锥鼓形冷镦成形球头的工艺参数优化.pdf

第42卷第10期Vol． 42 No． 10FORGlNG  2．上海东风汽车专用件有限公司,上海201419)摘要:针对球头销类零件球头冷锻成形过程中的镦粗失稳极限问题,基于金属塑性变形理论,分析了球头冷镦过程中的受力状态,根据受力分析提出采用锥鼓形冷镦成形工艺。通过Deform -3D进行有限元数值模拟,引入4因素3水平正交试验,考察锥形角度、凹模入口处圆角、摩擦因子、冲压速度对球头成形质量的影响,以模具承受成形载荷最小为目标获得最优的工艺参数组合,即锥形角度为15°、凹模入口处圆角为R4 mm、摩擦因子为0． 10、冲压速度为2 mm· s -1时模具成形载荷最小。研究结果表明:在多因素交互影响下,摩擦因子对成形载荷的影响最大,其次为冲压速度和锥形角度,凹模入口处圆角的影响最小。关键词:锥鼓形;冷镦;球头;正交试验;数值模拟DOI: 10． 13330/j． issn． 1000-3940． 2017． 10． 002中图分类号: TH162 +1   文献标识码: A   文章编号: 1000-3940 (2017) 10-0005-05Optimization of process parameters on cone-drum ball head in cold upsettingChen Jian1, Zhang Dongmin1, Zhou Weimin2, Yan Zijie1, Tang Guanfu1(1． School of Mechanical Engineering, Shanghai Institute of Technology, Shanghai 201418, China;2. Shanghai Dong Feng Automobile Special Parts Co. , Ltd. , Shanghai 201419, China)Abstract: For the limitations of upsetting destabilizing in cold forging process of ball pin type parts, based on plastic deformation theory ofmetal, the load state of ball head was analyzed in cold upsetting, and the forming technology of cold upsetting for cone-drum ball head wasproposed based on the results of the mechanical analysis. Then, through the finite element numerical simulation analysis of Deform-3D,the influences of the cone angle, fillet radius of die entrance, friction factor and punching speed on the forming quality of ball head werestudied by the four-factor and three-level orthogonal test, and the optimum combination of technique parameters was obtained with cone an-gle of 15°, fillet radius of die entrance of R4 mm, friction factor of 0． 1 and punching speed of 2 mm· s -1 to make the forming load ofdie minimum. The result shows that under the influence of multiple factors, the friction coefficient has the greatest influence on the form-ing load, following by the punching speed and the cone angle, and the fillet radius of die entrance is the least.Key words: cone drum; cold upsetting; ball head; orthogonal experiment; numerical simulation收稿日期: 2017 -04 -20;修订日期: 2017 -07 -02基金项目:企业横向项目(J2016 -215)作者简介:陈 剑(1986 - ),男,硕士研究生E-mail: chenjian1044@163． com通讯作者:张东民(1968 - ),男,博士,教授E-mail: dmzhang nuaa@ sit． edu． cn球头销类零件是汽车转向系统中的一个重要零件,工作时受力复杂,因此要求较高的强度。