有限元分析和模具設(shè)計(jì)

2013-06-24  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來(lái)源:仿真在線(xiàn)

關(guān)鍵字:有限元分析 模具設(shè)計(jì)

支撐軸零件在汽車(chē)領(lǐng)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(lèi)零件,體積較大且軸向長(zhǎng)度較長(zhǎng)。現(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(jī)加工方法加工其空心部分,如圖2所示?，F(xiàn)有的生產(chǎn)工藝因大量的機(jī)加工而造成材料的嚴(yán)重浪費(fèi),而且也消耗了較長(zhǎng)的工時(shí)。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(zhǎng),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(lái)完成支撐軸外部輪廓的成形和內(nèi)孔的預(yù)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(yù)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(jī)加工之間增加了鐓擠和反擠兩個(gè)工步來(lái)成形支撐軸的空心形狀,整個(gè)工藝過(guò)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(jìn)行純粹的反擠壓來(lái)達(dá)到支撐軸鍛件的尺寸要求(如圖3d),最后經(jīng)必要的機(jī)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(guān)鍵問(wèn)題是確定鐓擠前預(yù)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(mǎn)和成形。為此,采用DEFORM^TM系統(tǒng)對(duì)鐓擠和反擠整個(gè)變形過(guò)程進(jìn)行了反復(fù)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(guò)反復(fù)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(jié)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(yù)制坯經(jīng)過(guò)隨后的反擠變形實(shí)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(duì)于需求量較大的支撐軸鍛件來(lái)說(shuō),其效益是相當(dāng)可觀(guān)的。圖4給出了鐓擠階段的變形過(guò)程。當(dāng)支撐軸空心及外部輪廓的上部分形狀滿(mǎn)足尺寸要求時(shí),此階段的擠壓就結(jié)束了。通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn),不合理的預(yù)鍛件尺寸和模具結(jié)構(gòu)會(huì)在鐓擠結(jié)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(mǎn)。為了了解鐓擠變形階段模具的工作狀況,對(duì)整個(gè)鐓擠變形過(guò)程的模具進(jìn)行了彈性分析。在變形過(guò)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(jié)束時(shí)模具的彈性變形,可見(jiàn),沖頭頂部的彈性變形較嚴(yán)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(shí)看出,沖頭的工作條件比較惡劣,在工作過(guò)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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮卸料板,同時(shí)在沖頭材料選取及性能方面應(yīng)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(guò)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(guò)程
a—初始坯料 b—中間階段 c—結(jié)束階段 d—折疊

圖5 鐓擠變形結(jié)束時(shí)模具的彈性變形(放大倍數(shù):10倍)

圖6 反擠工步的變形過(guò)程
a—初始坯料 b—中間階段 c—結(jié)束階段

表1 鐓擠工藝模擬分析的基本條件與結(jié)果

3 模具設(shè)計(jì)
根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)條件,本文為某鍛造企業(yè)進(jìn)行了該工藝方案的模具設(shè)計(jì)。圖7給出了鐓擠變形工步的模具結(jié)構(gòu),沖頭周?chē)O(shè)計(jì)有彈簧卸料板是為了輔助工件從沖頭上脫模,同時(shí)下模設(shè)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(jié)構(gòu),上模部分的結(jié)構(gòu)較鐓擠模具簡(jiǎn)單,沖頭采用壓緊器固定,同時(shí)壓緊器也用于保護(hù)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(jié)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(jī)加工時(shí)間和原材料浪費(fèi),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(yù)制坯形狀尺寸和鐓擠階段的擠壓行程。同時(shí)對(duì)模具的工作狀況進(jìn)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(jié)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(shí)際條件設(shè)計(jì)了鐓擠和反擠兩套成形模具。工藝與模具設(shè)計(jì)和仿真并行,可有利保障模具設(shè)計(jì)的可靠性

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