梭芯套冷擠壓成形工藝的仿真分析

□ 鄭曉婷 □ 張理安 □ 蔣建海 □ 顧 勇

杭州師范大學錢江學院 杭州 310036

1 分析背景

梭芯套是縫紉機的關(guān)鍵零部件之一,其質(zhì)量優(yōu)劣將直接影響縫紉機的工作效率和壽命。對于梭芯套,傳統(tǒng)生產(chǎn)多采用機加工、鑄造、壓鑄等方法。采用機加工,生產(chǎn)周期長,經(jīng)濟效益低。采用鑄造,效率低,產(chǎn)品壽命短。采用壓鑄,力學性能不佳。由以上介紹可見,傳統(tǒng)生產(chǎn)方法會影響梭芯套的實際應用。

通過調(diào)研文獻和走訪生產(chǎn)企業(yè),發(fā)現(xiàn)冷擠壓是當前梭芯套成形較為理想的方法。冷擠壓是一種優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗、低成本的先進工藝,產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性好,力學性能優(yōu)良,在技術(shù)上和經(jīng)濟上都有很高的應用價值。筆者選擇冷擠壓來成形梭芯套,設(shè)計模具,對工藝進行仿真分析,達到幫助工程師優(yōu)化模具,提高效率,降低現(xiàn)場試驗成本的目的。所采用的仿真分析方法還可以為其它類似杯形結(jié)構(gòu)零件模具設(shè)計提供參考。

2 模具

梭芯套由浙江某縫紉機公司生產(chǎn),材料采用45號鋼,結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可以看出,梭芯套形狀對稱,屬于杯形件,宜采用反擠壓成形,工藝流程為下料、預鍛、反擠壓。根據(jù)梭芯套形狀和成形方法,反擠壓模具結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 仿真建模

根據(jù)梭芯套形狀,應用Unigraphics軟件建立反擠壓模具模型。建模完成后,將坯料及反擠壓模具模型存為.stl格式,導入Deform-3D仿真軟件,如圖3所示。Deform-3D軟件是專門用于鍛壓仿真的軟件,具有前處理簡潔高效,后處理直觀方便,仿真可靠性好、精度高等特點。

Deform-3D軟件具有功能強大的四面體網(wǎng)格單元劃分器。仿真分析時,為準確分析梭芯套的形狀變化情況,需要對坯料進行網(wǎng)格劃分,共劃分120 000個單元、37 032個節(jié)點。

4 摩擦模型

在金屬擠壓成形中,接觸面上的摩擦是影響成形的一個重要因素。在數(shù)值仿真時,一般采用庫侖摩擦模型、常摩擦模型、反正切摩擦模型等。前兩種摩擦模型存在一個共同缺點,就是很難處理存在速度分流點的變形問題,包括圓環(huán)鐓粗、軋制、復合擠壓等。反正切摩擦模型可以較好地解決這一問題,得到廣泛應用,表達式為:

(1)

式中:fs為摩擦力;m為摩擦因數(shù),取0.12;k為剪切屈服極限;us為零件與模具接觸面間的相對滑動速度;u0為模具速度因子,取模具速度的10-5～10-4。

5 分析結(jié)果

5.1 速度場

從理論上講,筆者研究的梭芯套在冷擠壓成形過程中,坯料運動方向與凸模運動方向相反,因此屬于反擠壓。梭芯套冷擠壓成形過程速度場如圖4所示。在冷擠壓成形時選取具有代表性的金屬流動過程進行分析,具體包括第20步、第50步、第80步和第100步。第20步,凸模將坯料和凹模之間的間隙壓實后,下部不再有坯料的運動空間,坯料四周所有運動矢量向上。到第50步時,這一趨勢逐漸明顯。胚料中間圓環(huán)區(qū)域由于與模具接觸,速度矢量為0,表現(xiàn)為沒有箭頭。第80步,梭芯套外圈基本成形完成,內(nèi)部桿狀部位還未充填圓滿,基本表現(xiàn)為外圈上表面一周矢量為0,桿狀部位邊角部位仍有速度。到第100步,充填基本完成。需要解釋的是,第100步時梭芯套外圈部位出現(xiàn)了雜亂的矢量,這是充填后期出現(xiàn)飛邊導致的,可以通過機加工處理,不影響成形。由分析可知,以上成形規(guī)律符合反擠壓特征,驗證仿真的正確性。總體而言,梭芯套冷擠壓成形未出現(xiàn)填充不滿和坯料折疊的現(xiàn)象,表明運用冷擠壓工藝成形梭芯套基本可行,反擠壓模具設(shè)計合理。

5.2 應變場

梭芯套冷擠壓成形過程應變場如圖5所示。冷擠壓成形時,坯料在初始階段變形較小,在第50步時最大應變?yōu)?.63。整個冷擠壓成形過程中,應變最大區(qū)域出現(xiàn)在坯料底部?？傮w而言,各區(qū)域應變差別比較小,說明整體應變分布均勻,沒有出現(xiàn)大變形,這對于選用壓力較小的成形設(shè)備具有優(yōu)勢,符合當前提倡的節(jié)能要求。

5.3 應力場

梭芯套冷擠壓成形過程應力場如圖6所示。在第20步,坯料下部剛被壓實,此時受力較小。隨著凸模的下行,到第50步,坯料四周受到模具壓迫,應力較大,坯料圓環(huán)上表面相當于自由表面,應力較小。到第80步,坯料圓環(huán)上表面接觸冷擠壓模具,應力逐漸增大。直到第100步,胚料無論是圓環(huán)上表面還是桿狀部位上表面,都接觸模具,應力達到最大,同時坯料環(huán)周應力稍有所減小,主要原因是坯料圓環(huán)上部承力面積小,環(huán)周承力面積大。需要說明的一點是,在冷擠壓成形過程中,坯料環(huán)周應力分布比較亂,可能的原因是網(wǎng)格劃分不均勻,但這不影響整個應力的分布趨勢。鑒于此,隨著應力的變化,在坯料和反擠壓模具表面采取合適的潤滑是有必要的。

5.4 成形載荷

梭芯套冷擠壓成形過程凸模載荷曲線如圖7所示。在成形過程中,坯料和凹模先有一部分間隙,第20步左右載荷較小。隨后坯料底部逐漸被壓實,內(nèi)腔圓柱面開始成形,需要較大的力。之后載荷曲線進入平穩(wěn)階段,直到內(nèi)腔圓柱面成形完成。最后力突然增大,因為梭芯套最終被壓實成形。

由圖7可以看出,在力大約為10 kN的情況下,梭芯套基本可以成形完畢?？梢愿鶕?jù)這一結(jié)論,選擇壓力機的型號。

6 結(jié)束語

筆者研究了梭芯套冷擠壓成形工藝,設(shè)計了反擠壓模具,并進行了仿真分析。仿真分析結(jié)果表明,冷擠壓過程中胚料變形符合反擠壓特點,變形均勻,應力分布合理,模腔充填完整,未出現(xiàn)折疊等缺陷,由此驗證了冷擠壓成形的正確性和反擠壓模具設(shè)計的合理性。在后期試驗中,需要注意選擇合適的壓力機,采取適當?shù)臐櫥?/p>

筆者所做的仿真分析可以為類似杯形結(jié)構(gòu)零件的成形模具設(shè)計提供參考。