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1、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
2、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一一有限元分析法。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
3、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。KlM和KIM对两道加强筋进行冷挤压
4、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AISb4135H合金钢，它具有如下材料流
5、动性。=768.06*80.139,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2活塞销钉的流动缺陷图1活塞销钉的形状和尺寸图3活塞销钉传统的形成过程2. 2
6、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
7、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g23X*2AOODM0OOMlC0LOvE3M0FOG-0.CBH口I-O-T!l图5金属流动和速度的关系J-
8、。aX3.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51mmo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
9、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
10、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
11、。在这个研究中，由于摩擦系数m=0.1（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、L0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，
12、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
13、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。RmctonpringorceCMBler puBchStripper图12使用冲压模板的凹模模子结构示意图4,R 06MCM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
14、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IO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
15、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，并且通过分析己经模拟出了结果。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
16、。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：1T.Altan,S.I.Oh,L.Gegel,Metalforming,ASM(1983).2 T.Okamoto,T.Fukuda,H.Hagita,SourceBookonColdForming,ASTM,1997,pp.216-
17、226.3 S.W.Oh,T.H.Kim,B.M.Kim,J.C.Choi,KSME19(12)(1995)3121-3129.4 R.C.Batra,N.V.Nechitailo,Int.J.Plast.13(4)(1997)291-306.5 A.S.Wifi,A.Abdel-Hamid,N.El-Abbasi,J.Mater.Process.Technol.77(1998)285-293.6 D.J.Kim,B.M.Kim,J.KSTP8(6)(1999)612-619.7 D.C.Ko,PusanNationalUniversityDissertation,1998.8 T.Altan,M.Knoerr,J.Mater.Process.Technol.35(1992)275-302.9 K.Osakata,X.Wang,S.Hanami,J.Mater.Process.Technol.71(1997)105-i12.
