（材料加工工程专业论文）大规格异型40cr球头销冷挤压成形技术的研究.pdf

摘要 随着能源危机的日趋严重，加之市场竞争日益加剧，促使产品生产向高效、高质、 精化、节能节材方向发展。冷挤压作为材料近净成形的先进制造技术，具有成形精度高、 材料利用率高、生产效率高和性能好等优点，被广泛应用于重要零件的生产。但冷挤压 成形力大，对模具要求高，不适合高强度材料加工。 球头销常用于转向机构的连接，如汽车转向机构的球头销形状复杂，并要求表面耐 磨，心部能承受一定的强度和韧性，采用机械加工生产效率低，材料浪费严重，而采用 冷挤压生产因材料强度高和异形结构影响冷挤压模具设计和寿命问题。因此，本文对大 规格异型4 0 c r 球头销的冷挤压技术进行了分析研究，以期解决该类零件的冷挤压生产问 题，拓宽冷挤压工艺范围。 本文根据冷挤压成形原理，从材料性能( 4 0 c r ) 和形状结构( 球头尺寸较大、杆部带反 锥结构) 等方面对球头销进行了冷挤压成形分析，制定包括材料软化处理、表面润滑处理、 毛坯制备等前处理工艺；拟定了两套冷挤压成形工艺方案，通过对比分析，确定了成形 方案，并针对球头销反锥结构设计了相应的分离对开式闭式冷挤压模具，采用c a d 软件 完成了模具图的设计。 基于刚塑性有限元模拟技术，建立了球头销冷挤压成形的有限元模型，利用 d e f o r m 有限元软件进行了成形过程模拟仿真，通过改变工艺方案和工艺参数，研究了 成形参数对冷挤压成形过程的影响，优选了摩擦系数、毛坯引导区长度以及毛坯直径等 工艺参数，制定了合理的工艺方案。 基于弹塑性有限元模拟技术，利用m s c m a r c 软件对模具的受力进行了分析。在 整体凹模结构下，对模具材料进行优选对比，并确定了应力集中部位。在组合凹模结构 下，分析应力集中部分的位移场和等效应力场，从而确定了合适的凹模结构和过盈量。 通过对某大规格异型4 0 c r 球头销冷挤压成形工艺分析、模具设计及成形过程的计算 机仿真，解决了该零件的冷挤压成型技术问题，对该类零件的工艺制定和模具结构设计 具有重要的指导作用。 关键词：冷挤压，球头销，工艺分析，模具结构，数值模拟 a b s t r a c t w i t ht h eg r a d u a ls e v e r ec r i s i so fe n e r g yr e s o e r c ea n da g g r a v a t i o no ft h em a r k e t c o m p e t i t i o n ，t h ep r o d u c tp r o d u c t i o nd e v e l o p st ob em o r eh i g he f f i c i e n c y ，h i g hq u a l i t y ， r e f i n e m e n t ， e n e r g y , a n dm a t e r i a ls a v i n g c o l de x t r u s i o n ，a st h ea d v a n c e dm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g yf o rt h em a t e r i a ln e a rn e tf o r m i n g ，h o l dt h ea d v a n t a g e so f h i g hf o r m i n gp r e c i s i o n ， 1 1 i g hm a t e r i a lu t i l i z a t i o n ，h i g hp r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dg o o dp e r f o r m a n c e s oi tc a l lb e b r o a d l yu s e di nk e yp a r t sp r o d u c t h o w e v e r ， c o l de x t r u s i o n ，a si t sd i s a d v a n t a g e so fl a r g e f o r m i n gl o a da n dh i g hd i er e q u i r e m e n t ， i su n c o n f o r m i t yt oh i g hs t r e n g t hm a t e r i a lp r o c e s s i n g b i np i ni so r d i n a r i l yu s e di nt h ec o n n e c t i o no fs t e e r i n gm e c h a n i s m ， a si fa u t ob a l lp i n t h e r ea r es om a n yd i s a d v a n t a g e ss u c ha sl o wp r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n ds e v e r em a t e r i a l s w a s t i n gf o rm a c h i n i n gp r o