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玻璃 升降 复合 拉深模 设计 cad

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玻璃升降器复合拉深模的设计带CAD图,玻璃,升降,复合,拉深模,设计,cad

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防止活塞销冷挤压工艺中出现流动缺陷的新方法D.J.Lee ,D.J.Kim, B.M.Kim精密机械工程系，研究生院，釜山国家大学，釜山，韩国机械设计工程部门，研究生院，釜山国家大学，釜山，韩国机械工程系，工程研究中心，釜山国家大学，釜山，韩国编号3Janjeon-董，Kumjeong-顾，釜山609-735，韩国摘要：这份报告主要研究的是作为汽车零部件之一的活塞销的流动缺陷。在联合冷挤压制活塞销的工艺中，起皱就是一种流动缺陷，它是由死金属区引起的。具有这种缺陷的部件带有很明显的外部特征，特征是被一微小而且厚的块状物嵌入材料中，这种缺陷对保证尺寸精度和降低材料损失是不利的，活塞销的这种缺陷对于其强度和疲劳寿命也有不利的影响。因此，在工艺设计的早期预测并防止这种缺陷是非常重要的。防止其产生的最好方法就是通过控制材料流动来限制或减少死金属区。有限元模拟分析方法被应用于流动缺陷研究分析当中，这份研究报告提出了通过去除死金属区防止产生流动缺陷的新工艺方法有限元分析法。将有限元分析的结果与实验结果做比较，结果表明有限元分析的结果与实验结果相符合。关键词：流动缺陷；活塞销钉；材料流动控制；前后双向冷挤压；死金属区；有限元分析1、序言冷加工是一种及其重要而且经济的加工方法，尤其对于大批量制件的加工，其优点更为突出。由于冷加工具有高的成品率、精确的尺寸精度、良好的表面光洁度，优良的机械加工性和冶金工艺性等优点，因此冷加工是工业生产当中应用最为广泛的零件加工工艺。冷锻制件广泛应用于飞机制造、摩托车、螺母和螺栓等生产制造。但是，冷锻制件也有可能产生缺陷，这主要取决于金属材料的变形过程、成形加工的外部条件和材料的流动方式等。可延伸的裂纹缺陷是由材料的引应力状态和变形过程引起的；流动缺陷是由不稳定的材料流动引起的；低的尺寸精度是由低的模具尺寸精度和摩擦情况引起的，总之，锻压制件的缺陷主要包括两类，分别是内部缺陷和外部缺陷。这些缺陷危害到产品的质量和制造成本，因此，在工艺设计中的早期预防是非常重要的。利用有限元分析法中的不同可用标准来研究大型锻件的可延伸裂纹缺陷。KIM和KIM对两道加强筋进行冷挤压件的内部和外部缺陷研究，并还在进行一种防止产生这些缺陷的加工工艺设计。这份报告是一份关于汽车活塞销产生的缺陷的测试报告，而这种活塞销是采用前后双向联合挤压的方式支撑的。这份报告中也提出了新的工艺方法可在工艺设计的早期防止产生流动缺陷，而这些新工艺方案是通过有限元分析研究得出的，实验证明，这些新工艺方案是可行的。2、成形工艺与缺陷形成分析2.1、成形工艺活塞销是汽车零部件当中用来连接活塞与曲轴的并传递动力的部件，当采用冷冲压制活塞销时，设计要求必须保证前后双向冲压时具有相同的高度并且不能出现锻压缺陷，因为活塞销在周期性大载荷作用下工作。制作活塞销的材料是AISI-4135H合金钢，它具有如下材料流动性 768.06*0.139 ，润滑措施是采用润滑油类的磷镀在活塞销表面进行润滑，经试验测试摩擦系数M为0.1。加工活塞销钉以前用的是多步骤加工法（如图3所示），前两步通过导圆角和冲出非圆形的基准孔等预处理工序来减少缺陷的产生，从而可以提高尺寸精度和模具寿命，第三步和第四步相同，分别是从前后双向冲出圆形的腹板，最后一步是修整工序，从而得到活塞销的形状，然而，用普通加工方法加工的结果显示：第三步的早期会在腹板部位形成缺陷，更严重的是在缺陷产生的部位出现了一种不一致的流动形式，这种形式是一种非常坏的流动形式的延伸 图1 活塞销钉的形状和尺寸 图2 活塞销钉的流动缺陷 图3活塞销钉传统的形成过程2.2用有限元分析预测缺陷的产生塑性变形组织分布和有效应力对比图的应用，暗示着有限元精密塑造程序在成形与缺陷分析领域中的商业价值。最初的坯料直径为30mm，深度为61mm，最终成品的体积为43.118，这种成形工艺看上去类似于普通加工结果。最大的裂缝值可以结算出断裂缺陷产生的可能性，在这个冲压过程中，其大小只有0.08mm，而且分布在坯料和冲床活塞冲头接触的端部。因此，可以避免流动缺陷的产生，因此这种缺陷并不能产生可延展的裂纹。金属流动的流线图是由Altan和Knoerr提出的，他们正在从事这种缺陷的分析研究，随着冲头冲压深度的增加，剧烈变动的流线出现了不同的流动速度，从而导致实验中缺陷的产生（如图5所示）。所以金属流动只出现在第四步的反向冲压而不出现在正向冲压，并且在靠近腹板处的金属被拔起形成一条筋，很像是重叠缺陷，因此，活塞销的流动缺陷产生并发展的原因是：正反冲压时由于死金属区域产生而造成的金属流动速度的不同，这种现象在像活塞销这种薄壁件冲出尺寸精度高，材料损耗少的孔的制件中是非常明显的。对于活塞销这类工作温度高，载荷大而且为交变载荷的零件来说，这种流动缺陷的产生会对其强度和疲劳寿命产生有害的影响。因此，有必要研究一种新工艺来防止产生流动缺陷。 图4有效的负荷和裂缝价值的关系图5金属流动和速度的关系3.防止缺陷的工艺分析与设计流动缺陷产生的原因是金属限制死金属区域的流动。为了在传统工艺中早期的冲压部位(第三步)消除死金属区，正冲压或反冲压工艺被改为联合正反冲压工艺，这种工艺在两个完全相反的方向上同时进行同样地动作。由于正反两向不同的冲压率和冲压长度，要使两个方向上同时完成材料流动是很困难的，因此在提前完成材料流动就会出现传统工艺一样出现的死金属区。因此，在活塞销成形这种情况下，两个方向的冲压率和冲压长度都是1.89和51mm。目前，一项关于活塞销的冲压长度的调查研究正在进行开模正反冲压工艺的分析，两个方向上的冲压长度是不同的，正向冲压长度长为24.9mm，反向冲压长度如图6所示要比正向的短。反向金属流动必须强制性的被限制才能满足设计要求，而这就意为着死金属区会产生。因此，要想在两个方向上得到相同的冲压长度，提出了三种控制金属流动的方法，这三种方法都不同程度的强制限制金属流动。图6反向冲压长度3.1 改变初加工的形状在正反双向冲压之前，为了保证从腹板中心处起正反两个方向的冲压长度相等，就得要求初加工要将反向冲压筋的长度设计与双向冲压长度24.9mm有所不同。图7展示了这种改进的工艺的结果，图8展示了在这种情况下采用正反双向冲压工艺时最后一步中金属的流动。从模拟实验的结果可以得出，两个方向的冲压筋的长度都是51mm，这恰好满足设计要求和活塞销的尺寸要求。另外，死金属区的金属流动形式相同，而不像采用普通加工时会产生流动缺陷，而且在两个方向上的流动速度也是连续变化的，这就意为着金属流动在整个过程中是一致的，不会出现限制其流动的死金属区。 图七 多级样板的修改过程 图八金属网的流动 3.2 驱动冲压模膛驱动模膛工艺被用来控制金属流动从而满足设计要求，这种设备采用向相反方向运动的模膛先与已经冲压成形的一侧接触（如图9所示），这样就有助于加快后冲压方向上的金属流动而减慢先冲压方向上的金属流动速度，采用这种工艺制作的活塞销，由于反方向冲压提前完成，而此时活塞正沿着这个方向移动从而增加了金属沿着这个方向的流动，这个工艺的首要变化因素是冲头与活塞的相对速率和金属材料与活塞之间的摩擦条件。