標(biāo).閉塞式冷鍛成形過(guò)程按照成形特點(diǎn)可以分為兩個(gè)階段.第1階段是初始成形階段，即金屬由開(kāi)始變形至金屬基本充滿模膛，金屬的流動(dòng)和填充主要發(fā)生在這個(gè)階段，但是這個(gè)階段的成形力相對(duì)較小，且增加相對(duì)較慢;第2階段是充滿階段，即第1階段結(jié)束到金屬完全充滿模膛，成形力在這個(gè)階段的結(jié)束時(shí)刻達(dá)到最大，比第1階段增大2～3倍，但是這個(gè)階段金屬的填充量很?。?］.因此，單純?cè)谀硞€(gè)階段同時(shí)考查和優(yōu)化金屬填充性和成形力無(wú)法使冷鍛工藝參數(shù)達(dá)到最佳效果.很多學(xué)者采用多目標(biāo)優(yōu)化方法對(duì)鍛造最終成形過(guò)程進(jìn)行了研究［8-11］.文中將結(jié)合有限元模擬試驗(yàn)和多目標(biāo)優(yōu)化方法，針對(duì)鍛造初始成形過(guò)程和最終成形過(guò)程兩個(gè)不同階段，分別優(yōu)化金屬填充性和成形力，使工藝參數(shù)達(dá)到最優(yōu)值.

1 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究以某聽(tīng)筒零部件T形鐵為例，其基本外形如圖1所示，零件材料為低碳鋼AISI1008，成份與國(guó)產(chǎn)08F相近，被廣泛應(yīng)用于手機(jī)聽(tīng)筒、耳麥、耳塞等小型電聲設(shè)備.

圖1 T形鐵冷鍛件(單位:mm)Fig.1 Cold forging part with T shape(Unit:mm)

考慮到零件尺寸小、形狀簡(jiǎn)單、尺寸精度要求高、需求量很大等特點(diǎn)，實(shí)際生產(chǎn)中該類型的電子零部件常采用級(jí)進(jìn)模精密冷鍛的方式生產(chǎn)［12-15］.針對(duì)該聽(tīng)筒零件特點(diǎn)和級(jí)進(jìn)模特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了如圖2所示的閉塞式冷鍛模具結(jié)構(gòu).該模具結(jié)構(gòu)是在小飛邊模鍛基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的［16］，主要由凸模、凹模、阻力環(huán)組成;在阻力環(huán)與凹模之間形成了飛邊槽高度h;成形過(guò)程中h保持恒定，能容納多余金屬［17-18］，從而起到分流槽或分流孔的作用.

圖2 閉塞式冷鍛模具結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of block-type cold forging die

2 基于基本成形階段的金屬填充性優(yōu)化

選取閉塞式冷鍛工藝的主要工藝參數(shù)作為影響因子，構(gòu)建了表1所示的5因素4 水平正交試驗(yàn)方案，進(jìn)行了16組有限元模擬試驗(yàn)，以金屬填充性(用充填入模膛的金屬體積V表征)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，獲得初始的冷鍛工藝優(yōu)化參數(shù).在有限元模擬中，設(shè)定凸模下壓量為0.5 mm，保證模擬過(guò)程處在初始成形階段，金屬材料未充滿模具型腔.

表1 正交試驗(yàn)方案1)Table 1 Orthogonal test plan

通過(guò)試驗(yàn)獲得了保證填充性能最好的一組工藝參數(shù):a為105°，r為0.8mm，h為0.2mm，μ1為0.08，μ2為0.08.

再次進(jìn)行的模擬試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果也表明，在凸模下壓量約為0.453 mm時(shí)金屬材料已經(jīng)基本流入模膛，此時(shí)的成形力為181kN.

3 基于充滿階段的成形力優(yōu)化

3.1 目標(biāo)函數(shù)值擬合優(yōu)化方法的提出

使用目標(biāo)函數(shù)值擬合方法進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化的過(guò)程如下:在正交試驗(yàn)獲取的優(yōu)化工藝參數(shù)組的基礎(chǔ)上，選擇對(duì)成形力影響最為顯著的工藝參數(shù)項(xiàng)m=xi作為優(yōu)化對(duì)象，利用目標(biāo)函數(shù)值擬合方法得出在保證填充效果的同時(shí)，使成形力達(dá)到最小的m值，從而得到一組最優(yōu)參數(shù)組.

表2列出了金屬填充性和成形力的極差分析值表，結(jié)果表明飛邊槽高度h對(duì)金屬填充性和成形力的影響最顯著，明顯超出其他因素的影響.飛邊槽高度增加，金屬填充性降低，成形力將大大下降，因此以下將選擇飛邊槽高度作為優(yōu)化對(duì)象.