d u c t i o nb e c a u s eo fi t sc o m p l i c a t e ds h a p ea n dr e q u i r e m e n t so f s u r f a c ea b r a s i o nr e s i s t a n c ea n de n d u r i n gc e r t a i ni n t e n s i o na n dt o u g h n e s si ni n n e rp a r t r e l a t i v e l ys p e a k i n g ，t h ep r o b l e m so fd i ed e s i g na n dl i f ef o r1 l i g hm a t e r i a li n t e n s i t ya n d s p e c i a ls t r u c t u r ew i l lb es o l v e db yu s i n gc o l de x t r u s i o nf o r m i n g t h u s ， r e s e a r c ho nt h el a r g e s i z eb a l lp i nw i t hs p e c i a ls t r u c t u r ea n dm a t e r i a lo f4 0 c rc o l de x t r u s i o nf o r m i n g ， w i t ht h ec o l de x t r u s i o np r o d u c t i o np r o b l e mf o rt h i sk i n do fp a r t sa n dd e v e l o p e x t r u s i o nt e c h n i c s h o p e st od e a l t h er a n g eo f a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fc o l de x t r u s i o nf o r m i n g ， w ea n a l y z et h ec o l de x t r u s i o n f o r m i n gf o rt h eb a l lp i nf r o mt h ea s p e c t so fm a t e r i a lp e r f o r m a n c e ( 4 0 c 0a n ds h a p e s t r u c t u r e ( 1 a r g eb a l lt o ps i z ea n db a rw i t hr e v e r s ec o r l es t r u c t u r e ) ， m a k et h ep r e p r o c e s s i n c l u d e dm a t e r i a ls o f t e n i n gt r e a t m e n t ，s u r f a c el u b r i c a t i n gt r e a t m e n ta n db l a n kp r e p a r a t i o n ， s t u d yo u tt w os e to fc o l de x t r u s i o nf o r m i n gt e c h n i c sp r o j e c t s t h r o u g ht h ec o n t r a s ta n d a n a l y s i s ，w ed e t e r m i n et h ee q u a lf o r m i n gp r o j e c t ，d e s i g nt h eo c c l u s i o nc o l de x t r u s i o nd i eb y t h et y p eo fs e p a r a t ea n db i s e c tt of i tw i t ht h er e v e r s ec o n es t r u c t u r eo f b a l lp i n ， a n dc o m p l e t e t h ed e s i g no fd i ed r a w i n gb yc a ds o f t w a r e b a s eo nt h er i g i d p l a s t i cf i n i t ee l e m e n tm o d e l ( f e r n ) t e c h n o l o g y ， w ee s t a b l i s ht h ef e m m o d e la n ds i m u l a t ef o r m i n gp r o c e s sb yd e f o r mf e r ns o f t w a r e t h r o u g hc h a n g i n gt h e t e c h n i c sp r o j e c ta n dp a r a m e t e r s ，w er e s e a r c ho nt h ee f f e c to ft h ef o r m i n gp a r a m