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：球頭銷徵擠|模具設(shè)計(jì)阻合凹模|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。采用敏擠加工方法，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)該球頭銷的敏擠成形過(guò)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 一應(yīng)變場(chǎng)。模擬結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的三道次敏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(guò)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，即敏擠成形加工球頭銷，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)，完成了三道次敏擠成形工藝的設(shè)計(jì)。同時(shí)，借助有限元模擬手段，分析了該球頭銷敏擠工藝的成形過(guò)程。模擬結(jié)果表明，敏擠工藝方案設(shè)計(jì)合理，能保證該零件的成形質(zhì) 量。2球頭銷敏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

3、包含四個(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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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)?，若最初就加工出?lái)， 則也需要對(duì)后面道次的模具加工出相應(yīng)的六邊 形臺(tái)階，

4、這顯然增加了模具制造上的工時(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(lái)完成3。圖1汽車球頭銷零件圖2.2工藝方案確定圖2球頭銷敏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的模輾鍛工藝方案，擬定敏擠方案如下：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)敏成形 ；最后一道次敏粗球頭部分，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

5、桿部直徑要求為15.0 mm,這里過(guò)渡成形為 14.75 mm。錐角過(guò)渡帶高約為1.8mm,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)算得出的冷敏力為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(guò)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(guò)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，

6、故在模擬時(shí)采用 土縫轉(zhuǎn)接I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(wèn)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(guò)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(guò)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(guò)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

7、.2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，這顯然符合敏粗 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(guò)程示意圖，如圖10所示。A圖9第三道工序有限元模型

8、圖10第三道工序成形過(guò)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(lái)，變形還是呈敏粗的特征；第192步時(shí)，中間桿部上的直角過(guò)渡部分完成成形。由此可見(jiàn)，從變形程度上，該球頭銷中間桿部上的直角過(guò)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，而采用敏擠加工時(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。頑D MM 9 3431 2U圖11第140步和第192步時(shí)的等效應(yīng)變分布云圖LaM PrvdctfM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)，

9、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(lái)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(yǔ)針對(duì)球頭銷的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 提出了先擠壓桿部后敏粗頭部的三道次敏擠新工藝方案，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敏擠成形過(guò)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 Kumar. Shashi Kant Prasad . Feature-based design of extrusion process us ing upper-bound and finite element techniques for extrudable shapesJ. Journal of Material s Processing Technology. 155 T56 (2004) P1365-13