（机械电子工程专业论文）轿车座椅骨架冷挤压成型设备关键技术研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 现代社会对汽车的需求迅猛发展，推动汽车制造业不断前进，对汽车零部 件制造设备也提出更高的要求。不仅要有较高的生产率，同时需要产品达到一 定的强度和精度。汽车座椅骨架作为汽车座椅的基本框架，是直接与人接触的 汽车部件，需要满足一定的舒适性和安全性要求。在对现有座椅骨架结构进行 分析之后，提出采用冷挤压工艺。冷挤压是精密塑性体积成形技术中的一个重 要组成部分，属于先进制造技术。在对冷挤压技术和冷挤压机械产品进行大量 研究的基础上，以座椅骨架装配为研究对象，开发了轿车座椅骨架冷挤压成型 设备，并对冷挤压力，挤压模具的设计等若干关键问题进行了探讨。本文的主 要研究内容如下： 对冷挤压技术国内外发展状况进行了较为详尽的论述，根据目前冷挤压设 备的发展情况，特别是国内冷挤压轿车座椅骨架成型设备较少，提出了本论文 的研究意义和研究内容。 详细研究了金属塑性成形的基本原理，介绍了刚粘塑性有限元法的基本理 论，为冷挤压成型过程分析奠定了理论基础。对冷挤压的不同方式和优缺点进 行比较。介绍了常用的冷挤压设备的执行元件，比较了液压传动和机械传动的 优缺点。 对被挤压件毛坯进行定量计算，同时分析了用于冷挤压工艺的工件材料。 运用不同方法对冷挤压力进行计算，确定设备吨位大小。在此基础上进行了轿 车座椅冷挤压成型设备的整体设计，介绍了各个部分的结构和功能，以及设备 的整机工作过程。 采用金属流动有限元分析软件d e f o r m 对挤压过程进行模拟，获得了大量的 工艺参数，验证现有冷挤压工艺方案的可行性和合理性。进行了样机试验，证 实了本文所用计算方法符合实际生产情况。 最后概括了本文的主要工作，对研究成果进行了总结并提出了展望。 关键词：汽车座椅骨架冷挤压装配d e f o r m v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e m a n d so fm o t o rv e h i c l e sw h i c hd e v e l o p e dr a p i d l yi nm o d e ms o c i e t y h a v ep r o m o t e dt h ea u t o m o t i v ei n d u s t r y h i g h e rr e q u i r e m e n t sf o ra u t o m o t i v ep a r t s m a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n t sh a v eb e e np u tf o r w a r d t h e ys h o u l dn o to n l yh a v eh i g h p r o d u c t i v i t yb u ta l s om a k et h er e q u i r e ds t r e n g t ha n da c c u r a c yo fp r o d u c t s a st h e b a s i cf r a m e w o r ko fc a r - s e a t ，c a rs e a tf r a m ei st h ea u t o m o t i v ep a r ti nc o n t a c td i r e c t l y w i t hh u m a nb e i n g s i tn e e df i tt h er e q u i r e dc o m f o r ta n ds a f e t yr e q u i r e m e n t u n d e r t h es t r u c t u r ea n a l y s i so ft h ee x i s t i n gs e a tf r a m e ，c o l de x t r u s i o np r o c e s sh a sb e e n p r o p o s e d c o l de x t r u s i o ni st h ev o l u m eo fp r e c i s i o np l a s t i cf o r m i n gt e c h n o l o g ya sa n i m p o r t a n tc o m p o n e n t ，w h i c hb e l o n g st ot h ea d v a n c e dm a n u f a c t u r i n g o nt h eb a s i so f a b u n d a n tr e s e a r c ho nt e c h n o l o g ya n dp r o d u c t sa b o u tc o l de x t r u s i o n ，w es t u d yt h e a s s e m b l yo ft h es e a tf l a m ea n dd e v e l o pac o l de x t