e t e r si nc o l d e x t r u s i o nf o r m i n g ， o p t i m i z et h et e c h n i c sp a r a m e t e ra sf r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，l e n g t ho fb l a n k g u i d ea r e a ，b l a n kd i a m e t e ra n ds oo n f i n a l l y ，w em a k et h el o g i c a lt e c h n i c sp r o j e c t b a s eo nt h ee l a s t i c p l a s t i cf e mt e c h n o l o g y ，w ea n a l y z et h ed i ef o r c eb ym s c m a r c s o f t w a r e i nt h es t r u c t u r eo fc o n c a v em o n o b l o c kd i e ，w eo p t i m i z et h ed i em a t e r i a la n d c o n f i r mt h ep l a c eo fs t r e s sc o n c e n t r a t i o n i nc o m b i n e dd i e ，w ec o n s t r u et h ed i s p l a c e m e n tf i e l d i i a n de q u i v a l e n ts t r e s sf i e l do ft h es t r e s sc o n c e n t r a t i o np l a c e s ow ec a ni n f e rt h ea p p r o p r i a t e b o t t o md i es t r u c t u r ea n ds h r i n kr a n g ea n da n a l y z et h ee f f e c to fc l a m pf o r c et ot h ec o m b i n e d d i e t h r o u g ht h ec o l de x t r u s i o nf o r m i n gt e c h n i c sa n a l y s i so fl a r g es i z eb a l lp i nw i t hs p e c i a l s t r u c t u r ea n dm a t e r i a lo f4 0 c r ，d i ed e s i g na n ds i m u l a t i o no ff o r m i n gp r o c e s s ，w es o l v e dt h e p r o b l e ma b o u tc o l de x t r u s i o no ft h i sk i n do fp a r t s t h e r ei si m p o r t a n tg u i d i n gr o l ef o rt h e t e c h n i c sm a k i n ga n dd e s i g no f d i es t r u c t u r eo f t h i sk i n do f p a r t s k e yw o r d ：c o l de x t r u s i o n , b a l lp i n , t e c h n i c s ，d i es t r u c t u r e ，f e m i i i 独创性声明 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及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 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：查垦 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。 同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本 学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：冬霞导师( 签名) ：彳名弘日期加一印萝 武汉理 = 大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 引言 冷挤压成形是一种少无切削的现代金属塑性成形工艺，成形的零件可以达到或接近 产品零件的尺寸和形状，而且能挤压出一般机加工无法加工的形状，性能稳定，非常适 合于大批量生产。冷挤压技术是各行业中得到迅速发展的新工艺之一，也是产品加工 的重要手段。随着制造业向高性能、低能耗和低成本方向发展采用冷挤压成傅工艺来 成形重要而复杂的零件是当今加工制造业的发展趋势。 球头销常用于转向机构的铰接，譬如汽车的转向机构和悬架的铰接【2 l ，如图1 _ 1 所示。 