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防止活塞銷(xiāo)冷擠壓工藝中出現(xiàn)流動(dòng)缺陷的新方法
D.J.Lee ,D.J.Kim, B.M.Kim
精密機(jī)械工程系，研究生院，釜山國(guó)家大學(xué)，釜山，韓國(guó)
機(jī)械設(shè)計(jì)工程部門(mén)，研究生院，釜山國(guó)家大學(xué)，釜山，韓國(guó)
機(jī)械工程系，工程研究中心，釜山國(guó)家大學(xué)，釜山，韓國(guó)編號(hào)3
Janjeon-董，Kumjeong-顧，釜山609-735，韓國(guó)
摘要：
這份報(bào)告主要研究的是作為汽車(chē)零部件之一的活塞銷(xiāo)的流動(dòng)缺陷。在聯(lián)合冷擠壓制活塞銷(xiāo)的工藝中，起皺就是一種流動(dòng)缺陷，它是由死金屬區(qū)引起的。具有這種缺陷的部件帶有很明顯的外部特征，特征是被一微小而且厚的塊狀物嵌入材料中，這種缺陷對(duì)保證尺寸精度和降低材料損失是不利的，活塞銷(xiāo)的這種缺陷對(duì)于其強(qiáng)度和疲勞壽命也有不利的影響。因此，在工藝設(shè)計(jì)的早期預(yù)測(cè)并防止這種缺陷是非常重要的。防止其產(chǎn)生的最好方法就是通過(guò)控制材料流動(dòng)來(lái)限制或減少死金屬區(qū)。有限元模擬分析方法被應(yīng)用于流動(dòng)缺陷研究分析當(dāng)中，這份研究報(bào)告提出了通過(guò)去除死金屬區(qū)防止產(chǎn)生流動(dòng)缺陷的新工藝方法——有限元分析法。將有限元分析的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果做比較，結(jié)果表明有限元分析的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。
關(guān)鍵詞：
流動(dòng)缺陷；活塞銷(xiāo)釘；材料流動(dòng)控制；前后雙向冷擠壓；死金屬區(qū)；有限元分析
1、序言
冷加工是一種及其重要而且經(jīng)濟(jì)的加工方法，尤其對(duì)于大批量制件的加工，其優(yōu)點(diǎn)更為突出。由于冷加工具有高的成品率、精確的尺寸精度、良好的表面光潔度，優(yōu)良的機(jī)械加工性和冶金工藝性等優(yōu)點(diǎn)，因此冷加工是工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中應(yīng)用最為廣泛的零件加工工藝。
冷鍛制件廣泛應(yīng)用于飛機(jī)制造、摩托車(chē)、螺母和螺栓等生產(chǎn)制造。但是，冷鍛制件也有可能產(chǎn)生缺陷，這主要取決于金屬材料的變形過(guò)程、成形加工的外部條件和材料的流動(dòng)方式等。可延伸的裂紋缺陷是由材料的引應(yīng)力狀態(tài)和變形過(guò)程引起的；流動(dòng)缺陷是由不穩(wěn)定的材料流動(dòng)引起的；低的尺寸精度是由低的模具尺寸精度和摩擦情況引起的，總之，鍛壓制件的缺陷主要包括兩類(lèi)，分別是內(nèi)部缺陷和外部缺陷。
這些缺陷危害到產(chǎn)品的質(zhì)量和制造成本，因此，在工藝設(shè)計(jì)中的早期預(yù)防是非常重要的。利用有限元分析法中的不同可用標(biāo)準(zhǔn)來(lái)研究大型鍛件的可延伸裂紋缺陷。KIM和KIM對(duì)兩道加強(qiáng)筋進(jìn)行冷擠壓件的內(nèi)部和外部缺陷研究，并還在進(jìn)行一種防止產(chǎn)生這些缺陷的加工工藝設(shè)計(jì)。
這份報(bào)告是一份關(guān)于汽車(chē)活塞銷(xiāo)產(chǎn)生的缺陷的測(cè)試報(bào)告，而這種活塞銷(xiāo)是采用前后雙向聯(lián)合擠壓的方式支撐的。這份報(bào)告中也提出了新的工藝方法可在工藝設(shè)計(jì)的早期防止產(chǎn)生流動(dòng)缺陷，而這些新工藝方案是通過(guò)有限元分析研究得出的，實(shí)驗(yàn)證明，這些新工藝方案是可行的。
2、成形工藝與缺陷形成分析
2.1、成形工藝
活塞銷(xiāo)是汽車(chē)零部件當(dāng)中用來(lái)連接活塞與曲軸的并傳遞動(dòng)力的部件，當(dāng)采用冷沖壓制活塞銷(xiāo)時(shí)，設(shè)計(jì)要求必須保證前后雙向沖壓時(shí)具有相同的高度并且不能出現(xiàn)鍛壓缺陷，因?yàn)榛钊N(xiāo)在周期性大載荷作用下工作。制作活塞銷(xiāo)的材料是AISI-4135H合金鋼，它具有如下材料流動(dòng)性 σ＝768.06*ε0.139 ，潤(rùn)滑措施是采用潤(rùn)滑油類(lèi)的磷鍍?cè)诨钊N(xiāo)表面進(jìn)行潤(rùn)滑，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試摩擦系數(shù)M為0.1。
