小圓角復(fù)雜截面帶輪沖鍛成形工藝分析

王久林,李向博,孫建輝,薛克敏

(合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,合肥230009)

小圓角復(fù)雜截面帶輪沖鍛成形工藝分析

王久林,李向博,孫建輝,薛克敏

(合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,合肥230009)

目的探索擁有極小圓角的某復(fù)雜截面帶輪的成形工藝。方法根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),先后制定了三種成形方案,利用有限元技術(shù)對(duì)每一方案展開(kāi)數(shù)值模擬分析,最后進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果一道次成形時(shí)零件中心側(cè)壁易出現(xiàn)破裂缺陷;采用兩道次成形時(shí),整形道次零件上的極小內(nèi)圓角處易出現(xiàn)削料現(xiàn)象。結(jié)論采用正反復(fù)合拉深→預(yù)成形→終整形的三道次成形方案,所得零件成形效果較好,沒(méi)有出現(xiàn)金屬折疊、削料現(xiàn)象。

帶輪;沖鍛成形;極小圓角;有限元模擬

隨著汽車(chē)、飛機(jī)、船舶等工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展,金屬塑性加工技術(shù)已不再僅僅局限于成形出零件,更需要考慮省料、節(jié)能環(huán)保、高效、低成本生產(chǎn)等。由此,在傳統(tǒng)成形工藝基礎(chǔ)上逐步開(kāi)發(fā)出了各種近凈成形技術(shù),所得零件可做到少切削甚至無(wú)切削、精度高,由于保留了金屬流線,零件綜合性能好。

沖鍛成形工藝作為近凈成形技術(shù)的一種,其是一種復(fù)合塑性成形工藝,兼具了冷沖壓和擠壓兩大塑性加工方法的優(yōu)點(diǎn),特別適用于加工截面形狀復(fù)雜、壁厚差異大、面積大的零件[1—4]。自20世紀(jì)90年代日本學(xué)者首次提出沖鍛工藝之后,其在日本、德國(guó)和美國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家得到快速發(fā)展,廣泛應(yīng)用到航空航天、汽車(chē)、船舶等領(lǐng)域。

Yangling Ma等人[5]采用液壓和擠壓復(fù)合的沖鍛工藝制備出了純鋁空心齒輪軸。H.C.Wu等人[6]利用沖鍛工藝加工出具有小圓角的離合器輪轂。Z.Q. Sheng等人[7]也利用沖鍛工藝加工出鎂合金變厚度的薄壁碗形件。國(guó)內(nèi)關(guān)于沖鍛工藝的起步稍晚,但也應(yīng)用該工藝成形出了方盒型件[8—9]、齒形離合器轂體[10]、飛輪盤(pán)[11]、帶輪[12]等復(fù)雜零件。

文中以擁有極小圓角的某復(fù)雜截面帶輪為研究對(duì)象,借助有限元軟件對(duì)沖鍛成形工藝進(jìn)行數(shù)值模擬分析,觀察成形過(guò)程,預(yù)測(cè)缺陷,確定合適的成形工藝方案,并開(kāi)展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 成形方案

1.1 零件結(jié)構(gòu)分析

圖1為帶輪零件尺寸和三維模型,可見(jiàn),該零件為一典型回轉(zhuǎn)體件,最大直徑達(dá)到180 mm,截面形狀復(fù)雜;且不同位置存在顯著的厚度差,Ⅰ區(qū)厚度最大,達(dá)到5.1 mm,Ⅱ區(qū)壁厚最小,僅為3.75mm;此外,該零件還存在半徑僅為1.5 mm的圓角,這些極小圓角的存在顯著增加了帶輪零件直接成形的難度。

圖1 零件圖Fig.1 The sketch of the part

此類(lèi)帶輪零件的傳統(tǒng)加工方法主要有:鑄件或鍛坯機(jī)械加工成形、沖壓焊接組合成形、沖壓脹形成形法等。但這些工藝存在工序繁多、生產(chǎn)率和材料利用率低,而且零件的變壁厚和極小圓角等區(qū)域難以成形,即使通過(guò)沖壓成形出零件形狀,仍需機(jī)械加工出厚度差的結(jié)構(gòu),造成材料浪費(fèi),且切斷金屬流線,零件壽命低。沖鍛復(fù)合成形工藝的提出為該類(lèi)零件的直接成形提供新思路和新方法,即先拉深出零件形狀,然后再擠壓出零件的變厚度特征。

1.2 成形方案

為探索適合于該帶輪零件的成形工藝,先后提出了3種沖鍛成形方案:①正反復(fù)合拉深一道次成形;②預(yù)成形→終整形的兩道次成形;③正反復(fù)合拉深→預(yù)成形→終整形的三道次成形。

1.3 拉深過(guò)程中零件的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)