要求球头表面耐磨而心部有相当的强度和韧性以承受冲击载荷，因此采用普通机械加工 制造难度很大。对于小型球头销( 球头直径小于2 5 r a m ) ，现今国内太多采用低碳钢或低 碳合金结构钢在四工位冷镦机上制坯成形，包括表面渗碳+ 淬火叫氐温回火+ 成形蘑削等工 序，实现零件制造。对于大规格球头销( 球头直径大于3 5 r a m ) ，主要依靠模锻方法制坯 成形，但是存在加工余量大、生产效率低以及材料利用率不高等缺点，水适于现代化大 量生产发展要求叽 图1 - 1 球头销 采用冷挤压方式成形球头销类零件，不仅可以节约金属材料，达到近净成形的目的， 而且能提高球头销尺寸及表面精度和机械强度。但是传统的冷挤压技术，并不能完全满 足球头销零件的大部分尺寸要求，经过冷挤压成形后，仍需经过车球头、过渡锥等一系 列机械加工工序。在生产效率和材科利用率方面，都有提升的空间。而且针于有反锥结 构的球头销零件，采用普通的模其结构也很难完成脱模过程。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 冷挤压工艺 冷挤压是根据金属塑性变形原理，利用装在压力机上的模具，在相当大的压力以及 一定速度下，使金属在模腔内产生塑性变形，从而使毛坯变成所需尺寸、形状及较好性 能的零件4 1 。根据挤压时金属流动方向与凸模运动方向之间的关系，冷挤压可以分为以 下三种基本变形方式：正挤压，反挤压，复合挤膨5 】，如图1 2 所示。 ( a ) 正挤压( b ) 反挤压( c ) 复合挤压 图1 2 冷挤压的三种变形方式 冷挤压是精密塑性加工技术的重要组成部分。冷挤压成形是获得接近最终形状挤压 件的主要手段之一。室温下( 2 0 ) 成形使得冷挤压产品的尺寸精度、表面质量、材料利用 率、机械性能及制造成本都优于温、热挤压成形。 冷挤压工艺具有以下优点【6 - 9 】： ( 1 ) 降低原材料的消耗。若采用切削加工的方法制造金属零件，材料的利用率一般 为4 0 一6 0 ，然而采用冷挤压方法制造，材料的利用率可达到7 0 9 5 ； ( 2 ) 提高劳动生产率。由于冷挤压是在压力机上完成的，压力机的一次行程就可以 完成一道工序，与机械加工相比，冷挤压成形可以大幅度地提高生产率； ( 3 ) 提高零件的机械性能。由于金属材料受三向不等压应力同时作用，经过冷挤压 成形的金属材料，其晶内组织更加致密且金属流线不易被切断，形成顺着挤压件轮廓连 续分布的金属流线。并且，由于金属材料的加工硬化作用，经过冷挤压成形的冷挤压件 的强度大为提高，从而使用低强度钢代替高强度钢来进行冷挤压变成了可能； ( 4 ) 降低零件的制造成本。由于冷挤压可以节省原材料和加工工时，所以可降低生 产成本； ( 5 ) 可加工复杂形状零件。采用冷挤压加工形状复杂的轴对称类零件较其他成形方 式更为容易； ( 6 ) 可获得尺寸精度较高和表面质量好的零件。靠强大的压力冷挤压可以熨平毛坯 表面，从而获得较高的尺寸精度和较小的表面粗糙度。冷挤压件表面粗糙度一般在0 4 2 武汉理工大学硕士学位论文 0 6 p m 以下，公差等级可达i t 7 i t 8 。 当然，冷挤压也存在一些缺点： ( 1 ) 对模具要求高。由于金属在模腔中受到三向不等压应力作用，冷挤压毛坯的变 形抗力显著增大，这使得模具的受力远大于其它类成形模具。冷挤压钢材时，模具的应 力常达2 0 0 0 m p a - 2 5 0 0 m p a 。例如制造一个直径3 9 m m ，壁厚5 7 m m ，高1 0 0 m m 的低碳 钢杯形件，如果采用拉延方法成形时，最大成形力仅为1 7 0 k n ，而采用冷挤压方法成形 时，则需成形力1 3 3 0 k n ，这时作用在冷挤压凸模上的单位压力达2 2 5 0 m p a 以上。模具 除需要具有高强度外，还需有足够的冲击韧性和耐磨性； ( 2 ) 需要大吨位的冷挤压设备。由于冷挤压时毛坯的变形抗力大，需用数百吨甚至 几千吨的压力机； ( 3 ) 冷挤压的模具成本高。冷挤压对模具的高要求使得模具费用增加，因此一般只 适用于大批量生产的零件； ( 4 ) 挤压前处理工艺。一般冷挤压成形前需进行表面处理，这不但增加了工序，而 且需占用较大的生产面积，难以实现生产自动化； ( 5 ) 不适用于高强度材料冷挤压成形； ( 6 ) 冷挤压零件的塑性、冲击韧性变差。毛坯在冷挤压过程中受不等压应力作用， 造成零件的残余应力大，这会引起零件变形和耐腐蚀性的降低( 产生应力腐蚀) 。 因此，针对较硬的金属材料进行冷挤压成形时，所需的变形力更大，这对模具材料、 结构以及加工制造等提出了更高的要求。在考虑到冷挤压成形优点的同时，如何使其缺 点减少，是研究冷挤压工艺的关键。 1 3 冷挤压工艺研究现状及其发展 近年来，受益于各种高新技术的不断发展和应用，传统塑性加工技术也得以不断发 展、升级和提高。随着汽车、宇航、电子、机械等支柱产业的需求与发展，精密塑性成 形技术作为现代制造技术的重要组成部分也迅速发展，尤其是冷挤压成形技术以其生产 优质、高效、精密以及低成本、低消耗、大批量等特点，成为精密塑性加工技术发展的 重要方向【1 0 l 。 1 3 1国外冷挤压技术的发展 冷挤压的最大优点是高效、优质、低耗和大批量。