r u s i o nm o l d i n ge q u i p m e n tf o rc a r s e a tf r a m e af e wk e yi s s u e s ，s u c ha st h ep r e s s u r ec a l c u l a t i o na n dd i e sd e s i g nh a v e b e e nd i s c u s s e d t h em a i nc o n t e n t sa r ei n c l u d e da sf o l l o w i n g ： b r i e f l yi n t r o d u c e st h ep r i n c i p l ea n ds e n s eo fm e t a lm o l d i n gt h e o r ya n dt h e d e v e l o p i n gs t a t u so fc o l de x t r u s i o nt e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a d b a s eo nt h e d e v e l o p m e n to fc o l de x t r u s i o nm a c h i n e ，e s p e c i a l l yl e s sd o m e s t i cs t u d i e sf o rc a r - s e a t f r a m e w o r ka s s e m b l y , w eb r i n go u tt h i sp a p e r ss e n s ea n dc o n t e n t t h i sp a p e rs t u d i e st h eb a s i cp r i n c i p l eo fm e t a lp l a s t i cf o r m i n g t h eb a s i ct h e o r y o fr i g i dv i s c o p l a s t i cf i n i t ee l e m e n tm e t h o dh a sb e e np a r t i c u l a r l ye x p l a i n e d t h i sh a s e s t a b l i s h e dt h et h e o r e t i cf o u n d a t i o nf o rt h ef o l l o w i n gc o l de x t r u s i o np r o c e s sa n a l y s i s t h ed i f f e r e n tw a y so fc o l de x t r u s i o n ，a sw e l la st h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ， h a v eb e e nd i s c u s s e d t h eg e n e r a li m p l e m e n t a t i o nc o m p o n e n t so fc o l de x t r u s i o n e q u i p m e n t sh a v eb e e ni n t r o d u c e d m e a n w h i l e ，t h i sp a p e rc o m p a r e sh y d r a u l i c 仃a n s m i s s i o nw i t hm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n t h es i z eo fw o r k - p i e c eh a sb e e nc a l c u l a t e do nt h er o u g hq u a n t i t a t i v et e r m s a t t h es a m et i m e ，t h ew o r k - p i e c em a t e r i a lh a sb e e na n a l y s e dc o n c r e t e l y o nd i f f e r e n t v i 上海大学硕十学位论文 m e t h o d s ，t h ef o r c eo fc o l de x t r u s i o nh a sb e e no b t a i n e d ，s ot h a tt h et o n n a g eo ft h e m a c h i n ec a nb ed e t e r m i n e d t h e r e f o r e ，t h eo v e r a l ld e s i g no ft h em o l d i n ge q u i p m e n t h a sb e e nd o n e t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no fv a r i o u