在这个研究中，由于摩擦系数m0.1（在毛胚材料和模膛之间），模拟实验只与相对速率这一变量有关。如果相对速率小于满足同时成型最合适的速率，则在反向方向上的冲压过程就会比正向冲压提前完成，这样的话就会像采用普通加工一样在相同部位产生流动缺陷，相反，如果相对速率大于最适宜的速率，则正向冲压过程就会比反向冲压过程提前完成，这样就会在相反地部位产生缺陷。因此，为了满足设计要求，采用半分法可以找出最佳的相对速率，从结果来看，最佳的相对速率是0.48，图10和11显示了相对速率分别为0.1 、0.48、1.0时采用一次冲压变形过程和金属流动情况。图11（c）显示了当采用最佳相对速率0.48时的金属流动形式，它记录了一个可以防止缺陷产生的流动形式。图9轴向移动的箱体示意图图10根据相对速度比率变化的活塞销钉形态图11根据相对速度比率比较的金属3.3 修改模具结构这种被提出的修改模具结构的工艺可以限制金属在反方向上的流动，而在这个方向上容易提前完成变形，从而可以实现在两个方向上同时完成变形，采用这种工艺时，为了能在两个方向上同时完成变形过程而得到相同的变形长度，卸料器又被设计者重新采用，它是一种使冲头从制件中抽出的装置。如果采用普通加工工艺中的固定式卸料器，则由于材料流动受到限制，会出现死金属区，而此时产生的部位与采用双向冲压时产生在中间位置不同。因此，一种利用弹簧弹力的结构可以推迟金属材料沿反方向的流动。图12显示了这种模具结构，采用这种方法，选用合适的弹簧弹力对于满足变形同时完成的要求来讲是很重要的，因而有限元模拟可以计算出这种必要地弹力。从模拟结果来看，需要给卸料器施加5吨的弹力。图13展示了这种工艺下金属流动形式，与其它改进的工艺方法相比，这种工艺在死金属区没有出现不连续的流动速度，此处的金属流动形式是相同的。 图12使用冲压模板的凹模模子结构示意图 图13使用冲压模板的金属流动4.结果和实验通过有限元分析法分析出的三种方法中是适合防止金属的流动缺陷。每个方法的情况如下。第一种方法是初步加工的产品需要三级过程(预制， 正反压挤，穿孔)并且有一个简单的模具结构；第二方法是使用沿轴方向移动的冲孔模板；第三种方法是轴向移动的箱体需要二级过程(前后压挤，穿孔)并且有一个复杂的模具结构。关于在里面形成的负荷，这三个方法都非常相似。特别是在沿轴方向移动的大约10吨的箱体情况下形成最大的负荷比其他方法小，因为在穿孔过程中沿轴方向移动的箱体会增加材料的流动。通过表1分析出的方法为形成做出了比较。在这项研究过程中，一个用在初步加工产品的实验被进行，并且为了证实模拟结果所以使用一个250吨能力的多级样板。在穿孔之前，为了金属的观察蚀刻流动能够正常被进行，所以必须为活塞销做一个流动缺陷检查。图14就是表示这个实验结果，这种方法改变了初步加工的产品。实验结果证明了在缺陷区域内金属流动的缺陷是相同的，并且满足形成同时完成和在两个挤压方向长度相同。这种过程和模拟的结果相符。传统方法初步加工的产品的使用冲压模板的使用移动箱体的用途 最大负荷（吨）97.296.396.184.0挤压的过程2个阶段2个阶段1个阶段1个阶段缺陷存在不存在不存在不存在表1 各个方法的比较 图14 对流动缺陷的消除5.结论在这项研究过程中，流动缺陷过程和预防缺陷的过程都已经被有限元分析重新设计。，缺陷的原因已经被分析，并且通过分析已经模拟出了结果。从模拟结果中可以看出，有限元分析方法是可以防止流动缺陷并且满足生产过程中控制材料的流动状态。通过有限元分析的结果和实验的结果做比较，可以得出以下几个结论：（1）活塞销里存在流动缺陷的原因是材料限制死金属区域的流动。消除这个区域最重要的是控制材料的流动。（2）初步加工的产品设计和改变模具结构是使用轴向运动的挤压箱来消除挤压过程中出现的流动缺陷。（3）被提出的方法满足了工艺的要求，向前挤压的长度部分和落后的部分都是相同的，这些已经由实验所证实。参考文献：1 T.Altan，S.I.Oh，L.Gegel，Metal forming，ASM(1983).2 T. Okamoto，T. Fukuda，H. Hagita，Source Book on Cold Forming，ASTM，1997，pp. 216226.3 S.W.Oh，T.H.Kim，B.M.Kim，J.C.Choi，KSME 19 (12) (1995) 31213129.4 R.C.Batra，N.V.Nechitailo，Int.J.Plast. 13 (4) (1997) 291306.5 A.S. Wifi，A.Abdel-Hamid，N. El-Abbasi， J. Mater. Process. Technol.77 (1998) 285293.6 D.J. Kim，B.M. Kim，J. KSTP 8 (6) (1999) 612619.7 D.C. Ko，Pusan National University Dissertation，1998.8 T. Altan，M. Knoerr，J. Mater. Process. Technol. 35 (1992) 275302.9 K. Osakata，X. Wang，S. Hanami，J. Mater. Process. Technol. 71 (1997) 105112.10湖南工学院毕业设计(论文)工作中期检查表题目汽车玻璃升降器复合拉深模的设计学生姓名李龙斌班级学号0805专业材料成型及控制工程指导教师填写学生开题情况学生调研及查阅文献情况毕业设计（论文）原计划有无调整学生是否按计划执行工作进度学生是否能独立完成工作任务学生的英文翻译情况学生每周接受指导的次数及时间毕业设计（论文）过程检查记录情况学生的工作态度在相应选项划“”认真一般较差尚存在的问题及采取的措施：指导教师签字： 年 月 日系部意见： 负责人签字：年 月 日湖南工学院毕业设计(论文)开题报告题目汽车玻璃升降器复合拉深模的设计学生姓名李龙斌班级学号08201240539专业材料成型及控制工程1 国内外研究现状机械制造业是制造业的重要组成部分，是国家工业体系的重要基础和国民经济各部门的装备部。机械制造技术水平的提高与进步对整个国民经济的发展，以及科技、国防实力的提高有着直接的重要影响，是衡量一个国家科技水平和综合国力的重要标志之一。进入21世纪以来，世界机械制造业进入前所未有的高速发展阶段，由于模具业与各行业都有密切相关，所以，精密模具已使模具行业成为一个与高新技术产品互为依托的产业。例如，制造集成电路引线框架的精密级进冲模（连续模具）和精密的集成电路塑封模；微机的机客、接插件和许多元器件制造中的精密塑胶模具与精密冲压模具等，都是电子产品生产不可或缺的工具装备。作为国民经济增长和技术升级的原动力，机械工业将伴随高新技术和新兴产业的发展而发展，并充分体现先进制造技术向集成化、数字化、智能化、全球化、柔性化、网络化和绿色制造方向发展的总趋势。