為便于分析帶輪沖鍛成形過(guò)程的變形特征,圖2給出了拉深件各部位的應(yīng)力應(yīng)變分布狀態(tài)。由圖可知:拉深過(guò)程中工件A,B,C,D,E五個(gè)區(qū)域的受力和變形特征各不相同,其中D區(qū)為凸模圓角處,變形量小,加工硬化程度低,且材料受較大的σ1,σ3作用,壁厚易減薄,往往是拉深件發(fā)生破裂的“危險(xiǎn)區(qū)域”;底部E區(qū)材料盡管也受σ1,σ3兩向拉應(yīng)力作用,但凸模圓角處的摩擦制約了材料的流動(dòng),因此E區(qū)壁厚僅發(fā)生輕微減薄。

圖2 拉深件各部位應(yīng)力應(yīng)變Fig.2 The stress and strain at different positions of the drawing part

2 有限元模擬分析

2.1 坯料尺寸的確定

根據(jù)該零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),確定選用圓形坯料,因此影響零件成形質(zhì)量?jī)?yōu)劣的關(guān)鍵因素在于坯料直徑和厚度的確定。

零件體積V≈128 341 mm3,設(shè)初始圓形坯料直徑為D坯,零件直徑為D件,當(dāng)D坯=D件=180 mm,此時(shí)坯料厚度H≈5.046 mm;則坯料厚度可由以下原則選取:

1)D坯＞D件,即H＜5.046 mm,初始坯料厚度H越小,Ⅰ區(qū)增厚至5.1 mm越困難。

2)D坯＜D件,即H＞5.046 mm,增加H,Ⅰ區(qū)增厚量減小,但H過(guò)大(＞5.1 mm),與Ⅲ區(qū)法蘭厚度(4.5 mm)相差越大,后續(xù)擠壓時(shí)該區(qū)的壓下量和接觸面積均較大,成形載荷高。

綜合考慮成形質(zhì)量和載荷因素,選定坯料厚度為零件的最大厚度5.1 mm,則D坯=179 mm。

2.2 模擬工藝參數(shù)

有限元模擬分析采用1/8幾何模型,模擬參數(shù)如下:成形溫度室溫25℃,坯料設(shè)為塑性體,尺寸φ179 mm×5.1 mm,材料AISI-1010,密度7.85 g/cm3,抗拉強(qiáng)度為335 MPa,彈性模量210 GPa,泊松比為0.3;模具為剛性體,凸模下行速度8 mm/s,摩擦因數(shù)為0.12。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 一道次成形方案

圖3為正反復(fù)合拉深一道次成形模擬結(jié)果,由圖3a可知:零件Ⅱ區(qū)直壁發(fā)生過(guò)度減薄斷裂缺陷,這是由于帶輪在正反復(fù)合拉深成形過(guò)程中,Ⅱ區(qū)直壁金屬受強(qiáng)烈的拉應(yīng)力作用,而坯料邊緣的法蘭部位金屬往中心補(bǔ)料困難,由此造成Ⅱ區(qū)直壁發(fā)生過(guò)度減薄。此外,從圖3b的金屬流動(dòng)場(chǎng)可發(fā)現(xiàn)凸凹模平臺(tái)的極小圓角相當(dāng)于沖裁模的切口,在直壁破裂處金屬流動(dòng)方向相反。

圖3 一道次模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of one-step program

3.2 兩道次成形方案

針對(duì)一道次成形方案存在的破裂缺陷,提出預(yù)成形→終整形的兩道次成形方案,即先將極小圓角處的半徑加大,且增設(shè)凸凹模斜度進(jìn)行預(yù)成形(見(jiàn)圖4),然后再進(jìn)行終整形。

圖4 預(yù)成形Fig.4 Pre-forming

圖5 為兩道次成形結(jié)果,由圖5a可知:由于加大了凸凹模圓角半徑,避免了一道次成形時(shí)的沖裁問(wèn)題,且模具增設(shè)成形斜度后,金屬的流動(dòng)充填更加順利。然而在后續(xù)整形過(guò)程中,零件Ⅱ區(qū)直壁金屬仍存在削料、過(guò)度減薄缺陷(如圖5b所示),這是由于整形時(shí)凸凹模圓角半徑過(guò)小(僅為1.5 mm),且凸模下行過(guò)程中該圓角部位首先與坯料接觸,接觸面積小,應(yīng)變集中程度高,仍存在沖裁現(xiàn)象。

圖5 兩道次模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results of two-step program

3.3 三道次成形方案模擬

針對(duì)兩道次成形方案在整形工序存在的削料、減薄缺陷,提出正反復(fù)合拉深→預(yù)成形(加大凸凹模圓角半徑,見(jiàn)圖6)→終整形的三道次成形方案,如圖7所示。

圖6 預(yù)成形Fig.6 Pre-forming

圖7 三道次方案工藝過(guò)程Fig.7 The process of three-step program

圖8 為三道次成形結(jié)果。由圖可知:采用三道次成形方案成功制備出了形狀尺寸滿足要求的零件,零件Ⅱ區(qū)直壁不存在過(guò)度減薄現(xiàn)象,且極小圓角充填完整。