sp a r t s ，a s w e l la st h ew h o l ew o r k i n gp r o c e s s w i t ht h eh e l po ft h em e t a lf l o wf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ，d e f o r m 一3 d ， t h ec o l de x t r u s i o np r o c e s sh a sb e e ns i m u l a t e d a n dal a r g en u m b e ro fp r o c e s s p a r a m e t e r sh a v eb e e no b t a i n e d ，a sh a sv a l i d a t e dt h ef e a s i b i l i t ya n dr a t i o n a l i t yo ft h e c o l de x t r u s i o np r o c e s su s e di n t h i sp a p e r t h ep r o t o t y p et e s t sh a v eb e e nc o n d u c t e d ， a sc o n f i r m st h a tt h er e s e a r c hm e t h o d su s e di n t h i sa r t i c l ea r ei n1 i n ew i t ht h ea c t u a l p r o d u c t i o ns i t u a t i o n a tl a s t ，s u mu pt h ep a p e r sm a i n w o r ka n dp r o d u c t i o n ，p u tf o r w a r dn e w p r o s p e c t k e y w o r d s ：c a r - s e a t ； d e f o r m f r a m e w o r k ； e x t r u s i o n ； a s s e m b l y ； v i i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：诹日期：型型 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：垂堕鹭堕导师签名：窖啦日期：建墨! ：二二 上海大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于上海延峰江森汽车座椅有限公司和上海机电工程设计院合作 的重点项目“b 2 9 9 轿车座椅生产线”的c r i m pm a c h i n e 设备。本项目依据延峰 江森公司对轿车座椅骨架的生产技术要求，研究设计了适用于轿车座椅骨架装 配的冷挤压成型设备c r i m pm a c h i n e ，可实现不同规格产品的一次装配成型及快 速换线。 1 2 轿车座椅骨架冷挤压成型设备的研究背景 近年来，轿车的使用量逐年递增。特别是随着国家经济的日益强大，人民生 活水平的不断提高，私家车的保有量持续创下新高，人民的日常生活同汽车的联 系愈来愈紧密；同时对轿车也提出了越来越高的要求。轿车已经不单纯是一种运 载工具，更成为“人、汽车与环境的组合体。 作为汽车内饰的重要组成，座椅一直是舒适驾乘的关键环节之一，受到很大 的重视。汽车座椅的主要功能是为驾乘人员提供便于操纵、舒适、安全和不易疲 劳的座椅 1 1 。从服务对象出发，汽车座椅必须要满足舒适性和安全性两大要求。 1 2 1 座椅的舒适性要求 所谓座椅的舒适性是指汽车座椅应尽可能使驾乘人员脊柱处于正常生理弯 曲状态，使各部分肌肉放松，身体屈伸部位的角度以及受压部位要有利于人体 保持正常的血液循环。汽车座椅应该满足静态舒适性与动态舒适性两个方面的 要求。 1 静态舒适性 所谓静态舒适性是指座椅的静态几何尺寸、表面形状适合于人体舒适坐姿， 满足人体生理、心理要求的性能。 l 海大学坝十位论文 处于坐姿状态下，支持人体的主要结构是脊柱、骨盆、腿和脚等。舒适的 坐姿应当支持脊柱使其逼近自然弯曲弧形( 图卜1 ) ，在此位置状态下，椎骨支 承表面的相互位置是正常的，因而椎间盘没有滑出其正常位置的趋势j 。 有研究表明，为使脊柱达到自然弯曲弧形，最佳的坐姿应当是：臀部稍离 靠背向前移，使上体略向上后倾斜，保持上体与大腿自j 角度在9 0 1 1 5 。，同时， 小腿向前伸，大腿与小腿、小腿与脚掌之间也应达到一定角度，如图卜2 所示， 否则会造成腰部酸痛、疲劳等不适的感觉。此时，腰椎、骶骨和椎间盘及软 组织承受坐姿时上身大部分负荷( 图卜3 ) 】。 圈1 - 1 脊枉支持在正常弯曲弧形 图1 - 3 脊柱的形状及组成图1 4 座椅各部分受力图 上海人学硕士学位论文 根据人机工程学的研究，最舒适的坐姿分布应保证：人体的大部分质量应 以较大的支承面积、较小的单位压力合理地分布到坐垫和靠背上；压力分布应 从d , n 大平滑地过渡，避免突然变化。