可以认为，一个国家的冷成形加 工技术水平，是这个国家汽车工业水平、工业化水平乃至现代化水平的一种重要指标和 反映。 1 9 3 5 年，德国成功开发钢材的磷化处理工艺，创造了钢制零件的冷挤压成形条件， 并于1 9 5 5 年开始将冷挤压技术生产汽车锻件。二战后，冷挤压技术在国外工业发达国家 武汉理工大学硕士学位论文 的摩托车、汽车、家用电器等行业开始得到迅速的发展。随着新型挤压原材料、模具新 钢种和大吨位压力机的出现，冷挤压成形技术的发展空间也进一步拓展【l l 】。2 0 世纪8 0 年代日本在以锻造工艺方法生产的汽车零件中，有3 0 一4 0 是采用冷挤压工艺生产的。 近年来生产的新型汽车平均每车使用4 2 k g 的冷挤压件。美国等国家的汽车车生产中，平 均每车使用4 0 k g 的冷挤压件。 2 0 世纪7 0 年代日本成功采用冷挤压成形了传动轴花键、启动离合器齿轮、交流发电 机磁极铁芯等零件，8 0 年代又成功使用冷挤压成形出十字轴、汽车差速器伞齿轮等高精 零件，日本冷挤压技术已经发展成为净加工或者近净加工技术，在世界上处于领先地位， 给日本汽车零件锻造企业创造了很高的利润，为日本机械制造业做出了巨大贡献【1 2 】。 目前国外冷挤压生产主要围绕产品质量、成形方法、工艺、模具设计、数值模拟、 成形材料、成形设备、摩擦与润滑及环保等话题展开，表现在以下几个方面 1 3 - 1 5 】： ( 1 ) 成形工艺的革新 2 0 世纪8 0 年代以来，国外专家开始将分流锻造理论应用于正齿轮和螺旋齿轮的冷挤 压成形中。其思路是在型腔充满的同时，部分材料流向分流腔或分流通道。应用分流挤 压技术，可以使较高精度零件的近净加工迅速达到了产业化规模。对于长径比为5 的活 塞销零件，通过轴向分流方法在轴向插入余料块来实现冷挤压一次成形，同时使凸模的 稳定性增强；对于扁平类的直齿轮成形，通过径向余料块也可以完成零件的冷挤压成形。 闭塞挤压是通过一个或两个冲头在封闭凹模内单向或对向挤压金属一次成形，获得 无飞边的近净形冷挤压件。一些汽车精密零件如星形套、十字轴、行星和半轴齿轮等如 果采用机械加工方法，不仅材料利用率很低( 平均不到4 0 ) ，而且工时时间长，生产成本 非常高。国外采用闭塞挤压技术生产这些净形挤压件，省去绝大部分机械加工，成本得 到很大降低。 冷挤压技术的目的是开发高附加值的产品，降低生产成本，同时它还不断与机加工、 粉末冶金、热锻、铸造、板料成形工艺等领域渗透或替换，也可以和这些工艺结合起来 构成复合工艺。在2 0 世纪8 0 年代出现了热挤冷挤复合塑性成形技术，9 0 年代后期取 得了越来越广泛的应用，用该技术制造的零件，已获得了精度提高、成形理想的良好效 果； ( 2 ) 数值模拟的应用 随着塑性有限元理论和计算机技术的迅速发展，采用有限元方法求解许多塑性成形 过程中很难求解的问题变成可能。通过合理建模和确定初始边界条件，有限元数值模拟 技术可以很直观地预测冷挤压成形中金属流动过程的速度、应力应变、模具受力和模具 失效情况，从而预测挤压件可能出现的缺陷情况。目前有代表性的有限元模拟软件主要 有d e f o r m 、m s c s u p e r f o r m 、f o r g e 、q f o r m 等。正如2 0 0 1 年知名企业的调查 问卷表明，现在许多公司都利用各类有限元模拟软件来验证成形工艺和模具结构的合理 4 武汉理工大学硕士学位论文 性； ( 3 ) 智能设计技术的应用 美国哥伦布贝特乐实验室开发出一种基于知识的预成形件几何尺寸设计系统。采用 框架方法对零件的几何信息进行描述，在框架中遵守产生式设计规则，使用不同的槽来 j c c h o i 和c k i m 开发了基于知识的冷挤压和热挤压件集成工序设计系统，并分别建立 冷热挤压工艺设计规则。由于在冷挤压成形工艺及模具设计中使用基于知识的设计方法， 彻底改变传统塑性成形工艺的设计过程。现在，基于知识设计方法已成为冷挤压成形工 艺、模具结构智能化设计技术研究的一个热门课题； ( 4 ) 微成形冷挤压技术迅速发展 微成形是利用材料的塑性变形来生产尺寸处于毫米量级以下零件的技术。由于继承 了传统塑性成形的众多优点，微成形普遍应用于微机械、电子行业、军事和生物医学等 领域。国外学者在尺度效应、微成形工艺及设备等方面开展了广泛的研究工作。其中， 在尺度效应研究方面，已有一些学者通过引入参变量的方法建立了代表尺寸效应的应力 表达式及理论模型，如表面层模型等：此外，还有研究表明，微成形中材料的应变梯度 对成形有显著影响。 1 3 2 国内冷挤压技术的研究进展及发展趋势 我国于1 9 5 0 年初开始使用国内引进的冷挤压技术和设备进行黑色金属的冷挤压成 形，并开始挤压一些铜、铝及其合金材料。1 9 5 8 年开始钢材料应用于冷挤压技术中，后 经不断发展与应用，成功实现了发动机挺杆及一些斜花键、斜齿轮类零件的冷挤压成形。 2 0 世纪7 0 年代，我国在汽车电器、自行车等大批量生产的产品中，运用冷挤压生产工艺 技术，并成功开发了启动齿轮的冷挤压成形，并投入批量生产。但是由于没能从根本上 解决工艺和模具结构各方面技术问题，因而没能得到较大推广。 1 9 8 0 年，关于冷挤压成形的理论研究开始活跃，取得了不少研究成果：包括对冷挤 压变形规律和新型挤压方法的研究，正、反挤压变形程度选用的理论与计算方法，以及 预应力组合凹模的分析、设计与模拟等。