和其他行业相比，当前机械制造业的发展具有以下几大特征：地位基础化，发达国家重视机械制造业的发展，不仅在本国工业中所占比重、积累、就业、贡献均占前列，更在于机械制造业为新技术、新产品的开发和生产提供了重要的物质基础，即使是迈进“信息化社会”的工业化国家，也无不高度重视机械制造业的发展。20世纪80年代，美国由于缺乏对制造科学的重视，使他们的许多产品缺乏竞争力。为此，美国政府于1990年、1993年和1997年分别实施了“先进技术计划”、“先进制造技术计划”和 “下一代制造行动框架”，以推动美国机械制造业的进一步发展。德国制造业在90年代中期也出现了竞争力明显下滑的趋势，德国政府于1995年提出了实施“2000年生产计划”以推动信息技术促进制造业的现代化和提高制造领域的研究水平；2002年又分别推出了“IT2006研究计划”和“光学技术-德国制造”计划，投资30多亿欧元，研究电子制造技术和设备、新型电路和元件、芯片系统以及下一代光学系统。日本早在1989年就发起过“智能制造系统”计划，研究开发全球化制造、下一代制造系统、全能制造系统等技术；1995年日本通产省发起旨在推动工业基础研究的“新兴工业创新型技术研究开发促进计划”；2004年又启动了“新产业创造战略”，为制造业寻找未来战略产业。这已引起美国、欧洲、日本在机械制造技术上新一轮的竞争。 产品高技术化，信息、生物、纳米、新能源和新材料等高新技术的迅猛发展，传统制造技术与高新技术的相互融合，对机械制造业的发展起到了推动、提升和改造的作用，导致了机械制造业传统生产方式的变革，并引发出精益生产、敏捷制造、虚拟企业等新的生产方式。随着信息装备技术、工业自动化技术、数控加工技术、机器人技术、先进的发电和输配电技术、电力电子技术、新型材料技术和新型生物、环保装备技术等当代高新技术成果在机械制造业中的广泛应用，使机械产品不断高技术化，其高新技术含量已成为市场竞争取胜的关键。多方位全球化，近年来, 由于高科技的重大突破，尤其是信息技术的飞速发展，世界制造业发生了重大变化，最突出的特征是制造业全球化趋势加强，制造企业竞争在全球多方位展开。制造业多方位全球化主要包括产品制造的跨国化迅猛发展；价值链中与制造紧密相联的各个环节朝着全球化方向迈进；制造业企业的跨国并购、重组和整合；制造资源在世界范围内的调剂、共享和优化配置；跨国界信息基础设施的建设和维护正日益受到各国政府和企业界的重视等，世界制造业正向生产全球化、销售全球化、融资全球化、服务全球化和研发全球化的方向发展，全球制造体系正在迅速形成等。经营规模化，全球化的规模生产已经成为各大跨国公司发展的主流。一方面，规模化生产使得垄断性跨国公司的技术创新和市场主导作用日益增强，例如在汽车产业领域，目前年产超过400万辆的企业集团已有6家，产量占世界汽车产量的80%以上；在电力设备领域，世界前三大公司控制了全球大型电力设备市场的70%。另一方面，各大跨国公司在不断联合重组，扩张竞争实力的同时，纷纷收缩战线，剥离非主营业务，以精干主业，提高系统成套能力和个性化、多样化市场适应能力。作为规模化生产的前提和条件，生产高水平零部件和配套产品的“中场产业”快速发展，社会化生产服务体系不断完善，产业的国际化步伐不断加快。结构调整深化，经过多年的经济转型和产业升级，发达国家逐渐加大了产业转移的力度。发达国家逐渐着力于研发和品牌营销，控制核心技术和经营技巧，而把加工制造环节转移出去，机械产品中附加值低的产品被安排到有市场潜在需求的发展中国家生产。而发展中国家则在全球产业链和价值链中，寻求自己的发展空间，明确自己的发展定位，承接某种产业环节转移，着力于加工制造环节。如耐克公司是一个典型的微观案例。耐克公司掌握产品设计、关键技术，授权越南、中国等国外生产厂商按其产品规格、技术标准生产产品，自己则在全球建立营销网络，进行产品的广告宣传与销售及提供售后服务。为适应市场需求的变化，各大生产商纷纷采取专业化生产，“单品种，大批量”已成为很多500强企业生产方式的新特色。同时，以生产者为主导的生产方式逐步向以消费者为主导的定制生产方式转变。2 课题研究的目的和意义2.1 本课题的研究目的和意义是：模具在汽车，飞机，工程机械，动力机械，冶金，机床，轻工，日用五金等制造业中，起着极其重要的作用。查阅文献，了解CAD/CAM、PROE的相关理论知识并熟练操作;熟悉并应用有关手册、标准、图标等技术资料;提高识图、制图、运算和编写技术文件的基本技能；了解各类冲压成形规律，成形工艺设计与模具设计以及各类冲压模具零件的不同加工方法，加工工艺及装配方法。3 课题研究的主要内容和关键技术3.1 本课题研究的主要内容包括以下几个方面：（1） 熟悉运用相关手册、标准、图表等技术资料。（2） 隔板零件图及其零件的落料毛坯图。（3） 冲槽、冲孔、落料总装图及其主要零件图。（4） 机械加工及其连续模的工艺流程。3.2 研究难点包括以下几个方面：（1） 机械加工过程与工艺规程。（2） 典型零件的加工工艺。（3） 冲压成形性能与力学性能之间的关系。（4） 冲裁件尺寸精度的控制。（5） 线切割加工在冲压模具零件加工中的应用。3.3 课题研究的关键技术： （1） 制图的合理性；手册、图表的正确合理应用。（2） 根据料厚大小，冲件平整度要求，模具结构等，决定卸料方式。 （3） 了解正确的机械加工工艺规程。 课题研究文案：该工件包括冲槽冲孔落料、三个基本工序，可有以下三种工艺方案：方案一：先落料，后冲孔-冲槽。采用单工序模生产。方案二：落料-冲孔-冲槽复合冲压。采用复合模生产。方案三：冲槽-料冲孔-落级进冲压。采用级进模生产。方案一模具结构简单，但需三道工序三副模具，成本高而生产效率低，难以满足中批量生产要求。方案二只需一副模具，工件的精度及生产效率都较高，但模具制造难度大，并且冲压后成品件留在模具上，在清理模具上的物料时会影响冲压速度，操作不方便。方案三也只需一副模具，生产效率高，操作方便，工件精度也能满足要求。通过对上述三种方案的分析比较，该件的冲压生产采用方案三为佳。 实施计划.1 本学期：（1） 1-2周 毕业设计开题报告及开题答辩。（2） 3-8周 进行毕业设计的理论研究、方案设计、软硬件设计、工艺设计、实验测试等，中期检查。（3） 911周 撰写毕业设计论文并完成初稿。（4） 1213周 指导教师检查、批改论文；学生修改论文，定稿。毕业设计答辩资格审查。（5） 14周 毕业设计答辩指导教师批阅意见 指导教师(签名)： 年 月 日注：可另附A4纸湖南工学院2012届毕业设计（论文）指导教师评阅表 系：机械工程学院 专业：材料成型及控制工程 学生姓名李龙斌学 号08201240539班 级0805专 业材料成型及控制工程指导教师姓名任芝兰课题名称汽车玻璃升降器复合拉深模的设计 该同学按毕业设计任务书基本独立完成了全部工作量，能独立查阅查看相关中英文文献，具备有一定的阅读外文资料的能力，并能从中获取各种信息及新知识，毕业设计合理、可行的实验方案，文章较通顺，图表能达到规范，结构较严谨，结论正确。从完成毕业设计的情况来看，该同学具备了一定的分析问题和解决问题的能力。是否同意参加答辩：是 否指导教师评定成绩分值：指导教师签字： 年 月 日湖南工学院2012 届毕业设计（论文）答辩及最终成绩评定表 系：机械工程学院 专业：材料成型及控制工程学生姓名李龙斌学号08201240539班级0805答辩日期6月1日课题名称汽车玻璃升降器复合拉深模的设计指导教师任芝兰成 绩 评 定分值评 定小计王志坚任芝兰邓兴贵王雪芳课题介绍思路清晰，语言表达准确，概念清楚，论点正确，实验方法科学，分析归纳合理，结论严谨，设计（论文）有应用价值。