图1 - 4 所示为人体的靠背和坐垫上最适 宜的体压分布f 8 - 9 1 。由图可见，人体质量作用在座椅上的压力并非均布。 2 动态舒适性 动态舒适性是指座椅衰减传递给人体的振动与冲击的性能。来自路面的振 动( 或激励) 通过轮胎、汽车悬架和座椅三个减振环节传递到人体，每一部分 的传递特性都影响乘员的舒适程度。与轮胎和悬架相比，改变座椅动态参数对 汽车的其他使用性能没有影响，而且制造方便易行，周期短、见效快。因此， 研究和改善座椅动态性能对提高汽车乘坐舒适性有着十分重要的意义。座椅的 振动特性参数有两个：一个是刚度，它决定座椅的共振频率；另一个是阻尼系 数，它决定座椅的振动衰减特性。汽车座椅的动态舒适性还与人体的振动特性 密切相关 1 0 1 。 1 2 2 座椅的安全性要求 所谓座椅的安全性是指汽车座椅能有效地防止汽车事故的发生，并在事故发 生时能最大限度地减轻对驾驶员及乘员造成伤害的能力，它包括主动安全性和被 动安全性。主动安全性是指汽车能够识别潜在的危险因素自动减速，或当突发的 因素作用时能够在驾驶员的操纵下避免发生碰撞事故的性能；被动安全性是指汽 车发生不可避免的交通事故后，能够对车内乘员或车外行人进行保护，以免发生 伤害或使伤害降低至最低程度的性能【1 1 - 1 2 。汽车座椅不仅要减轻驾驶员及乘员的 疲劳来满足主动安全性要求，还要与安全带和安全气囊一起对乘员定位的同时缓 解碰撞的强度，使乘员的损伤指标达到最小【l3 1 。 1 2 3 汽车座椅的结构 现代轿车的座椅是由座垫、靠背、头枕、骨架、侧背支撑和调节装置等组 成( 图卜5 ) 。它们具有一定的表面形状，座面和靠背的外形曲线与人体放松状 海大学碳十学位论文 态下的背部曲线相吻合乘员入座后座椅的表面形状与体压分布能使乘员的肌 肉处于最放松的状态，能支撑到腰椎部位，长时间驾驶也不易感到疲劳。 头枕 恻背支撑 压垫 调节 装置 图1 - 5 轿午座椅的结构图1 6 轿车座椅坐盆骨架结构 位穆 装置 座椅骨架是汽车座椅的基础结构，可分为靠背骨架、坐盆骨架两部分。座 椅旨架常用轧制型材( 钢管、型钢) 制造或用钢板冲压焊接而成，并用螺栓直 接固定或通过座椅固定装胃将座椅总成固定到车辆结构上 1 ”。座椅骨架中又 以坐盆骨架为主要的承重部件。从前文座椅静态舒适性的研究中可以发现( 图 卜4 ) ，坐稚骨架所受的力占到整个座椅承受总压力的8 0 左右。 图1 6 所示是坐盆骨架的基本结构，包含有支撑板、调节装置、锁止装置 及座垫几个部分。座椅纵向位移调节装置、垂直位移调节装置、角位移调节装 置等是与座椅相关的一些机械装置”“1 。纵向位移调节装置可调整座椅与车内 前方驾驶区域的前后距离，垂直位移调节装置可调节座椅的上下位置高度，角 位移调节装置可调节靠背与座垫问角度。 1 3 轿车座椅骨架冷挤压成型设备的研究意义 从2 0 0 2 年开始，我国汽车工业进入了快速发展时期，其发展令世界注目。 2 0 0 6 年，国内的汽车产量达到7 2 8 万辆，首次超过德国，成为仅次于美国和日 本的世界第三大汽车生产国d 2 “。汽车产业的发展离不开汽车零部件产业的发 展。虽然我国汽车工业在过去的几年中取得了令人瞩目的发展，但是，我国汽 车零部件工业发展还相对滞后，重要汽车零部件生产线还是依靠进口。汽车座 上海大学硕士学位论文 椅产品档次不高，而且现有生产能力不能满足市场对产品的需求，自给能力较 差，还不能适应国民经济快速发展的需要。 轿车座椅工业属技术、劳动、资金密集型的高附加值产业。轿车座椅骨架 装配设备集成了机械、材料、电子、化工乃至自动控制等技术，是制造业中较 为典型的、先进的高技术装备。轿车座椅骨架装配的技术水平直接影响轿车座 椅新产品的设计、开发与制造，是轿车座椅设计、开发和制造的技术与工艺基 础。因此，研究一套能适用于轿车座椅骨架生产，且快速、优良、又低成本的 完成压装成型的柔性生产设备就显得非常有必要。 目前国内主要冷挤压研究方向都集中于单个零件的加工成型 2 1 - 3 0 】，对冷挤 压用于装配工艺的研究较少，可以说还属于空白，因此，本课题的研究非常及 时，也很必要。 1 4 冷挤压设备国内外研究现状 1 4 1 国外冷挤压设备研究现状 1 9 3 3 年，日本会田株式会社生产了日本第一台2 0 0 0 k np k 型精压机( 肘杆式压 力机) 。随着汽车工业的发展，对高精度压力机的要求愈加迫切，会田株式会社 又研制成功了各种锻造压力机，如1 9 7 2 年的c f t 系列多工序压力机，1 9 7 9 年的肘 杆式k 系列精压机和1 9 8 8 年的f m x 系列压力机。同时，日本小松研制了以高精度 和易于操作为目标的l 1 c 、l 2 c 系列冷锻成形压力机，其吨位为1 6 0 0 k n 一2 0 0 0 0 k n ，具有变形小而坚固的直闭式机身，最适合冷( 温) 挤压加工。该系列压力 机具有滑块导向装置，有大的滑块调节量及不需要润滑的导轨，能进行高精度的、 清洁的作业；还生产有连续自动送料装置、快速换模装置、模具等( ”1 。 美国n a t i o n a l 公司是世界上生产多工位冷锻机的研究中心，现在又将具有5 6 i 位的冷锻机升级为“成形中心”。