8 0 年代后期，随着汽车、摩托车和家电工业的 快速发展，冷挤压工艺、设备及生产技术得到了较大发展，从而解决了冷挤压技术的众 多难题。国内建成一批具有代表性的冷挤压生产工厂，冷挤压技术的应用得到了大力发 展。 1 9 9 0 年，部分工厂充分利用了静液挤压、精冲与冷挤压相结合等新工艺，拓展了冷 挤压产品的适用。在冷锻工艺和模具的c a d 方面有也所进展【l6 j 。上海交通大学、清华大 学、华中科技大学和哈尔滨工业大学等单位基于c a d 软件平台，开发了不同类挤压件的 设计系统，但大部分限于二维系统。到目前为止，虽然众多研究人员前前后后开发了各 种挤压模设计系统，以实现工艺和模具设计各环节的智能化和自动化，但是目前还没有 武汉理工大学硕士学位论文 成熟的挤压模c a d c a m 系统推向市场，许多工程设计人员还是依靠通用的机械 c a d c a m 软件进行完善的结构设计【r 刀。 目前，我国的冷挤压成形的适用范围已得到很大扩充，包括铅、铜、锌、铝、锡及 其合金、低碳钢、中碳钢、工具钢、低合金钢与不锈钢等金属材料，甚至对轴承钢、高 碳高铝合金工具钢、高速钢等也可以进行一定程度的冷挤压。制造的冷挤压件是各种各 样的，最重可达3 0 k g ，最轻只有1 9 。在模具材料使用方面，除了用高速钢、高碳高铬合 金工具钢和轴承钢外，不少新型模具钢如c g 2 、6 5 n b 、l d 等也在使用中。在挤压工艺 参数选择和模具结构设计方面，进一步结合优化设计及c a d c a m 系统，减少实际生产 中的试模次数和优化挤压工艺参数的选择。在挤压设备方面，除了通用的液压机和冷挤 压力机外，我国已自主设计和制造出各级吨位挤压压力机，包括成功地利用摩擦压力机 与高速高能设备进行冷挤压加工【1 8 。1 9 1 。科学技术的进步，使冷挤压技术也得到很大的发 展。主要是计算机在工艺分析、模具结构设计、制造过程控制中的应用对冷挤压技术产 生的影响。我国将进一步将计算机应用于冷挤压技术中，取得更大发展。冷挤压技术的 发展主要从以下几方面来引2 0 l ： 1 ) 扩大冷挤压技术的应用范围，在技术允许的范围内，逐步取代传统机加工方法； 2 ) 提高冷挤压件的尺寸精度和表面质量，向更复杂的零件冷挤压生产发展； 3 ) 研究更有效更经济的前处理工艺，扩大冷挤压材料的范围； 4 ) 进一步使用优化设计和c a d c a m ，缩短产品生产周期，设计更合理的模具结构； 5 ) 提高模具寿命，研究更合理的模具材料及热处理方法； 6 ) 研究进一步发展冷挤压与其它挤压工艺复合的新工艺技术； 7 ) 研制更适合于冷挤压工艺的挤压设备。 1 4 球头销成形工艺的发展 根据球头销尺寸、形状、生产批量等不同，其成形工艺也在不断革新。在国内外加 - r n 造业中，加工此类零件时有各种不同方法 2 1 】。传统方法是先利用整体式凹模在多工 位冷冲压自动机上进行冷体积冲压，按照球头销结构分类分步进行成形，然后在专用生 产线上的机加工车床上车轴颈。这种方法的缺点是在设备的利用上既需要压力机，还有 机加工车床，制造劳动量大，工序繁多，并且资源利用率低。 法国在制造这种球头销毛坯时，先用冷体积冲压法，然后用轧制法成形反锥体。这 种方法的优点是生产率较高，但是需要使用复杂的轧制设备，造成工艺循环不连续【2 2 1 。 白俄罗斯国家科学院工程物理学院工艺变形室采用楔横轧传统工艺制造这种长轴类球头 销零件，由于这种楔横轧机上不适于长棒料轧制，只能采用在压力机上切断的毛坯棒料 轧。切去两端头废料的工序增加了工作量并降低了材料利用率。 针对球头销的小批量生产，国内主要是采用热模锻工艺来完成。其加工工艺在热锻 6 武汉理工大学硕士学位论文 后需经过一系列机加工工序，造成加工余量、公差较大，材料利用率较低，生产效率低， 因此不符合现代化大规模生产发展的方向。近年来国内不少学者对冷挤压工艺和模具设 计进行了研究。吉林工业大学的李季云等研究了农用汽车球头销二次挤压成形工艺，提 高了生产效率和材料利用率；中国第一汽车集团公司郭希圣等研发了c a l 4 1 载货汽车转 向拉杆球头销的一次冷挤压成形工艺，解决现生产中的偏头问题，同时还可节约工序、 材料，减少切削余量，提高刀具耐用度和产品质量 2 3 j 。 随着能源危机的日趋严重，人们对环境质量更加关注，加之市场竞争日益加剧，促 使锻件生产向高质、高效、精化、节能节材方向发展。在此背景下，用冷挤压成形方法 生产大规格异型4 0 c r 球头销的精化锻件，代表了该类零件生产的发展方向。 1 5 课题主要研究工作 综上所述，虽然球头销制造工艺在不断改进，但针对带有反斜度的大规格球头销零 件的研究还不能满足现代工业生产的需求；使用中高碳合金钢4 0 c r 来冷挤压成形，较之 以前使用的低碳合金钢，也缺少必要的研究；对于成形过程中的金属流动特性、硬度和 模具结构对成形力的影响，都未有明确的研究；模具设计时对零件毛坯尺寸的研究限于 经验的推算，采用的工艺参数都还没有明确的选择依据。 有限元理论以及有限元软件的出现，促进制造业得到极大的发展。利用有限元分析 可以帮助缩短产品设计周期，预测设计缺陷，优化设计方案等。因此采用有限元模拟技 术对冷挤压工艺及模具结构的优化具有很大的现实意义。 