30答辩表现思维敏捷,回答问题有理论根据，基本概念清楚，主要问题回答准确大、深入,知识面宽。必答题40自由提问30合 计100答 辩 评 分分值：答辩小组长签名：答辩成绩a： 40指导教师评分分值：指导教师评定成绩b： 40评阅教师评分分值：评阅教师评定成绩c： 20最终评定成绩： 分数： 等级：答辩委员会主任签名： 年 月 日说明：最终评定成绩a+b+c，三个成绩的百分比由各系自己确定，但应控制在给定标准的10左右。湖南工学院毕业设计（论文）答辩资格审查表题 目汽车玻璃升降器复合拉深模的设计学生姓名李龙斌学 号08201240539专 业材料成型及控制工程指导教师任芝兰内容综述（对毕业设计或论文的研究步骤和方法、主要内容及创新之处进行综述，提出答辩申请）： 申请人签名：李龙斌 日期：5月31日资 格 审 查 项 目是否01工作量是否达到所规定要求02文档资料是否齐全（任务书、开题报告、外文资料翻译、定稿论文及其相关附件资料等）03是否完成任务书规定的任务04完成的成果是否达到验收要求05是否剽窃他人成果或者直接照抄他人设计（论文）指导教师签名： 毕业设计（论文）答辩资格审查小组意见：符合答辩资格，同意答辩 不符合答辩资格，不同意答辩审查小组成员签名： 年 月 日注：此表中内容综述由学生填写，资格审查项目由指导教师填写。Journal of Materials Processing Technology 139 (2003) 422427New processes to prevent a flow defect in the combinedforwardbackward cold extrusion of a piston-pinD.J. Leea, D.J. Kimb, B.M. Kimc,aDepartment of Precision Mechanical Engineering, Graduate School, Pusan National University, Pusan, South KoreabDepartment of Mechanical Design Engineering, Graduate School, Pusan National University, Pusan, South KoreacDepartment of Mechanical Engineering, Engineering Research Center for Net Shape and Die Manufacturing, Pusan National University, No. 3,Janjeon-Dong, Kumjeong-Ku, Pusan 609-735, South KoreaAbstractA flow defect of a piston-pin for automobile parts are investigated in this study. In the combined cold extrusion of a piston-pin, a lappingdefect,whichisakindofflowdefect,appearsbythedeadmetalzone.Thisdefectisevidentinproductswithasmallthicknesstobepiercedand is detrimental to dimensional accuracy and decrease of material loss. The flow defect that occurs in the piston-pin has bad effects onthe strength and the fatigue life of the piston-pin. Therefore, it is important to predict and prevent the defect in the early stage of processdesign. The best method that can prevent the flow defect is removing or reducing dead metal zone through the control of material flow.Finite element simulations are applied to analyze the flow defect. This study proposes new processes which can prevent the flow defect byremoving the dead metal zone. Then the results are compared with the results of experiments for verification. These FE simulation resultsare in good agreement with the experimental results. 2003 Elsevier Science B.V. All rights reserved.Keywords: Flow defect; Piston-pin; Material flow control; Forwardbackward extrusion; Dead metal zone; FE simulation1. IntroductionCold forming is extremely important and economical pro-cesses, especially for producing parts in large quantities.Because of advantages of cold forming such as high pro-duction rates, excellent dimensional tolerances and surfacefinish, mechanical and metallurgical properties, cold form-ing is by far the largest application of industry for producingparts.However, cold forged parts are also used in manufactur-ing aircraft, motorcycles, nuts and bolts 1, but it is possiblefor defects to occur in forged parts, depending on the de-formation history, forming conditions and material flow pat-tern, etc. The kind of defects are ductile fracture