该中心具有很大的柔性，既能适应锻件不同 形状、不同高度，也能适应工序间工件翻转和多台阶加工 3 2 - 3 4 1 。 从冷挤压产品上看，日本7 0 年代成功冷挤压启动离合器齿轮、传动轴花键、 交流发电机磁极铁芯。8 0 年代，又成功冷挤压大型高精度等速圆球外座圈、内座 上海大学硕十学位论文 圈、十字轴、汽车差速器伞齿轮等高精零件，为日本汽车的高性能化和降低生产 成本做出了很大贡献。日本冷挤压技术已经成为净形或者近似净形加工技术，在 世界上处于领先地位，它带给日本汽车零件锻造企业很高的利润。 1 4 2 国内冷挤压设备发展现状 我国的冷挤压技术与日本的起步时间相当。7 0 年代，我国曾在自行车、汽 车电器等批量生产的产品中，推广过冷挤压生产工艺技术，也开发成功了启动 齿轮的挤压成形，并投入批量生产。但由于未从根本上解决工艺、设备、材料、 模具、润滑、自动化装置以及毛坯料的原始尺寸、原始状态、后处理等一系列 技术问题，因而，未得到较大发展。8 0 年代，随着家电和汽车摩托车工业的迅 速发展，对冷挤压工艺设备及生产技术的引进、消化、吸收，科研人员通过生 产实践攻克了冷挤压技术的不少难题，与此同时，冷锻设备也有了较大发展。 国内涌现了江苏大丰自行车飞轮厂、信阳内燃机配件厂、株洲火花塞厂、大连 洗衣机厂等具有代表性的厂家，在冷挤压技术应用方面卓有成效，其中有些厂 还从德国、日本引进了冷挤压压力机。 目前，我国已能用冷挤压工艺生产表壳、自行车飞轮、中轴、精锻齿轮、 汽车用等速万向节、内燃机用火花塞与活塞销、汽车挺杆、照相机零件、汽车 启动器定向套筒、启动齿轮等，且已达到国外同等水平。但除大丰、信阳等几 个专业厂可组织批量生产外，其他厂点规模仍较小，不易发挥冷挤压的优势。 1 5d e f o r m 软件简介 有限元数值模拟方法是一种提高设计水平和效率的有效手段，利用有限元 数值模拟方法对成形过程进行仿真分析，对成形过程中的应力场、应变场、速 度场、载荷等参数进行分析计算，可为成形工艺及模具设计提供理论依据。 d e f o r m 一3 d 是专门用于分析各种金属成形过程中三维流动的有限元系统 ( f e b i ) ，可提供有价值的工艺分析数据，及有关成形过程中的材料和温度流动。 其强大的模拟引擎能够分析金属成形过程中多个关联对象耦合作用的大变形和 热特性。系统中集成了在任何必要时能够自行触发自动网络重划生成器，生成 6 上海大学硕士学位论文 优化的网格系统。在要求精度较高的区域，可以划分较细密的网格，从而降低 题目的运算规模，并显著提高计算效掣3 5 1 。 d e f o r m 的理论基础是经过修订的拉格朗日定理，属于刚塑性有限元法，其 材料模型包括刚性材料模型、塑性材料模型、多孔材料模型和弹性材料模型。 d e f o r m - 3 d 的单元类型是经过特殊处理的四面体，四面体单元比六面体单元容 易实现网格重划分。d e f o r m 软件有强大的网格重划分功能，当变形量超过设定 值时自动进行网格重划。在网格重划分时，工件的体积有部分损失，损失越大， 计算误差越大，d e f o r m 在同类软件中体积损失最小。 d e f o r m 软件提供了三种迭代计算方法：n e w t o n r a p h s o n 、d i r e c t 和 e x p l i c i t ，根据不同的材料性能可以选择不同的计算方法。同时该软件提供了 丰富的材料库，几乎包含了所有常用材料的弹性变形数据、塑性变形数据、热 能数据、热交换数据、晶粒长大数据、材料硬化数据和破坏数据 3 洲0 1 。 因此，d e f o r m - 3 d 是模拟3 d 材料流动的理想工具。 1 6 论文的主要研究内容 1 6 1 本课题的研究难点 本论文是以作者攻读硕士学位期间承担课题的工作为基础，设计一台轿车 座椅骨架冷挤压成型设备，用于延锋江森公司b 2 9 9 座椅前后扭力管的管件成型 及连接件的装配，并投入实际生产之中。设备能力要求必须满足延锋江森公司 b 2 9 9 驾驶座与乘客座前后扭力管c r i m p 尺寸精度的要求及连接件力学强度的要 求。本课题遇到的技术难点有： 1 ) 由于该设备需要满足一定的生产节拍，工作循环周期要求每完成单个循 环要小于2 3 秒( 1 人操作) ，因此，成形及装配节奏必须紧凑，一次装配成形为 最优方案，这样可大大节省时间，可同时对装配的尺寸精度和强度也提出了很 高的要求，因此选择何种装配方式是完成课题要求的关键。 2 ) 由于管件成型时变形抗力非常高，设备采用何种方式作为执行元件也是 需要解决的问题。 7 上海大学硕士学位论文 3 ) 本次压装成形属于冷挤压技术中的空心件冷镦挤压，目前可供参考的数 据相对较少。 4 ) 冷挤压工艺对设备的整体结构和模具也提出了更高的要求。设备不仅要 能承受较大的强度，还需要具备一定的刚度，同时需要有可靠的保险装置。模 具设计需要能提高模具寿命，并达到装配尺寸及强度要求 5 ) 在用d e f o r m 一3 d 软件对成形过程模拟时，网格划分是一项关键步骤。理 论上，网格划分越密越好，这样能精确描述变形情况；但网格数量的增加势必 造成节点和单元数的增加，会使计算量骤增，加重计算机负担，延长运算时间。 相反，网格过于粗大会造成细部结构的失真，使模拟失去意义。 