随着国内汽车行业高速发展,推动了汽车零件的国产化进程。目前,生产企业多采用车削以及楔横轧的方法来加工球头销类零件,已无法满足日益增长的市场需求。采用冷镦成形球头销类零件,不仅可以满足大批量生产的需求,而且还能保证零件组织致密均匀,提高表面质量和力学性能[1 -2]。球头冷镦作为球头销类零件冷镦成形的关键一步,以往多采用试错法进行研究,在金属塑性成形理论方面研究较少[3]。由于锥鼓形更易于成形,金属流动更容易,目前国外逐步采用锥鼓形冷镦工艺制造球头销[4]。随着计算机仿真技术的不断发展和完善,采用CAE软件能够模拟冷镦成形过程,分析所受载荷规律,验证成形方案,缩短产品研发周期,从而提高企业竞争力。本文采用锥鼓形冷镦工艺,引入正交试验,并采用Deform -3D进行有限元数值模拟,得到各个参数组合下的最大成形载荷,分析得到最优的工艺参数组合。1 球头冷镦塑性成形分析如图1所示为某球头销类产品的球头冷镦成形图,材料为SWRCH35K钢,球头成形部分高径比为4． 5,大于失稳极限[5]。这种情况下,采用锥鼓形镦粗,首先将毛坯预镦成锥鼓形,然后镦粗为球形,成形方案见图2。图1 球头冷镦成形图Fig． 1 Cold upsetting of ball head图2 锥鼓形冷镦成形方案Fig． 2 Cold upsetting scheme of cone-drum由金属塑性变形理论可知,材料的变形在最小阻力方向上尺寸增加的最多[6],工件与模具接触的阻力要远远大于其他地方的阻力,金属沿轴向变形的阻力大于沿径向变形的阻力。所以,在冲头压力作用下,坯料先向下模的底部流动,并逐渐形成鼓形,随着冲头的下移,坯料与模具之间的间隙逐渐减少,坯料径向流动成锥形,并填满模具型腔。根据成形方案,得知球头成形部分高径比≤ 2,做出如图3所示塑性力学模型[7]。 Ⅰ区为刚性区,是模具与坯料相接触的地方,受阻力较大,同时该区域处于三向压应力状态,而阻力与接触距离成反比,所以I区大致成形为圆锥体; Ⅱ区由于模具的压力以及Ⅲ区的挤压,受到轴向压应力、径向压应力、切向拉应力影响, bd与b′d′的交点受到切向应力较大,从而产生较大的塑性变形,为主动塑性变形区,易成形为凸鼓形; Ⅲ区为被动塑性变形区,轴向受到压应力影响,径向与切向均受到拉应力,但同时受到I区、 Ⅱ区的影响,不能均匀向外扩展,所以形成鼓形。根据塑性变形理论可知,镦粗成形较易获得锥鼓形。图3 冷镦时塑性力学模型Fig． 3 Plastic mechanics model of cold upsetting2 正交试验设计2． 1 正交试验因素以及水平的选取根据图2成形方案可知,影响球头冷镦成形的主要参数有: (1)锥形是成形球头的上半球的关键因素,它会直接影响到球头成形是否饱满以及是否有飞边; (2)凹模入口处是应力集中的部位,凹模入口处圆角大小对模具损伤以及球头下半球的成形起着重要的影响; (3)模具与坯料之间相互摩擦会引起模具温度升高,从而使模具等效应力增大,能量的消耗加大,进而影响成形质量; (4)不同的冲压速度对成形过程产生的最大应力不同,从而影响塑性变形。以上述4个参数为正交试验因素,以最大成形载荷为目标,每个因素分别采用3个水平值,建立4因素3水平正交试验表L9 (43),如表1所示[8]。2． 2 创建有限元模型通过正交表L9(43)得到9种设计变量的组合,将这9种组合采用SolidWorks建模。本文研究对象6锻 压 技 术     第42卷表1 正交试验因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test水平因素A锥形角度/(°)B凹模入口处圆角/ mm C摩擦因子D冲压速度/(mm· s -1)1 15 R2 0． 05 22 20 R3 0． 10 43 25 R4 0． 15 6为锥鼓形毛坯,零件是轴对称的,考虑模拟效率,采用1/8模型进行模拟。对毛坯、冲头、上模、下模建模,并在Solidworks中定义装配关系,再逐一以STL格式导出,导入到Deform -3D中进行有限元分析,毛坯设为塑性体,划分四面体网格[9],总数为12000个,步长为0． 1,不考虑模具的变形,设置冲头、上模、下模为刚性体。图4为建立的有限元模型。图4 有限元模型Fig． 4 Finite element model3 仿真分析3． 