caused bythe state of stress and the deformation history, flow defectscaused by unstable material flow, and poor dimensional tol-erances caused by inferiority of the die and friction condi-tion. Further, defects in forged parts are classified as internaldefects and external defects 24.These defects have harmful effects on the quality of theproduct and an increase in the cost of production. Therefore,Corresponding author. Tel.: +82-51-510-3074; fax: +82-51-514-7640.E-mail address: bmkimpusan.ac.kr (B.M. Kim).it is important to predict and prevent defects in the earlystage of process design.Wifiet al. 5 studied ductile fracture in bulk formedparts, using different workability criteria by the finite ele-ment method. Kim and Kim 6 studied internal and exter-nal defects of cold extruded products with double ribs andperformed process design to prevent these defects.In this study is examined a defect which occurs in produc-ing a forwardbackward extrusion product, a piston-pin foran automobile part, and new processes are designed to pre-vent the defect by finite element method in the early stageof process design. Then the results are compared with theresults of experiments for verification.2. Forming and defect-occurrence analysis2.1. Forming processThe piston-pin is an automobile components used in thetransmission of power between the connecting rod and thecrankshaft. In the cold extrusion of a piston-pin, the designrequirements are to keep the same height of the forwardextruded part and the backward part (Fig. 1) without anydefect in the forged product, for use under high and repeated0924-0136/03/$ see front matter 2003 Elsevier Science B.V. All rights reserved.doi:10.1016/S0924-0136(03)00515-6D.J. Lee et al./Journal of Materials Processing Technology 139 (2003) 422427423Fig. 1. Shape and dimension of the piston-pin.Fig. 2. Photograph of a flow defect of a piston-pin.load. The material used for the piston-pin is AISI-4135H(Fig. 2) alloy steel, with the following flow stress behavior: = 768.06 0.139(MPa)Fig. 4. Distribution of effective strain and fracture value.Fig. 3. Conventional forming process for a piston-pin.The lubricant used is phosphate coating and bond lube. Thefriction factor, m, is assumed to be 0.1, which is confirmedby the ring compression test.The sequence of the conventional process for thepiston-pin is performed using a multi-stage former (Fig. 3).The first and second stages are pre-upsetting to eliminatedefects by the cropping process such as ovality and ec-centricity of the billet for improvement of dimensionaltolerances and die life whilst the third and forth stages areforward or backward extrusion for the forming of one di-rection from the web, and final stage is the piercing processfor the pin shape.However, the results of experiment for the conventionalprocessdisplayedadefectinthewebpartformedearlyinthethird process (Fig. 3). Especially, a nonuniform flow patternis observed in part of the defect occurrence, which lookslike a flow defect similar to lapping with an undesirable flowpattern.2.2. Prediction of