1 6 2 解决方案 针对上述五点难点，本文提出相应的技术解决方案： 1 ) 在实际生产中，冷挤压这种成形方式能很好的满足本课题的装配要求，不 仅提高生产效率、显著降低原材料消耗，而且能获得很高的尺寸精度和较小的 表面粗糙度，挤压件的力学性能也有不同程度的提高。 2 ) 相比电气装置，在同等体积下，液压装置可以产生更多的动力；在同等的 功率下，液压装置的体积更小、结构更紧凑，同时工作平稳，易于实现快速启 动、制动和频繁的换向，能在大范围内实现无级调速，易于控制精度，这符合 本课题对执行元件的要求。 3 ) 结合传统冷挤压工艺方法，本文将正挤压工艺参数进行适当变形，用于空 心件镦挤工艺参数计算。实践证明，数据符合实际生产情况。 4 ) 针对冷挤压工艺对设备和模具的高要求，运用s o l i d w o r k s 自带的运动分析 模块c o s m o s x p r e s s 及d e f o r m 一3 dv e r 6 1 金属成形有限元分析软件对压装过程 进行模拟，获得大量有价值的工艺参数，模拟结果对实际设计有指导意义。 5 ) 采用d e f o r m 所特有的网格局部细分法，对需要精确描述的变形部分增大网 格划分数，其他部分则适当增大网格，以减少计算量，加快计算进程。 8 上海大学硕士学位论文 1 6 3 本文的主要研究内容 本文主要研究轿车座椅骨架装配的冷挤压成形技术，确定了设备的吨位， 分析并制定了设备工艺，并在此基础上进行设备整体结构设计、冷挤压模具设 计。利用金属流动有限元分析软件d e f o r m 一3 d 对成形过程进行模拟，得到坯料 成形过程中一系列参数，为模具优化提供有益参考。 在第一章中阐述了汽车座椅骨架冷挤压成型设备的来源、背景、意义以及 冷挤压设备的国内外研究现状。第二章将根据本文所涉及的知识点，简要介绍 金属塑性变形原理及求解的刚塑性有限元理论模型；全面地比较了冷挤压技术 的优缺点，阐明采用此工艺的原因，同时选择性地比较了液压传动与机械传动 的优势与劣势，以此为依据选择适用于本课题冷挤压工艺的设备执行元件。第 三章进行设计前的产品分析，对坯料的长度及设备的吨位进行计算，并就本课 题中使用到的d e l t a 管的材料性能做了论述。第四章根据前面两章的分析，进 行设备整体及各部件设计，并利用s o l i d w o r k s 自带受力分析软件对部件强度进 行校核。第五章详细介绍利用d e f o r m 一3 d 软件对冷挤压过程进行模拟的方法， 并以此为基础，验证冷挤压工艺方案的可行性和合理性，分析可能出现的一些 问题，为模具优化设计提供指导。第六章对全文进行总结，同时展望了可以进 一步研究的几个方向。 9 上海大学硕士学位论文 第二章基本理论模型 2 1 金属塑性变形的原理 2 1 1 金属塑性变形的实质 所有的固体金属都是晶体，原子在晶体所占的空间内有序排列。在没有外 力作用时，金属中原子处于稳定的平衡状态。施加外力，会破坏原子间原来的 平衡状态，造成原子排列畸变，如图2 1 所示，引起金属形状与尺寸的变化。 若除去外力，金属中原子立即恢复到原来稳定平衡的位置，原子排列畸变 消失，这样的变形称为弹性变形( 图2 1 b ) ；若除去外力，原子间的距离虽然仍 可恢复原状，但错动了的原子并不能回到其原始位置( 图2 1 d ) ，金属的形状和 尺寸也都发生了永久改变。这种在外力作用下产生不可恢复的永久变形称为塑 性变形。 豳 a ) 无变形b ) 弹性变形 一强 c ) 弹性变形+ 塑性变形d ) 塑性变形 图2 1 晶体变形 2 1 2 塑性流动规律 金属塑性加工时，质点的流动规律可以应用最小阻力定律分析。最小阻力 定律可表述为：变形过程中，物体各质点将向着阻力最小的方向移动。 1 0 上海大学硕士学位论文 最小阻力定律实际上是力学质点流动的普遍原理。利用最小阻力定律既可 以定性地分析各种受力状态下的金属流动，也可以通过调整某个方向的流动阻 力，来改变金属在某些方向的流动量【4 l l 。 2 2 刚粘塑性有限元法的基本原理 对于实际的金属塑性成型过程，弹性变形部分远小于塑性变形部分，因而 可以忽略变形，将材料模型简化为刚塑性模型。针对这种刚塑性模型建立的有 限元法就称为刚塑性有限元法。 刚塑性有限元法自问世以来，就引起人们的极大重视，并得到迅速发展。 目前，它已经广泛地用来解决各种塑性成形的实际问题。 有限元是对塑性成形过程进行数值模拟的最有效方法。刚塑性有限元法不 但可以用来比较精确地求解变形体内部的各种场变量，如速度( 位移) 场、应 变场和应力场等，还可以对整个成形过程进行数值模拟，定量地描述变形体内 部质点的流动规律和应力、应变分布，从而为合理选择加工设备、优化工艺和 模具参数，以及分析产品质量、预测产品缺陷等提供科学依据【4 l 】。 2 2 1 刚塑性有限元理论基本假设 对于实际的金属塑性成型过程，弹性变形部分远小于塑性变形部分，因而 可以忽略变形，将材料模型简化为刚塑性模型。对于大变形金属塑性成形问题， 将变形金属刚塑性体，即把变形中的某些过程理想化，以便于数学上进行处理。 