加工活塞銷(xiāo)釘以前用的是多步驟加工法（如圖3所示），前兩步通過(guò)導(dǎo)圓角和沖出非圓形的基準(zhǔn)孔等預(yù)處理工序來(lái)減少缺陷的產(chǎn)生，從而可以提高尺寸精度和模具壽命，第三步和第四步相同，分別是從前后雙向沖出圓形的腹板，最后一步是修整工序，從而得到活塞銷(xiāo)的形狀，然而，用普通加工方法加工的結(jié)果顯示：第三步的早期會(huì)在腹板部位形成缺陷，更嚴(yán)重的是在缺陷產(chǎn)生的部位出現(xiàn)了一種不一致的流動(dòng)形式，這種形式是一種非常壞的流動(dòng)形式的延伸
圖1 活塞銷(xiāo)釘?shù)男螤詈统叽? 圖2 活塞銷(xiāo)釘?shù)牧鲃?dòng)缺陷
圖3活塞銷(xiāo)釘傳統(tǒng)的形成過(guò)程
2.2用有限元分析預(yù)測(cè)缺陷的產(chǎn)生
塑性變形組織分布和有效應(yīng)力對(duì)比圖的應(yīng)用，暗示著有限元精密塑造程序在成形與缺陷分析領(lǐng)域中的商業(yè)價(jià)值。最初的坯料直徑為30mm，深度為61mm，最終成品的體積為43.118，這種成形工藝看上去類(lèi)似于普通加工結(jié)果。
最大的裂縫值可以結(jié)算出斷裂缺陷產(chǎn)生的可能性，在這個(gè)沖壓過(guò)程中，其大小只有0.08mm，而且分布在坯料和沖床活塞沖頭接觸的端部。因此，可以避免流動(dòng)缺陷的產(chǎn)生，因此這種缺陷并不能產(chǎn)生可延展的裂紋。金屬流動(dòng)的流線(xiàn)圖是由Altan和Knoerr提出的，他們正在從事這種缺陷的分析研究，隨著沖頭沖壓深度的增加，劇烈變動(dòng)的流線(xiàn)出現(xiàn)了不同的流動(dòng)速度，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中缺陷的產(chǎn)生（如圖5所示）。
所以金屬流動(dòng)只出現(xiàn)在第四步的反向沖壓而不出現(xiàn)在正向沖壓，并且在靠近腹板處的金屬被拔起形成一條筋，很像是重疊缺陷，因此，活塞銷(xiāo)的流動(dòng)缺陷產(chǎn)生并發(fā)展的原因是：正反沖壓時(shí)由于死金屬區(qū)域產(chǎn)生而造成的金屬流動(dòng)速度的不同，這種現(xiàn)象在像活塞銷(xiāo)這種薄壁件沖出尺寸精度高，材料損耗少的孔的制件中是非常明顯的。對(duì)于活塞銷(xiāo)這類(lèi)工作溫度高，載荷大而且為交變載荷的零件來(lái)說(shuō)，這種流動(dòng)缺陷的產(chǎn)生會(huì)對(duì)其強(qiáng)度和疲勞壽命產(chǎn)生有害的影響。因此，有必要研究一種新工藝來(lái)防止產(chǎn)生流動(dòng)缺陷。
圖4有效的負(fù)荷和裂縫價(jià)值的關(guān)系
圖5金屬流動(dòng)和速度的關(guān)系
3.防止缺陷的工藝分析與設(shè)計(jì)
流動(dòng)缺陷產(chǎn)生的原因是金屬限制死金屬區(qū)域的流動(dòng)。為了在傳統(tǒng)工藝中早期的沖壓部位(第三步)消除死金屬區(qū)，正沖壓或反沖壓工藝被改為聯(lián)合正反沖壓工藝，這種工藝在兩個(gè)完全相反的方向上同時(shí)進(jìn)行同樣地動(dòng)作。由于正反兩向不同的沖壓率和沖壓長(zhǎng)度，要使兩個(gè)方向上同時(shí)完成材料流動(dòng)是很困難的，因此在提前完成材料流動(dòng)就會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)工藝一樣出現(xiàn)的死金屬區(qū)。
因此，在活塞銷(xiāo)成形這種情況下，兩個(gè)方向的沖壓率和沖壓長(zhǎng)度都是1.89和51mm。目前，一項(xiàng)關(guān)于活塞銷(xiāo)的沖壓長(zhǎng)度的調(diào)查研究正在進(jìn)行開(kāi)模正反沖壓工藝的分析，兩個(gè)方向上的沖壓長(zhǎng)度是不同的，正向沖壓長(zhǎng)度長(zhǎng)為24.9mm，反向沖壓長(zhǎng)度如圖6所示要比正向的短。
反向金屬流動(dòng)必須強(qiáng)制性的被限制才能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，而這就意為著死金屬區(qū)會(huì)產(chǎn)生。因此，要想在兩個(gè)方向上得到相同的沖壓長(zhǎng)度，提出了三種控制金屬流動(dòng)的方法，這三種方法都不同程度的強(qiáng)制限制金屬流動(dòng)。