defects by FE analysisDEFORM is used, which is commercial code of arigid-plastic FE program for forming and defect analy-sis. The diameter of the initial billet is 30mm and theheight is 61mm, the whole volume of final product being424D.J. Lee et al./Journal of Materials Processing Technology 139 (2003) 422427Fig. 5. Metal flow and velocity distribution, where a defect occurs according to stroke.43,118mm3. The forming is simulated with a conventionalprocess sequence.The maximum fracture value that can estimate the occur-rence of a crack 7 is small at 0.08 and is distributed ina position within the head part of the punch, so that a de-fect does not occur. Thus this defect is not one due to duc-tile fracture (Fig. 4). Then flow line-tracking scheme thatwas proposed by Altan and Knoerr 8 is performed for de-fect analysis. According to the progress of the punch stroke,severe variation of flow lines appears and discontinuity ofvelocity occurs in the part that a defect occurred in the ex-periment (Fig. 5).Consequently, the metal flows only in the backward di-rection without flow to the forward direction in the fourthprocess and metal near the web part is pulled up in the ribpart like a lapping defect. Therefore, the cause of the ini-tiation and development of the flow defect that occurred inpiston-pin is the velocity discontinuity between backwardand forward direction by the formation of a dead metalzone. This appearance evidently occurs in products like apiston-pin with a low thickness to be pierced for the dimen-sional accuracy and the decrease of material loss. A flowdefect occurring in a piston-pin has harmful effects on thestrength and the fatigue life of a piston-pin that has high andrepeated load at high temperature. Therefore, it is necessaryfor a new process to prevent the flow defect.3. Process redesign and analysis for the preventionof defectThe cause of the initiation and development of the flowdefect is the restriction of metal flow by the dead metalzone. For the elimination of the dead metal zone in theearly extruded part (3rd process) in the conventional process,the forward or backward extrusion process is modified tocombined forwardbackward extrusion, which is performedsimultaneously in the two directions. Because of the varietyof extrusion ratios and lengths in the forward and backwarddirections, the simultaneous completion of the material flowin the both directions is very difficult. Consequently, one ofthe directions is completed early, then material flow stoppedand dead metal zone appears in this part just like that in theconventional process.Therefore, in the case of piston-pin forming, the extrusionratio and the length of both directions are the same at 1.89and51mm.First,analysisofopendieforwardbackwardex-trusion is performed for an investigation of extrusion lengthsof the piston-pin. The difference of two extruded ribs is24.9mm and the backward extruded rib is shorter than theforward extruded rib as shown in Fig. 6.The metal flow of backward direction must be restrictedcompulsorily for the satisfaction of the design conditionsand this means the occurrence of a dead metal zone. There-fore, for the same extrusion length in both directions, threeFig. 