基于以上考虑，论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 根据4 0 c r 材料的金属性能和冷挤压成形要求，优选4 0 c r 冷挤压毛坯的软化处 理工艺及表面处理与润滑方案； ( 2 ) 以某汽车转向机构中球头销零件为例，研究分析大规格异型球头销冷挤压工艺 方案； ( 3 ) 进行冷挤压模具结构设计，并采用c a d 软件对模具及其毛坯进行造型； ( 4 ) 采用d e f o r m 有限元软件模拟不同条件下冷挤压成形过程，得出金属的应力 应变场，分析球头销冷挤压成形过程的金属变形规律，优化挤压工艺参数； ( 5 ) 采用m a r c 有限元软件分析其模具受力情况，优化组合凹模参数和模具结构。 1 6 本章小结 本章介绍了冷挤压工艺国内外发展现状，球头销冷挤压工艺及应用情况，明确了论 文的研究内容和目标，即制定球头销冷挤压工艺方案，设计冷挤压模具结构，采用 d e f o r m 有限元软件模拟不同条件下冷挤压成形过程以及利用m a r c 有限元软件分析 其模具受力情况，从而优选出挤压工艺参数和模具结构。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章有限元理论及有限元软件介绍 随着有限元理论以及有限元软件的出现和不断发展，有限元模拟技术在航空、汽车 等行业得到广泛应用，极大地促进了制造技术的发展。采用有限元分析可以预测设计问 题，缩短设计周期，优化设计方案等。在金属成形方面有很多有限元软件，这里针对论 文涉及的两种有限元软件进行介绍，包括用于冷挤压过程模拟的d e f o r m 软件以及用于 模具分析的m s c m a r c 软件。 2 1 有限元理论简介 2 1 1引言 有限元法可以比较精准地求解变形体内部的各种场变量，如速度矢量( 位移) 场、应力 应变场等，作为工艺分析的可靠依据。在给定的条件或判据下，通过改变参变量，实现 对成形过程进行优化和控制【2 4 1 。现今塑性成形中有限元法得到了广泛地应用。金属塑性 成形过程是一个非常复杂的塑性大变形过程，存在材料非线性、几何非线性、物理非纯 属和边界条件的非纯属。在计算机上使用有限元法对金属成形过程进行数值模拟和基于 有限元分析结果的模具寿命预测的实现方法是通过建立有限元模型，对金属的变形、应 力应变和疲劳破坏等进行模拟仿真，实现对工艺、毛坯形状尺寸以及模具结构的优化， 可缩短研发周期，降低生产成本，提高产品质量和模具寿命。 2 1 2 有限元法的基本思想 自1 9 6 0 年c l o u g h 首次提出有限元方法以来，有限元方法在工程问题的许多方面都 得到广泛应用，有限元理论也随之不断发展完善【2 5 1 。 根据变形程度的大小，可将塑性有限元法分为刚塑性有限元法和弹塑性有限元法两 种【2 6 2 引。 刚塑性有限元法是基于小应变的位移关系，忽略塑性变形中的弹性变形，依据材料 在塑性变形过程中体积不变原则，来计算大变形的问题。 弹塑性有限元法是基于小变形假设，遵循普兰特一瑞斯流动法则和m i s e s 屈服准则。 它主要分析变形初期，塑性变形区的扩展过程以及应力应变分布。它会随着变形量的增 大分析结果的误差也明显增大。 塑性有限元法作为进行会属塑性成形过程模拟分析的强有力工具。完整的有限元分 析流程【2 9 】如图2 1 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 有限元分析流程 有限元法的基本原理以位移法为基础，把复杂的整体结构分解成若干有限个单元的 组合，各单元又相互联结组成整体。就是这样把一个连续的、无限自由度问题转化为离 散的、有限自由度问题。先进行单元特性分析，接着根据平衡和协调条件建立有限元方 程，再综合起来进行整体分析。通过这种离散再综合的分析过程，把连续体的计算问题 转化为简单单元的分析与综合问题【3 0 弓。 大量分析研究表明，相对金属塑性成形问题的其它分析方法，塑性有限元法精度更 高、功能更强、解决问题的范围更广，具体有以下优点： ( 1 ) 适合于分析各类金属塑性成形过程； ( 2 ) 能够较全面考虑各种工艺参数对成形过程的影响，如成形方式、材料特性、温 度、摩擦润滑条件、变形速度以及毛坯和模具形状尺寸等； ( 3 ) 能够获得有关成形过程的多方面信息，如应力应变、成形力、温度场分布和金 属的流变规律等，这些信息为优化和控制材料成形过程提供了重要的参考依据； ( 4 ) 采用数值模拟技术，可反复演示、计算和优化模拟过程，预测成形过程中可能 9 武汉理工大学硕士学位论文 出现的缺陷。通过分析和调整各工艺参数，消除可能出现的缺陷，从而缩短模具制造周 期，节约昂贵的试模、修模费用。 国外许多大型汽车公司的调查研究表明，数值模拟技术能使产品设计、模具设计、 产品生产周期缩短1 2 ，模具制造成本降低l 3 ，从而产生巨大的经济效益【3 2 1 。因此，金 属成形过程数值模拟和工艺优化技术已成为新工艺开发的重要手段和发展方向。 2 1 3 刚塑性有限元法 19 71 年k l a n g e 在m a r k o v 变分原理的基础上，用l a g r a n g e 乘子法把体积不可压缩 条件引入到泛函中，通过这种表述建立了刚塑性有限元公式【3 3 】。1 9 7 3 年，c h l e e 和 s k o b a y a s h i 以矩阵分析法，独立地提出了类似的刚塑性有限元法。