表2 極差分析值Table 2 Range value analysis

3.2 優(yōu)化過(guò)程和結(jié)果

在第一次優(yōu)化工藝參數(shù)組其他參數(shù)項(xiàng)設(shè)置不變的情況下，選取5個(gè)飛邊槽高度值進(jìn)行有限元模擬試驗(yàn).測(cè)量各試驗(yàn)中型腔充滿時(shí)的凸模下壓量s，可以得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示.

表3 飛邊槽高度與凸模下壓量關(guān)系Table 3 Relationship between flash-slot height and reduction of punch moving

對(duì)表3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合，可以得到型腔充滿時(shí)的凸模下壓量s與飛邊槽高度h之間的函數(shù)關(guān)系:

擬合曲線如圖3所示.

圖3 飛邊槽高度和凸模下壓量的擬合曲線Fig.3 Fitting curve of flash-slot height versus reduction of punch

本模具結(jié)構(gòu)所設(shè)定的凸模最大下壓量為0.65mm，但為了保證更好的充滿效果，預(yù)留一定余量，取s=0.6 mm.根據(jù)式(1)可以解得保證型腔充滿的飛邊槽最大高度為0.38 mm.此時(shí)可以得到閉塞式模鍛工藝方案的一組新的優(yōu)化參數(shù)組，為a=105°，r=0.8mm，h=0.375mm，μ1=0.08，μ2=0.08.

采用以上工藝參數(shù)進(jìn)行有限元模擬試驗(yàn).當(dāng)凸模下壓量達(dá)到0.6mm時(shí)的速度場(chǎng)如圖4所示，結(jié)果顯示此時(shí)型腔中的材料基本不再流動(dòng)，型腔達(dá)到充滿狀態(tài).凸模下壓量與成形力的關(guān)系如圖5所示.從圖形中可以看出最大成形力為133 kN，與之前的成形結(jié)果相比，此時(shí)充滿階段的最大成形力下降了26.5%.

圖4 s=0.6mm時(shí)的速度場(chǎng)Fig.4 Velocity field when s=0.6mm

圖5 最終優(yōu)化工藝參數(shù)條件下的成形力曲線Fig.5 Forming load curve related to the final optimum process parameters

4 工藝試驗(yàn)

為了驗(yàn)證文中優(yōu)化方法的正確性，設(shè)計(jì)了工藝試驗(yàn)對(duì)最終優(yōu)化工藝參數(shù)組進(jìn)行物理試驗(yàn).試驗(yàn)用坯料如圖6所示，坯料采用線切割加工.根據(jù)文獻(xiàn)［19］建議，試驗(yàn)中采用油+石墨的潤(rùn)滑方式，以保證摩擦系數(shù)在0.08～0.10的范圍.試驗(yàn)采用不同的凸模下壓量，將零件頭部的成形高度與有限元模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比.

圖6 試驗(yàn)坯料Fig.6 Blank for test

圖7為不同凸模下壓量下零件的實(shí)際成形效果.試驗(yàn)零件頭部的成形高度與有限元模擬結(jié)果的對(duì)比如圖8所示.結(jié)果顯示，有限元模擬結(jié)果與工藝試驗(yàn)結(jié)果基本吻合.因?yàn)樽枇Νh(huán)上的連接橋讓位槽在一定程度上減小了飛邊槽的阻力，使得當(dāng)凸模下壓量超過(guò)0.30mm時(shí)，試驗(yàn)中的成形高度略小于模擬結(jié)果.

圖7 試驗(yàn)樣品Fig.7 Test samples

圖8 試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的對(duì)比Fig.8 Contrast between experimental results and simulated ones

5 結(jié)語(yǔ)

文中提出了一種基于成形過(guò)程的閉塞式冷鍛工藝參數(shù)優(yōu)化方法.該方法首先結(jié)合有限元模擬和正交試驗(yàn)方法，以金屬填充性為優(yōu)化目標(biāo)對(duì)基本填充階段的閉塞式冷鍛成形工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化;然后在此基礎(chǔ)上，以成形力為優(yōu)化目標(biāo)繼續(xù)對(duì)飛邊槽高度進(jìn)行優(yōu)化，得出一組工程上容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化工藝參數(shù).試驗(yàn)結(jié)果顯示，采用優(yōu)化的工藝參數(shù)后，某聽(tīng)筒T形鐵零件的閉塞式冷鍛工藝在保證填充性的基礎(chǔ)上，成形力大大降低.研究結(jié)果表明，該優(yōu)化方法不僅準(zhǔn)確合理，而且簡(jiǎn)單易行，值得在實(shí)際生產(chǎn)中推廣.

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