6. Extrusion length in forwardbackward extrusion.D.J. Lee et al./Journal of Materials Processing Technology 139 (2003) 422427425Fig. 7. Modified process sequence for a multi-stage former.methods are proposed to control the metal flow without thecompulsory restriction of metal flow3.1. Change of preform shapeTo secure the same length of both directions from thecenter of web, it is required that the backward extrudedrib is performed by preform design as the difference ofboth-direction lengths at 24.9mm from the above results,before forwardbackward extrusion. Fig. 7 shows the mod-ified process sequence, and Fig. 8 shows the metal flow ofthe final stage of forwardbackward extrusion in this case.From the results of simulation, the lengths of two extrudedribs are 51mm, which is the dimension of the piston-pin andsatisfied the design condition. In addition, the metal flow isuniform in the defect zone where the flow defect occurredin the conventional process, and there is not a discontinu-ity of velocity in both extrusion directions. This means thatmetal flows uniformly in the whole process without a deadmetal zone by restriction of metal flow.Fig. 8. Metal flow of web in case of using preform.Fig. 9. Schematic diagram of the axially moving container die structure.3.2. Driving of extrusion containerThe driving extrusion container method 9 is used formetal flow control for the satisfying of the design condi-tion. This structure is that the extrusion container is movedin the counter direction to the early extruded one (Fig. 9).This has the effect of increasing the metal flow in the lateextruded direction and restricting metal flow in the early ex-truded direction. In the case of the piston-pin, because ofthe early completion of backward extrusion, the extrusioncontainer is moved in the forward direction for the increaseof metal flow to this direction. In this process, the princi-pal process variables are the relative velocity ratio of thepunch and the moving extrusion container, and the frictioncondition between the material and the moving extrusioncontainer.In this study, because the friction factor, m, is 0.1 be-tween the material and container, simulation is performedonly according to the variation of the relative velocity ratio(VC/VP= 0.1, 0.25, 0.5, 0.75, 1.0). If the relative velocityratio is smaller than the optimum which can complete form-ing simultaneously, extrusion in the backward direction iscompleted earlier than in the forward direction and a flowdefect occur in the same part as in the conventional process.Otherwise, if the relative velocity ratio is larger than the op-timum one, extrusion in the forward direction is completeearlier than backward direction and a flow defect occurs inthe opposite part to where a defect occurs in the conven-tional process.Therefore, for satisfaction of the design conditions, theoptimum relative velocity ratio is searched for by an opti-mization