搜索有限元分析和模具設計
2013-06-24 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
關鍵字:有限元分析 模具設計
支撐軸零件在汽車領域中需求量較大,其形狀尺寸如圖1所示。從形狀上看,支撐軸屬于階梯狀的空心軸類零件,體積較大且軸向長度較長?，F(xiàn)有的制造 工藝多采用熱鍛方法先成形其階梯形外輪廓,然后全部采用機加工方法加工其空心部分,如圖2所示。現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝因大量的機加工而造成材料的嚴重浪費,而且也消耗了較長的工時。為此,采用擠壓成形方法加工支撐軸的空心部分?？紤]到該產(chǎn)品空心部分及外部輪廓在軸向上皆為階梯狀,且擠壓行程較長,因而難以采用一次性純粹的反擠壓工藝,所以在反擠之前需增加一道鐓擠工步來完成支撐軸外部輪廓的成形和內(nèi)孔的預成形。
圖1 支撐軸零件圖
圖2 支撐軸傳統(tǒng)制造工藝
a—初始坯料 b—熱鍛預制坯 c—零件
1 新工藝方案確定
新工藝是在傳統(tǒng)工藝的熱鍛和機加工之間增加了鐓擠和反擠兩個工步來成形支撐軸的空心形狀,整個工藝過程如圖3所示。先由圓棒料熱鍛成鐓擠毛坯(圖3b),隨后鐓擠成形支撐軸鍛件的外部輪廓及階梯狀空心的上部形狀(圖3c),然后再進行純粹的反擠壓來達到支撐軸鍛件的尺寸要求(如圖3d),最后經(jīng)必要的機加工制造出支撐軸零件(圖3e)。
圖3 新工藝方案的成形工步
a—初始坯料 b—熱鍛制坯 c—鐓擠成形 d—擠壓鍛件 e—零件
2 有限元分析和模擬
新工藝方案中的關鍵問題是確定鐓擠前預鍛件的合理形狀和尺寸以及合理的鐓擠擠壓行程。如果鐓擠階段的擠壓行程與隨后的反擠壓變形程度匹配不合理,則支撐軸的外部輪廓便不能完全充滿和成形。為此,采用DEFORMTM系統(tǒng)對鐓擠和反擠整個變形過程進行了反復分析和模擬。模擬中材料為45#鋼(AISI-1045),初始擠壓溫度為1 100℃,模具與工件之間的摩擦系數(shù)取為0.3,鐓擠和反擠沖頭的速度分別為25mm/s和30mm/s。經(jīng)過反復模擬,確定了鐓擠工步與反擠工步的擠壓行程和變形程度的合理匹配,模擬分析的基本條件及部分結果如表1所示。在鐓擠工步完成表中給出的擠壓行程,可以保證其成形后的預制坯經(jīng)過隨后的反擠變形實現(xiàn)支撐軸鍛件的尺寸要求。從表1給出的材料利用率可以看出,新工藝較傳統(tǒng)工藝材料利用率可提高16%,單件產(chǎn)品可節(jié)省原材料12.8kg,對于需求量較大的支撐軸鍛件來說,其效益是相當可觀的。圖4給出了鐓擠階段的變形過程。當支撐軸空心及外部輪廓的上部分形狀滿足尺寸要求時,此階段的擠壓就結束了。通過模擬發(fā)現(xiàn),不合理的預鍛件尺寸和模具結構會在鐓擠結束階段在階梯處產(chǎn)生折疊(如圖4d所示)且外部輪廓尺寸充填不滿。為了了解鐓擠變形階段模具的工作狀況,對整個鐓擠變形過程的模具進行了彈性分析。在變形過程中模具視為彈性體,模具材料為W18Cr4V,圖5給出的是鐓擠變形結束時模具的彈性變形,可見,沖頭頂部的彈性變形較嚴重。此外,從表1給出的沖頭的溫升及最高溫度的部位也同時看出,沖頭的工作條件比較惡劣,在工作過程中沖頭頭部極易磨損且可能與坯料粘在一起。因此,在模具設計時應考慮卸料板,同時在沖頭材料選取及性能方面應充分考慮其惡劣的工作狀況。圖6給出的是反擠階段的變形過程,從中可以看出該階段的變形幾乎接近純粹的反擠壓。
圖4 鐓擠變形過程
a—初始坯料 b—中間階段 c—結束階段 d—折疊
圖5 鐓擠變形結束時模具的彈性變形(放大倍數(shù):10倍)
圖6 反擠工步的變形過程
a—初始坯料 b—中間階段 c—結束階段
|
鐓擠工步 |
反擠工步 | |
|
擠壓行程(mm) |
215 |
135 |
|
坯料初始溫度(℃) |
1 100 |
1 100 |
|
變形后坯料最高溫度(℃) |
1 121 |
1 128 |
|
變形后坯料最低溫度(℃) |
889 |
763 |
|
模具預熱溫度(℃) |
300 |
300 |
|
變形結束時沖頭最高溫度(℃) |
674 |
583 |
|
沖頭最高溫度的位置 |
沖頭頭部 |
沖頭頭部 |
|
變形載荷(kN) |
2 250 |
950 |
|
支撐軸零件重量(kg) |
29.6 | |
|
傳統(tǒng)工藝坯料重量(kg) |
55.5 | |
|
新工藝坯料重量(kg) |
42.7 | |
|
傳統(tǒng)工藝材料利用率(%) |
53.3 | |
|
新工藝材料利用率(%) |
69.3 | |
3 模具設計
根據(jù)實際生產(chǎn)條件,本文為某鍛造企業(yè)進行了該工藝方案的模具設計。圖7給出了鐓擠變形工步的模具結構,沖頭周圍設計有彈簧卸料板是為了輔助工件從沖頭上脫模,同時下模設置頂出器用于從組合凹模中頂出鍛件。圖8給出了反擠變形工步的模具結構,上模部分的結構較鐓擠模具簡單,沖頭采用壓緊器固定,同時壓緊器也用于保護沖頭在工作中不被折斷。
圖7 鐓擠工步成形模具
1-沖頭 2-彈簧 3-卸料板 4-組合凹模 5-頂出器
圖8 反擠工步成形模具
1-沖頭 2-沖頭壓緊器 3-組合凹模 4-頂出器
4 結論
本文提出了采用熱鍛、鐓擠和反擠成形支撐軸的生產(chǎn)方法,與現(xiàn)有生產(chǎn)工藝相比,不僅能顯著減少機加工時間和原材料浪費,而且能夠提高產(chǎn)品的質(zhì)量。在鐓擠成形工藝中,根據(jù)有限元分析和模擬確定了熱鍛后合理的預制坯形狀尺寸和鐓擠階段的擠壓行程。同時對模具的工作狀況進行了模擬分析,給出了工作模具的彈性變形。根據(jù)模擬分析結果,給出了合理的鐓擠和反擠主要工藝參數(shù)并根據(jù)生產(chǎn)實際條件設計了鐓擠和反擠兩套成形模具。工藝與模具設計和仿真并行,可有利保障模具設計的可靠性
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