1 仿真结果基于仿真模拟结果进行正交数据分析,得到如表2所示分析结果。表2 正交试验结果Table 2 Orthogonal test results试验号因素目标A B C D最大成形载荷/ kN1 1 1 1 1 37702 1 2 2 2 12503 1 3 3 3 8534 2 1 2 3 17905 2 2 3 1 14406 2 3 1 2 58307 3 1 3 2 35008 3 2 1 3 51809 3 3 2 1 10803． 2 极差分析极差分析能够非常直观地反映各个试验因素对目标的影响程度,极差越大,影响程度就越大。从表3可以看出影响程度主次顺序为:因素C >因素D >因素A >因素B。对所选因素做均值,从表3可以得出:锥形角度为15°时受载荷最小;凹模入口处圆角为R4 mm时受载荷最小,即越接近成形球头半径;摩擦因子为0． 10时受载荷最小,由于各个因素之间交互影响,因此得到的载荷并不是摩擦因子越小越好;冲压速度为2 mm· s -1时受载荷最小。根据分析,可以得到最优参数组合为A1 B3 C2 D1,即:锥形角度为15°、凹模入口处圆角为R4 mm、摩擦因子为0． 10、冲压速度为2 mm· s -1时模具的成形载荷最小。表3 极差分析Table 3 Rang analysis因素A B C D均值1 1957． 67 3020 4926． 67 2096． 67均值2 3020 2623． 33 1373． 33 3526． 67均值3 3253． 33 2587． 67 1931 2607． 67极差1295． 67 432． 33 3553． 33 1430最优组合A1B3C2D13． 3 方差分析试验都存在着误差,极差分析不能估算误差的大小,不能区分影响因素与误差之间的差异。方差分析可以完善这个不足,且可以得出各个因素对最大成形载荷的显著性。分析结果如表4所示,可以得到摩擦因子的F比值接近F临界值,对成形载荷的影响显著。表4 方差分析Table 4 Variance analysis因素偏差平方和自由度F比值F临界值显著性A 2861748． 67 2 0． 405 4． 46不显著B 345528． 67 2 0． 049 4． 46不显著C 21911188． 67 2 3． 100 4． 46显著D 3150582 2 0． 446 4． 46不显著误差28269048 83． 4 最优参数组合正交试验得到的数据是不考虑磨损以及效率等影响因素的,得到的是最大成形载荷。在最优参数组合[10]下,通过Deform - 3D数值模拟得到成形载7第10期陈 剑等:锥鼓形冷镦成形球头的工艺参数优化  荷,与正交试验3进行对比,如图5所示。可以看出,通过正交试验优化后的参数,成形载荷得到了有效改善。从图5可以看出,上冲头和上模与坯料图5 正交试验3和最优参数组合的成形载荷对比Fig． 5 Comparison of forming loading between orthogonaltest 3 and optimal combination of parameters接触,载荷开始增加,前期变化较稳定,随着难成形部分模具的填充,金属流动比较困难,载荷上升比较明显,随后模具型腔空间较小,载荷迅速达到最大,这与实际相符。4 试验验证通过企业用JBF - 10B - 4S四模四冲螺丝成形机,进行球头冷镦成形试验。采用最优参数组合,材料为SWRCH35K钢,坯料为Ф5． 02 mm的盘条线材,表面经磷化皂化处理,经整形预镦成锥鼓形球头成形。图6a为模具图,图6b为得到的球头销类零件实物图。其球头成形饱满,无飞边,公司确认满足设计要求,说明采用锥鼓形冷镦成形球头方案可行。图6 模具(a)和球头销类零件(b)实物图Fig． 6 Physical diagrams of dies (a) and ball pin part (b)5 结论(1)引入正交试验,采用4因素3水平正交表,考察模具成形载荷,其影响显著程度为:摩擦因子>冲压速度>锥形角度>凹模入口处圆角。(2)高径比超过失稳极限的球头镦粗成形时,采用毛坯预镦成锥鼓形的方案可行,并通过正交试验得到锥形角度为15°、凹模入口处圆角为R4 mm、摩擦因子为0． 10、冲压速度为2 mm· s -1时,大大减少了成形载荷,为球头销类产品的球头成形提供了指导,并得到了试验验证。参考文献:[1]  冯文杰,梁强,陈莹莹,等.大高径比凸台缩径-冷镦成形工艺方案研究[J].热加工工艺, 2013, 42 (1): 17 -19.Feng W J, Liang Q, Chen Y Y, et al. 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