technique, the bisection method. From the result,the optimum relative velocity ratio is 0.48. Figs. 10 and 11show the deformation modality and metal flow according tothe relative velocity ratio (0.1, 0.48, 1.0) for a punch strokeof 42.7mm, respectively. Fig. 11(c) shows the metal flow426D.J. Lee et al./Journal of Materials Processing Technology 139 (2003) 422427Fig. 10. Deformation modality of the piston-pin according to the relative velocity ratio.Fig. 11. Comparisons of metal flow according to the relative velocity ratio.at the optimum relative velocity (0.48) where an improvedflow pattern without a flow defect can be noted.3.3. Modification of die structureA modification of the die structure is proposed whichcan restrict the metal flow of backward direction, which isdeformed early, for simultaneous completion of extrusion inboth directions. In this case, for simultaneous completionand the same length in both directions, the stripper, which isFig. 12. Schematic diagram of die structure using stripper.equipmentforpunchextractionfromproducts,isredesigned.If a fixed stripper of conventional type is used, a dead metalzone appears from the middle stage of backwardforwardextrusion by the restriction of material flow.Therefore, a structure is used that can delay the metal flowin the backward direction by spring force. Fig. 12 showsthe die structure. For this method, it is very important todecide the proper spring force for simultaneous completionof forming. Therefore, the necessary spring force for this iscalculated by FE simulation. From the simulation result, itwas 5t to be applied load to stripper. Fig. 13 shows metalflow in this case. The metal flow is similarly uniform at thedefect zone without discontinuity of velocity in comparisonwith other modification methods.Fig. 13. Metal flow of web in case of using stripper.D.J. Lee et al./Journal of Materials Processing Technology 139 (2003) 422427427Table 1Comparison process for each of the proposed methodConventional methodUse of preformUse of stripperUse of moving containerMaximum load (t)97.296.396.184.0Process of extrusion2 stage2 stage1 stage1 stageDefectExistNoneNoneNone4. Results and experimentFrom the FE simulation, the three proposed methodsare proper to prevent a flow defect by metal flow control.The characteristics of each process are as follows. The firstmethod that uses a preform needs three stage processes (pre-forming, forwardbackward extrusion, piercing) and has asimple die structure; however, the second method that usesa stripper and the third method that uses an axially mov-ing container need two-stage processes (forwardbackwardextrusion, piercing) and have a complex die structure. Inrespect of the forming load, the processes are similar toeach other.Especially,themaximumformingloadissmallerthanthatof other processes by about 10t in the case of the axiallymoving container, because the axially moving container in-creases material flow in the direction punch movement. It iscompared with the proposed method for forming by a pressin Table 1. In this study, an exp