淺析帶孔平衡環(huán)架的分流成形工藝設計范文

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摘要：對平衡環(huán)架零件進行了擠壓工藝分析，制定了兩步成形方案。運用Deform有限元軟件對兩工位成形過程進行了模擬，獲取了成形過程中模具載荷和金屬流動的變化趨勢。綜合考慮模具受力和加工成本，確定了一工位的分流降載工藝和二工位的異形孔擠壓成形方法。

關鍵詞：異形孔；分流降載；擠壓成形；平衡環(huán)架

平衡環(huán)架是機械結(jié)構(gòu)中常見的零件，主要起到支撐和旋轉(zhuǎn)樞紐的作用。對于帶有異形孔的平衡環(huán)架，其制造難點是異形孔的加工，目前加工方式主要為線切割。大批量生產(chǎn)時，大量的機械加工不僅造成了材料的嚴重浪費，還極大地影響了產(chǎn)品生產(chǎn)效率[1]。精密塑性成形技術是解決復雜結(jié)構(gòu)大批量生產(chǎn)的先進制造技術，它是指零件成形后，不再加工或僅需少量切削加工，就可用作機械構(gòu)件的成形技術[2]。通過控制坯料的尺寸精度、潤滑條件、模具等設備的精度和成形過程中的變形參數(shù)完全可以獲得表面質(zhì)量好、尺寸精度高的凈成形件。大部分尺寸甚至所有部位的尺寸可以省去后續(xù)機加工，達到節(jié)省材料、能源的目的。然而，復雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品在應用精密塑性成形生產(chǎn)時存在許多工藝難題，如充填不滿，模具磨損嚴重甚至開裂，這些問題限制了精密塑性成形工藝的推廣使用。上述問題產(chǎn)生的根本原因是金屬流動不均，局部流動困難，從而導致模具局部受力嚴重偏大，使得模具失效[3]。因此，如能采用合理的精密塑性成形工藝，使得金屬流入模具各部分的比例合適，應能降低模具受力，提高模具的使用壽命。對于塑性成形工藝和模具結(jié)構(gòu)對金屬流動的影響，有限元數(shù)值模擬技術是近年來研究該類問題的有效工具[4]。本文針對某平衡環(huán)架零件，以分流降載為目的，運用有限元數(shù)值模擬技術探索其合理的工藝。

1工藝方案設計

平衡環(huán)架產(chǎn)品的零件圖和三維模型如圖1所示。由圖可見，平衡環(huán)架產(chǎn)品主體為環(huán)形，內(nèi)孔為異形且尺寸較小，最大處為準10.6mm，零件高度較小,為6.1mm，側(cè)向有對稱的兩個方塊，另外兩個側(cè)向有準4.1mm的通孔。對于側(cè)向塊的成形，考慮擠壓成形特點，擬采用鐓擠或徑向擠壓成形來完成。徑向擠壓需要鎖緊模具，結(jié)構(gòu)較復雜，因此采用鐓擠成形側(cè)向塊[5]。異形內(nèi)孔在側(cè)向塊擠壓成形結(jié)束后采用反擠壓成形，得到帶有連皮的不通孔，最后將連皮切除。兩個側(cè)孔通過后續(xù)機加工完成。高度方向上適當添加機加工余量以保證側(cè)向塊和反擠異形孔的成形。產(chǎn)品整體尺寸較小，其余部位機加工容易且耗時不多，可以通過機加工獲取精確尺寸。具體工藝方案為：①下料，坯料體積為2060mm3，尺寸外徑取準14.8mm，高度為12mm；②磷皂化潤滑；③擠壓成形側(cè)向方塊（此工位為一工位，擠壓件見圖2）；④車圖2下端面，保證其為平面（采用周向分流時該工序同時切除側(cè)向塊上的毛刺）；⑤反擠中心異形孔（二工位）；⑥車上端面，去除反擠杯部，車下端面，去除孔底；⑦加工準4.1mm側(cè)向孔；⑧熱處理。