3.4 預(yù)成形凸凹模圓角半徑的影響

在三道次成形方案中,由于第一工序的正反復(fù)合拉深時(shí)凸凹模圓角半徑和斜度α,β均較大,此時(shí)類(lèi)似于板材彎曲成形,變形量不大且均勻分布,因此該工序?qū)罄m(xù)零件的成形影響不是很大。相比之下,第二工序預(yù)成形的凸凹模圓角半徑Rx,Ry的大小(圖5)對(duì)最后零件整形質(zhì)量的優(yōu)劣具有顯著影響。由前面兩道次成形方案可知凸模圓角半徑Ry越小,則預(yù)成形時(shí)凸模首先與金屬接觸的面積越少,凸模的沖裁現(xiàn)象越嚴(yán)重,有可能導(dǎo)致削料缺陷的產(chǎn)生,因此凸模圓角不宜過(guò)小。

圖8 三道次成形模擬結(jié)果Fig.8 The simulation results of three-step program

表1所示為預(yù)成形凸凹模圓角半徑對(duì)零件成形效果的影響,由表1可知,若預(yù)成形凹模圓角Rx過(guò)小(Rx=5 mm),在預(yù)成形階段零件即發(fā)生削料缺陷,因此凹模圓角半徑不宜過(guò)小。當(dāng)凹模圓角半徑Rx過(guò)大(Rx=9 mm),盡管預(yù)成形階段零件成形效果較好,沒(méi)有出現(xiàn)明顯缺陷,但由于預(yù)成形的Rx=9 mm與零件最終圓角半徑1.5 mm相差太大,在整形階段出現(xiàn)了削料、過(guò)度減薄缺陷。此外,當(dāng)凸模圓角半徑Ry過(guò)大(Ry=11.5 mm),預(yù)成形階段聚料過(guò)多且與終整形的圓角半徑(3 mm)相差太大,在整形過(guò)程中發(fā)生折疊缺陷。當(dāng)Rx=6.5 mm、Ry=10.5 mm時(shí),預(yù)成形和終成形階段零件成形質(zhì)量較好,各部位充填完整。

表1 預(yù)成形凸凹模圓角半徑對(duì)零件成形效果的影響Table 1 The in fluences of p re-form ing die′s rad ius on the form ing of the part

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)采用上述正反復(fù)合拉深→預(yù)成形→終整形的三道次成形方案和工藝參數(shù),設(shè)備為YA28-100/ 150雙動(dòng)液壓機(jī),結(jié)果如圖9所示。由圖可知:實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果相吻合,帶輪的極小圓角及各部位的變壁厚特征得以滿足,沒(méi)有出現(xiàn)金屬削料、折疊和破裂等缺陷,零件表面質(zhì)量好,驗(yàn)證了成形方案的可行性和模擬結(jié)果的正確性。

圖9 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的結(jié)果Fig.9 Results of verification experiment

5 結(jié)論

1)正反復(fù)合拉深的一道次成形和預(yù)成形→終整形的兩道次成形均不能成形出合格的零件,在Ⅱ區(qū)直壁部位易出現(xiàn)過(guò)度減薄缺陷。

2)采用正反復(fù)合拉深→預(yù)成形→終整形的三道次成形方案,減小了單工序的變形量,可成形出合格的帶輪零件。

3)第二工序預(yù)成形凸凹模圓角半徑Rx,Ry的選取對(duì)零件成形質(zhì)量具有顯著影響,較合適的取值為Rx=6.5 mm,Ry=10.5 mm。

4)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果和工藝參數(shù),開(kāi)展零件試制,所得帶輪零件表面質(zhì)量好,驗(yàn)證了成形方案的可行性和模擬結(jié)果的正確性。

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Analysis on Stamping-forging Hybrid Form ing Process of Complex Sectional Pulley Part w ith Small Fillet

WANG Jiu-lin,LIXiang-bo,SUN Jian-hui,XUE Ke-min
(School of Materials Science and Engineering,Hefei University of Technology,Hefei230009,China)

The aim of thiswork was to explore the stamping-forging hybrid forming process of complex sectional pulley partwith small fillet.According to the structural characteristics of the part,three kinds of forming processeswere formulated.Numerical simulation analysiswas conducted for each process using FEM technology.Finally,the physical experiment was conducted for verification.The center sidewall of the partwas prone to having rupture defects with one-step forming. And the small fillet of the partwas prone to having cutmaterial phenomena at the shaping pass with two-step forming.U-sing the three-step forming process of positive and negative composite drawing→fillet preforming→final shaping,the pulley part obtained waswell formed,and there was no phenomena ofmetal folding and cuttingmaterial.

pulley;stamping-forging hybrid forming;small fillet;finite element simulation

10.3969/j.issn.1674-6457.2015.05.019

TG376;TG386

A

1674-6457(2015)05-0115-05

2015-07-03

王久林(1990—),男,貴州遵義人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)榫芩苄猿尚渭敖M織性能。

薛克敏(1963—),男,安徽蚌埠人,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)榫芩苄猿尚渭敖M織性能。