此时，材料应满足下列假设【4 2 1 ： ( 1 ) 不计材料的弹性变形； ( 2 ) 材料的变形流动服从l e v y - m i s e s 流动法则； ( 3 ) 材料是均质各向同性体； ( 4 ) 材料满足体积不可压缩性； ( 5 ) 不计体积力与惯性力； ( 6 ) 力t 1 载条件给出刚性区与塑性区的界限。 上海大学硕士学位论文 2 2 2 刚塑性材料流动的基本方程 设变形体的体积为v ，在v 内给定体力p i ；表面积为s ，在s 的一部分力 面墨上给定面力g r ，s 上任一点处单位外法线矢量的分量哆，在s 的另一部分 速度( 位移) 面鼠上给定速度口，则刚粘塑性材料在发生塑性变形时满足下列 基本方程： ( 1 ) 力平衡方程 ，+ 只2o ( 2 1 ) 式中，柯西( c a u c h y ) 应力张量； ，应力张量的分量； ( 2 ) 几何方程 岛2 如，叱，) ( 2 - 2 ) 式中，毛应变速率张量； v i e _ ，应变速率的分量； ( 3 ) 体积不可压缩方程 我2 岛岛2 o ( 2 3 ) 式中，武体积应变速率； 磊克罗内克尔记号；当f - ji f j ，磊21 ；当f 时，磊2o ： ( 4 ) 屈服准则 采用m i s e r s 屈服准则和等向强化模型，初始屈服准则为： 万一cr=0(2-4) 后继屈服条件，对于静态加载只考虑应变强化 厅一k ：0 ，k = h ( i d e ) ( 2 - 5 ) 1 2 上海大学硕士学位论文 件为 式中，日可以由单向拉伸试验曲线确定。 对于粘塑性材料，加载还应考虑时间因素即变形速度的影响，瞬时屈服条 厅一y = 0 y = y ( e ，叠) 式中，y 可以由一维动力试验确定。 ( 5 ) 力边界条件 o o n j2q i ( s s 塑性区) 速度边界条件 v f2 口 ( s s , n 性区) ( 6 ) 本构关系 3 万 ， # 2 焉a d ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 式中，厅2 兰呓嘭等效应力 一r s 2 互勺白等效应变速率 ( 7 ) 虚功原理 变形体中满足平衡的力系在任意满足协调条件的变形状态上做的虚功等于 零。所以在变形态物体上有 l 一6 亡口a j d v + i s v ，p f l v + 1 8 v ，q i d s = o vy 矗 式中，嘞应变速率变分； 以速度的变分； 2 3 冷挤压工作原理及特点 ( 2 1 0 ) 冷挤压的加工方法是利用金属材料塑性变形的原理，在室温的条件下，将冷 态的金属毛坯放入装在压力机上的模具型腔内，在强大的压力和一定的速度作用 下，迫使金属毛坯产生塑性流动，通过凸模与凹模的间隙或凹模出口，挤出空心 或断面比毛坯断面要小的实心零件，可获得所需一定形状及尺寸，还具有较高力 上海人学硕士学位论文 学性能挤压件的工艺技术。冷挤压是无切削、少切削零件加工工艺之，是近代 金属塑性加工中一种先进的加工方法。 2 3 1 冷挤压工艺的方法分类 根据冷挤压时金属流动方向与凸模运动方向之间的相互关系，冷挤压方法 有以下7 种【3 3 1 。 1 ) 正挤压正挤压时金属的流动方向与凸模的运动方向相同( 图2 - 2 a ) 。 2 ) 反挤压反挤压时金属的流动方向与凸模的运动方向相反( 图2 - 2 b ) 。 3 ) 复合挤压复合挤压时，毛坯一部分金属流动方向与凸模的运动方向相同， 而另一部分金属的流动方向与凸模运动方向相反。这是正挤压和反挤压组合在 一起的一种挤压方法( 图2 - 2 c ) 。 4 ) 减径挤压它是变形程度较小的一种变态正挤压法，毛坯截面仅作轻度的 缩减( 图2 - 2 d ) 。 轴 卜凸模2 - - e l 模3 挤压件4 一凹模镶块 a ) 径向挤压 b ) 径向离心挤压铝合金件c ) 斜向挤压d ) 镦挤法 图2 3 非轴向冷挤压工艺 1 4 国_ 蘑 r辔曼争西r壤三母 上海大学硕士学位论文 5 ) 径向挤压金属的流动方向与凸模的运动方向相垂直( 图2 - 3 a ) 。径向挤 压又分为离心和向心挤压两种，主要用于制造带凸肩的齿轮坯以及十字轴类零 件。如图2 3 b 是用径向离心冷挤压方法生产铝合金零件。 6 ) 斜向挤压金属的流动方向倾斜或弯曲于凸模的运动方向( 图2 - 3 c ) 。 7 ) 镦挤法变形时，金属的流动具有挤压和镦粗的特点，即一部分金属沿凸模 轴向流动，另一部分金属则沿径向流动( 图2 3 d ) 。 2 3 2 冷挤压工艺的优点 与其他制造方法相比，冷挤压工艺无论在技术还是经济上都有显著优点。 1 显著降低原材料的消耗冷挤压是一种金属塑性成形加工方法。它在 不破坏金属的前提下使金属体积做出塑性转移，达到少切屑无切屑而使金属成 形所需的形状及尺寸零件。这样就避免了在切削加工时形成的大量金属废屑， 大大节约了各种有色金属及钢铁原材料。 2 提高劳动生产率冷挤压零件是在压力机上进行的，操作方便，容易 掌握，生产率很高。实践证明，冷挤压比车削加工可提高生产率3 2 倍甚至更 高。 3 可成型复杂形状的零件在压力机的往复直线动作下完成复杂的加工 工序，并可以制成形状复杂的零件。对于形状复杂，尺寸小，要求严的零件， 如采用切削加工方法制造，不仅生产率低，材料消耗大，而且在制造方面会感 到十分困难；但用冷挤压加工则显得十分方便。 