2平衡環(huán)架擠壓成形數(shù)值模擬

2.1一工位鐓擠成形過程一工位為鐓擠成形，初始模擬模型見圖3。采用冷成形，取其1/4進行分析，材料是DIN-42CrMo4合金結(jié)構(gòu)鋼，冷成形時強度、硬度高，其變形抗力可達880MPa。模具和坯料間摩擦采用剪切摩擦模型，摩擦因子取0.12，坯料初始網(wǎng)格為50000個，凸模下壓速度為10mm/s。模具和坯料間摩擦因子取0.12，坯料初始網(wǎng)格為50000個，凸模下壓速度為10mm/s。圖4為一工位鐓擠過程中凸模載荷隨行程的變化情況。可以看到，大部分行程階段凸模上的載荷都較小，在100kN以下。隨著側(cè)向塊的進一步填滿，多余金屬可流動空間變小，模具受力急劇上升，到最終充填完成時為316kN。為了減小凸模載荷，在凸模和凹模間設置了分流部位以容納多余金屬，見圖5箭頭所指處。圖6為0.5mm分流腔時凸模上載荷隨行程變化情況。最終充填完成時載荷為257kN，相較于第一個方案的316kN有所降低。當分流腔尺寸調(diào)整為1mm時最終充填完成時載荷為219kN，同時，由于分流腔的存在，側(cè)向塊端面的充填變得困難。上述分析說明軸向分流可以降低凸模承受的壓力，但單純通過軸向分流難以達到可靠的模具受力。由于對側(cè)向塊端部的金屬流線沒有較高要求，該部位允許機加工完成，此時可以采用徑向分流和軸向分流配合，當擠到如圖7所示位置時停止。此時，凸模載荷為150kN。圖7中黑圈部位的未充滿之處約有0.5～0.7mm，在設計擠壓件尺寸時可以加上相應余量，通過后續(xù)的機加工完成其徑向尺寸和相鄰圓角的加工。

2.2二工位反擠異形孔成形過程平衡環(huán)架二工位反擠成形過程是在一工位鐓擠基礎上進行，初始分析模型見圖8。同樣取產(chǎn)品的1/4進行分析，反擠凸模為異形截面，凸模頭部設置了R1mm的圓角以便金屬流動。其他模擬參數(shù)與一 工位一致。為了使將來孔底切除后產(chǎn)品高度尺寸足夠，對一工位鐓擠件稍作修改，在坯料下面增加了3mm余量，分別是1mm的凸模圓角和2mm的孔底厚度，如圖8所示。圖9為二工位反擠模擬結(jié)果。在側(cè)向塊有限位塊壓住的情況下，此時成形就是一個異形孔的反擠壓。從圖9可以看到，擠壓件關鍵部位與模具貼合度好，保證了異形孔的基本形狀，圖紙上對異形孔的精度要求也不高，反擠壓成形可以滿足需求。該方法的缺點是材料利用率較低，需在后續(xù)的切削加工中去除箭頭所指的上面的杯部和下面的杯底，其切削量上部大約從側(cè)向塊頂端至杯部最高處8mm開始，杯底約3mm。當然，采用此種成形方法模具結(jié)構(gòu)較復雜，需要增加限位塊（圖8），在成形時限位塊保持不動，成形結(jié)束需要將限位塊移開以取出擠壓件。圖10為未增加限位塊的成形結(jié)果，側(cè)向塊部位隨著擠壓進行向上移動，使得其形狀和尺寸發(fā)生了變化，同時孔形也發(fā)生了變化。若在一工位通過反擠壓獲取異形孔或圓孔然后二工位完成側(cè)向塊成形也是一種思路，但通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，由于孔是異形孔，側(cè)向塊存在于零件兩側(cè)，會導致孔形發(fā)生改變，因此均不可行，如圖11所示。

3結(jié)語

平衡環(huán)架零件具有異形孔，采用精密塑性成形工藝可以直接成形，降低了機械加工成本，提高了生產(chǎn)效率。但由于材料為42CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼，強度、硬度高，給冷擠壓帶來了困難。對于此產(chǎn)品，為了保證側(cè)向塊和異形孔的成形，要求模具對其有充分的約束，導致擠壓力較高，模具難以承受如此高壓力。本文以分流降載為目的，運用有限元數(shù)值模擬技術探索其合理的分流成形工藝，確定為一工位軸向分流復合徑向分流成形，二工位采用限位塊反擠成形異形孔。該工藝降低了凸模承受載荷，對于提高模具壽命，降低生產(chǎn)成本具有較高的應用價值。

參考文獻：

[1]夏華，姬程程，彭樹杰．異形孔軸類零件的復合擠壓成形模設計與數(shù)值模擬[J]．模具工業(yè)，2013，39(1)：71-74．

[2]夏春林，魏志堅，葉俊青，等．近凈成形技術在航空鍛件中的應用[J]．新技術新工藝，2014(3)：27-29．

[3]高振山，鄧效忠，陳拂曉，等．基于修正Archard理論的螺旋錐齒輪鍛造模具壽命預測[J]．中國機械工程，2014，25(2)：226-229．

[4]湯成建，孔德軍，趙本國，等．齒形鏈輪溫擠壓精密成形數(shù)值模擬[J]．熱加工工藝，2016，45(19)：156-159．

[5]張海英，陸賢，林健，等．用鐓擠法進行閉式模鍛[J]．鍛壓技術，2012，38(1)：17-20.

作者：黃英娜 李振紅 莊衛(wèi)國 葉圣 徐輝 許軍杰 單位：江蘇省先進結(jié)構(gòu)材料與應用技術重點實驗室