圖6反向沖壓長(zhǎng)度
3.1 改變初加工的形狀
在正反雙向沖壓之前，為了保證從腹板中心處起正反兩個(gè)方向的沖壓長(zhǎng)度相等，就得要求初加工要將反向沖壓筋的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)與雙向沖壓長(zhǎng)度24.9mm有所不同。圖7展示了這種改進(jìn)的工藝的結(jié)果，圖8展示了在這種情況下采用正反雙向沖壓工藝時(shí)最后一步中金屬的流動(dòng)。從模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以得出，兩個(gè)方向的沖壓筋的長(zhǎng)度都是51mm，這恰好滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求和活塞銷(xiāo)的尺寸要求。另外，死金屬區(qū)的金屬流動(dòng)形式相同，而不像采用普通加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)缺陷，而且在兩個(gè)方向上的流動(dòng)速度也是連續(xù)變化的，這就意為著金屬流動(dòng)在整個(gè)過(guò)程中是一致的，不會(huì)出現(xiàn)限制其流動(dòng)的死金屬區(qū)。
圖七 多級(jí)樣板的修改過(guò)程 圖八金屬網(wǎng)的流動(dòng)
3.2 驅(qū)動(dòng)沖壓模膛
驅(qū)動(dòng)模膛工藝被用來(lái)控制金屬流動(dòng)從而滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，這種設(shè)備采用向相反方向運(yùn)動(dòng)的模膛先與已經(jīng)沖壓成形的一側(cè)接觸（如圖9所示），這樣就有助于加快后沖壓方向上的金屬流動(dòng)而減慢先沖壓方向上的金屬流動(dòng)速度，采用這種工藝制作的活塞銷(xiāo)，由于反方向沖壓提前完成，而此時(shí)活塞正沿著這個(gè)方向移動(dòng)從而增加了金屬沿著這個(gè)方向的流動(dòng)，這個(gè)工藝的首要變化因素是沖頭與活塞的相對(duì)速率和金屬材料與活塞之間的摩擦條件。
在這個(gè)研究中，由于摩擦系數(shù)m＝0.1（在毛胚材料和模膛之間），模擬實(shí)驗(yàn)只與相對(duì)速率這一變量有關(guān)。如果相對(duì)速率小于滿(mǎn)足同時(shí)成型最合適的速率，則在反向方向上的沖壓過(guò)程就會(huì)比正向沖壓提前完成，這樣的話(huà)就會(huì)像采用普通加工一樣在相同部位產(chǎn)生流動(dòng)缺陷，相反，如果相對(duì)速率大于最適宜的速率，則正向沖壓過(guò)程就會(huì)比反向沖壓過(guò)程提前完成，這樣就會(huì)在相反地部位產(chǎn)生缺陷。
因此，為了滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，采用半分法可以找出最佳的相對(duì)速率，從結(jié)果來(lái)看，最佳的相對(duì)速率是0.48，圖10和11顯示了相對(duì)速率分別為0.1 、0.48、1.0時(shí)采用一次沖壓變形過(guò)程和金屬流動(dòng)情況。圖11（c）顯示了當(dāng)采用最佳相對(duì)速率0.48時(shí)的金屬流動(dòng)形式，它記錄了一個(gè)可以防止缺陷產(chǎn)生的流動(dòng)形式。
圖9軸向移動(dòng)的箱體示意圖
圖10根據(jù)相對(duì)速度比率變化的活塞銷(xiāo)釘形態(tài)
圖11根據(jù)相對(duì)速度比率比較的金屬
3.3 修改模具結(jié)構(gòu)
這種被提出的修改模具結(jié)構(gòu)的工藝可以限制金屬在反方向上的流動(dòng)，而在這個(gè)方向上容易提前完成變形，從而可以實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)方向上同時(shí)完成變形，采用這種工藝時(shí)，為了能在兩個(gè)方向上同時(shí)完成變形過(guò)程而得到相同的變形長(zhǎng)度，卸料器又被設(shè)計(jì)者重新采用，它是一種使沖頭從制件中抽出的裝置。如果采用普通加工工藝中的固定式卸料器，則由于材料流動(dòng)受到限制，會(huì)出現(xiàn)死金屬區(qū)，而此時(shí)產(chǎn)生的部位與采用雙向沖壓時(shí)產(chǎn)生在中間位置不同。