1 9 7 8 年，c c c h e n 和s k o b a y a s h i 提出了反正切摩擦力模型和刚性区的处理方法，并进行了圆环墩粗分析， 为刚塑性有限元法开始应用于金属塑性成形打下了重要基础。o c z i e n k i e w i c z 等在19 7 9 年提出了基于罚函数法的刚塑性有限元法。1 9 8 2 年，k o s a k a d a 和k m o i l 提出了刚塑性 可压缩材料的有限元法。至此，初步形成了刚塑性有限元基本理论和方法【3 4 1 。 刚塑性有限元法忽略弹性变形，采用l e v y - m i s e s 方程描述和m i s e s 屈服准则，不像 弹塑性有限元法那样用应力、应变增量求解，而是通过在离散空间对速度的积分来求解 几何非线性，解法相对简单。而且，可用小变形的计算方法来处理塑性大变形问题。因 其求解过程简单，精度不低，迅速发展为体积成形工艺模拟的主要方法。然而因为忽略 了弹性变形，刚塑性有限元法不能处理卸载问题，无法得到残余应力、应变以及回弹等 方面因素，所以计算结果存在一定误差【3 5 。7 】。 ( 1 ) 刚塑性有限元法的基本假设与边值问题 由于金属成形过程的物理变形非常复杂。必须对变形的过程进行一定简化，以便于 数学计算。对刚塑性材料的基本假设如下： 1 ) 忽略材料的弹性变形和不考虑重力和惯性力等的影响； 2 ) 材料体积不可压缩，均质且各向同性； 3 ) 材料的流动变形服从l e v y - m i s e s 流动理论； 4 ) 加载条件( a n 载面) 给出塑性和区刚性区的边界。 刚塑性材料发生塑性变形时，应该满足下列基本方程组： 设一刚塑性体体积为y 、表面为s ，在表面压力胁作用下整个变形体处于塑性状态， 表面s 分为s ，和瓯两部分，其中s ，上给定表面压力，瓯上给定速度。构成刚塑性边值问 题，它由以下平衡方程和边界条件定义 1 ) 平衡微分方程 ，= 只 ( 2 - 1 ) 2 ) 几何方程 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 岛= l ( f i ；a + 西，) 3 ) 本构关系 3 9 ， 勺2 i 式中，万、享分别为等效应力和等效应变率： 万：历浩辱 4 ) m i s e s 屈服条件 f = 万一y 式中，】，为材料屈服应力 。，h 理想刚塑性材料 l y 刚塑性硬化材料 5 ) 体积不可压缩条件 e v = 岛岛= 0 6 ) 边界条件边界条件包括应力边界和速度边界条件，表示如下 。口n j2 p is s p 啦= 荔s 鼠 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 式中，刀，代表s 。表面上任一点处单位外法线矢量的分量。 ( 2 ) 刚塑性有限元法的一般步骤 结合本文研究内容，通过前述刚塑性有限元介绍，列出了其分析模拟步骤： 1 ) 建立有限元模拟初始模型，包括几何模型建立，材料网格划分、材料参数、摩擦 条件等； 2 ) 设定各初始及边界条件； 3 ) 计算各单元刚度矩阵和残余应力向量，完成斜面约束处理； 4 ) 求解整体刚度方程得到节点速度增量，进行节点速度修正并测定收敛情况；若收 敛，则转入下一步；否则重复3 ) 4 ) ； 5 ) 由平衡方程和材料本构关系求出应力应变场； 6 ) 确定变形步长增量，更新毛坯形状、应变场和材料性能，同时检查并更新毛坯接 触边界； 7 ) 直到变形完成前，一直重复3 卜6 ) 。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 4 弹塑性有限元法 弹塑性有限元最早是在1 9 6 7 年由m a r c a l 和k i n g 提出的 3 5 1 ，采用应变增量法分析金 属成形问题。到2 0 世纪7 0 年代中期，基于弹塑性有限元法求解挤压、锻压、轧制、拉 拔等金属体积成形问题得到了广泛的研究与应用。当时，基于这种小变形的假设，在分 析材料变形初期的结果是比较可信的，但随着变形量的增大，分析结果会出现明显的误 差，并且步长较小，计算效率偏低，故限制了其在塑性成形领域的进一步应用。与此同 时，大变形弹塑性有限元法的逐渐发展起来。 基于大变形有限元理论的提出最早是在7 0 年代早期就已产生，m c m e e k i n g 、h i b b i t t 、 l e e 等人推导出了基于大变形弹塑性计算的有限元方程【3 9 1 。但是，由于数学推导较复杂、 计算量比较大，大变形理论在当时没得到广泛的应用。大变形理论和小变形理论最大的 不同，在于关于变形体位移和应变关系的几何方程的描述。在变形体变形时载荷方向不 变的前提下，理想弹性理论和小变形理论中均假定变形体的位移和应变是很小的，推导 得到线性的几何方程。然而针对金属成形问题，由于金属成形过程中会出现大位移、大 转动以及大应变，以上假定将不成立。任何一种情况都会使几何方程中的二阶项不能略 去，这样随着载荷方向变化而变形的情况，就形成了非线性方程，故大变形弹塑性问题 就是指变形体的几何方程是非线性的，本构关系是弹塑性的即】。 由于要考虑变形历史的相关性，弹塑性有限元法须采用增量加载，为了保证求解精 度和收敛性，每次加载只允许少