4 提高零件的力学性能在冷挤压过程中，金属材料处于三向不等的压 应力作用下。挤压变形后，金属材料的晶粒组织更加致密，金属流线不被切断， 成为沿着挤压件轮廓连续分部的金属流线。同时，由于冷挤压利用了金属材料 冷变形的加工硬化特性，使冷挤压件的强度大为提高，从而提供了用低强度钢 代替高强度钢的可能性。 5 可获得较高尺寸精度及较小表面粗糙度值的零件 在冷挤压过程中，金属表面在高压下受到模具光滑表面的熨平，因此零件 的表面粗糙度值很小，表面强度也大为提高。一般冷挤压制件的表面粗糙度值 上海大学硕士学位论文 r a 至少在o 6 3 1 2 5 9 m 以上。如果模具型腔的工艺处理合适，特别是在有色金 属冷挤压采用理想的润滑时，可以得到超过精磨而次于抛光的表面粗糙度值 ( r a = 0 0 8 - 0 1 6 1 a m ) 。 6 降低零件的生产成本 由于冷挤压可以大大节省原材料和加工工时，因此必然可降低零件的制造 成本。例如，生产某汽车活塞销，可以用圆钢切削加工或冷挤压加工，也可以 用无缝钢管作为材料切削加工制成。这三种加工方法的单件成本分别是：冷挤 压2 2 5 元，切削加工4 1 4 元，无缝钢管加工3 1 6 元。冷挤压加工的成本最低， 相对于切削加工成本降低4 5 ，比用无缝钢管作原料的加工成本降低2 9 。 2 3 3 冷挤压工艺的缺点 与其他制造工艺相比，冷挤压虽然表现出很多的优点，但往往还存在一定 的问题。冷挤压工艺的缺点如下所述。 1 变形抗力高冷挤压时，被挤压材料的变形抗力较高，其中钢的变形抗 力高达2 0 0 0 m p a 以上。这样的超高压力，对模具材质、结构以及加工制造等提 出了更高的要求。 2 模具寿命短由于冷挤压模具承受着很大的单位压力作用，最高可达 3 0 0 0 m p a ，模具易磨损、易破坏；虽然在模具材料和模具结构等方面采用了很 多有效的措施，但与冲压模具相比，其使用寿命还是不高的。 3 对毛坯的要求较高冷挤压加工时对毛坯的要求比其他金属塑性成形加 工工艺都高，否则，会使模具受到损坏。对于冷挤压毛坯，除了要求毛坯具有 准确的几何形状和较高的尺寸精度外，还要求在冷挤压变形之前对毛坯进行一 定的软化退火处理及表面润滑处理。 4 对冷挤压设备要求较高当实施冷挤压工艺过程时，除了要求冷挤压设 备应有较大的强度以外，还要求有较好的刚度。此外，还要求设备具有良好的 精度并具有可靠的保险装置。 1 6 上海大学硕士学位论文 2 4 液压传动与机械传动的比较 用于冷挤压传动的主要有液压传动和机械传动两种，如图2 4 两种设备的比较 1 ) 行程次数机械压力机的行程次数比液压机高得多，因此，生产率也高得多。 但液压机在一定范围内可任意调节行程次数，而机械压力机却不能调节。 2 ) 行程长度液压机比机械压力机的行程长度长，且可任意调节。因此，液压 机可以挤压毛坯长度较长、能量要求较大的零件。 3 ) 压力大小液压机能在整个行程中得到相同的压力和保持最高压力。而机械 压力机根据行程位置不同发出的压力是变化的。 4 ) 下死点位置机械压力机的下死点位置是一定的，而液压机是用限位开关来 限定的，下死点的位置精度比机械压力机差的多，因此，对于保证良好的挤压 件厚度精度来说，液压机不如机械压力机。 5 ) 粘滞性在液压机上进行冷挤压加工，当凸模刚与被挤压毛坯接触时，会 产生瞬间停滞。这就会造成挤压负荷上升，缩短模具的寿命。但这种停滞现象 能使压力机在行程终点时保持压力，减少回弹，提高冷挤压件的精度。机械压 力机就没有这种停滞现象。 6 ) 侧压机械压力机由于结构上的原因，会产生水平分力，促使导轨磨损，间 隙加大，导向精度下降。当挤压凸模较长时，此水平推力是折断凸模的原因。 液压机滑块不会产生水平方向的分力。 1 7 上海大学硕士学位论文 7 ) 超载保险装置液压机有安全阀作为超载保险装置，比较安全可靠。，液压 缸和液压马达都能长期在失速状态下工作而不会过热，这是机械传动无法办到 的。 表2 1 几种冷挤压力机的比较和选用 曲轴式或偏心式压力肘杆式及拉力肘杆式 项目液压机 机压力机 较长，一般为较短，一般为 滑块行程行程较长 2 0 0 5 0 0 r a m 或更长1 0 0 2 0 0 m m 或更短 一般为10 - , 5 0 m m 或更一般为3 l o m m 或更 工作行程全行程 长短 滑块侧向力较小侧向力较大无 挤压速度快慢慢 适用于工作行程较小 适合于行程要求特别 的零件的冷挤压、冷 应用范围应用范围很广长、生产批量不大、 镦、校正、压印等工 挤压力大的情况 艺 两种传动元件的各项性能如表2 1 所示。综合考虑课题的要求及两种传动 元件的性能，本设备选用液压传动作为主要传动方式。 2 5 本章小结 本章主要介绍了金属塑性变形原理及刚塑性有限元理论；为较真实地描述 坯料受挤压时金属流动情况，坯料有限元分析应采用刚塑性模型。刚塑性理论 不计弹性变形，服从大变形的l e v y - m i s e s 增量方程，模型求解过程相对简单， 计算效率较高。 此外，本章还比较了冷挤压技术的优缺点，比较了液压传动与机械传动的 优势与劣势，为后文设备整体方案设计提供依据。 上海大学硕学位论文 第三章冷挤压件的原