因此，一種利用彈簧彈力的結(jié)構(gòu)可以推遲金屬材料沿反方向的流動(dòng)。圖12顯示了這種模具結(jié)構(gòu)，采用這種方法，選用合適的彈簧彈力對(duì)于滿(mǎn)足變形同時(shí)完成的要求來(lái)講是很重要的，因而有限元模擬可以計(jì)算出這種必要地彈力。從模擬結(jié)果來(lái)看，需要給卸料器施加5噸的彈力。圖13展示了這種工藝下金屬流動(dòng)形式，與其它改進(jìn)的工藝方法相比，這種工藝在死金屬區(qū)沒(méi)有出現(xiàn)不連續(xù)的流動(dòng)速度，此處的金屬流動(dòng)形式是相同的。
圖12使用沖壓模板的凹模模子結(jié)構(gòu)示意圖 圖13使用沖壓模板的金屬流動(dòng)
4.結(jié)果和實(shí)驗(yàn)
通過(guò)有限元分析法分析出的三種方法中是適合防止金屬的流動(dòng)缺陷。每個(gè)方法的情況如下。第一種方法是初步加工的產(chǎn)品需要三級(jí)過(guò)程(預(yù)制， 正反壓擠，穿孔)并且有一個(gè)簡(jiǎn)單的模具結(jié)構(gòu)；第二方法是使用沿軸方向移動(dòng)的沖孔模板；第三種方法是軸向移動(dòng)的箱體需要二級(jí)過(guò)程(前后壓擠，穿孔)并且有一個(gè)復(fù)雜的模具結(jié)構(gòu)。關(guān)于在里面形成的負(fù)荷，這三個(gè)方法都非常相似。
特別是在沿軸方向移動(dòng)的大約10噸的箱體情況下形成最大的負(fù)荷比其他方法小，因?yàn)樵诖┛走^(guò)程中沿軸方向移動(dòng)的箱體會(huì)增加材料的流動(dòng)。通過(guò)表1分析出的方法為形成做出了比較。在這項(xiàng)研究過(guò)程中，一個(gè)用在初步加工產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)被進(jìn)行，并且為了證實(shí)模擬結(jié)果所以使用一個(gè)250噸能力的多級(jí)樣板。在穿孔之前，為了金屬的觀察蝕刻流動(dòng)能夠正常被進(jìn)行，所以必須為活塞銷(xiāo)做一個(gè)流動(dòng)缺陷檢查。圖14就是表示這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這種方法改變了初步加工的產(chǎn)品。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了在缺陷區(qū)域內(nèi)金屬流動(dòng)的缺陷是相同的，并且滿(mǎn)足形成同時(shí)完成和在兩個(gè)擠壓方向長(zhǎng)度相同。這種過(guò)程和模擬的結(jié)果相符。
傳統(tǒng)方法
初步加工的產(chǎn)品的使用
沖壓模板的使用
移動(dòng)箱體的用途
最大負(fù)荷（噸）
97.2
96.3
96.1
84.0
擠壓的過(guò)程
2個(gè)階段
2個(gè)階段
1個(gè)階段
1個(gè)階段
缺陷
存在
不存在
不存在
不存在
表1 各個(gè)方法的比較
圖14 對(duì)流動(dòng)缺陷的消除
5.結(jié)論
在這項(xiàng)研究過(guò)程中，流動(dòng)缺陷過(guò)程和預(yù)防缺陷的過(guò)程都已經(jīng)被有限元分析重新設(shè)計(jì)。，缺陷的原因已經(jīng)被分析，并且通過(guò)分析已經(jīng)模擬出了結(jié)果。從模擬結(jié)果中可以看出，有限元分析方法是可以防止流動(dòng)缺陷并且滿(mǎn)足生產(chǎn)過(guò)程中控制材料的流動(dòng)狀態(tài)。通過(guò)有限元分析的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果做比較，可以得出以下幾個(gè)結(jié)論：
（1）活塞銷(xiāo)里存在流動(dòng)缺陷的原因是材料限制死金屬區(qū)域的流動(dòng)。消除這個(gè)區(qū)域最重要的是控制材料的流動(dòng)。
（2）初步加工的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和改變模具結(jié)構(gòu)是使用軸向運(yùn)動(dòng)的擠壓箱來(lái)消除擠壓過(guò)程中出現(xiàn)的流動(dòng)缺陷。
（3）被提出的方法滿(mǎn)足了工藝的要求，向前擠壓的長(zhǎng)度部分和落后的部分都是相同的，這些已經(jīng)由實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。
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