小尺寸梯形凸臺曲軸蓋板成形工藝研究

徐杰,王久林,周敏,李萍

(1.合肥工業大學材料科學與工程學院,合肥230009; 2.南通福樂達汽車配件有限公司,江蘇南通226300)

小尺寸梯形凸臺曲軸蓋板成形工藝研究

徐杰1,王久林1,周敏2,李萍1

(1.合肥工業大學材料科學與工程學院,合肥230009; 2.南通福樂達汽車配件有限公司,江蘇南通226300)

目的 研究汽車曲軸蓋板復合加工工藝的可行性。方法 根據零件特點,采用多道次拉深和整形相結合的加工工藝成形零件,并利用有限元技術,對成形過程進行了數值模擬分析,然后結合物理實驗對工藝可行性進行了驗證。結果 試制出的零件表面質量較好,法蘭內緣處梯形凸臺尺寸精度達到了要求,和有限元仿真模擬結果相吻合。結論 采用多道次拉深和整形復合工藝所獲得的汽車曲軸蓋板,完全滿足零件實際使用要求,成形工藝有效、可行。

曲軸蓋板;拉深;整形;梯形凸臺

近年來隨著汽車產業的迅猛發展,曲軸蓋板作為整個汽車產業鏈中不可或缺的零部件之一,其生產制造工藝的改進和革新越來越受到業內人士的關注。零件法蘭內緣處的梯形凸臺尺寸較小,利用傳統制造工藝成形困難。目前國內外針對曲軸蓋板的制造工藝主要是采取兩個步驟:首先采用多道次拉深成形出曲軸蓋板主要輪廓,再利用機械加工的方法加工出法蘭內緣圓角處梯形凸臺[1—2]?，F有加工方法會耗費大量的能源和材料,資源利用率較低,零件綜合性能差。在競爭越來越激烈的汽車產業中,已經不能適應汽車工業對減輕重量、降低能源消耗等方面的要求[3—5]。

在塑性成形技術領域,各種成形技術合理的交叉復合使用正被越來越多的業內人士所認可。其獨特的零件生產方法符合節約材料和能源,減少加工工序,提高勞動生產效率和降低成本的實際生產要求[6—7]。

如圖1所示曲軸蓋板為一回轉體,加工特點如下:(1)直筒直徑為φ57.3 mm,表面積較大;(2)直壁厚度為2.5 mm,多次拉深后直筒處壁厚難以保證; (3)法蘭內緣處的梯形凸臺,垂直高度分別為2.0 mm和2.3 mm,厚度為2.5 mm,水平角度為10.5°,尺寸要求較高,成形困難,是整個零件成形的關鍵區域。

圖1 曲軸蓋板零件模型Fig.1 Crankshaft cover partmodel

1 工藝原理和有限元模型的確定

1.1 新工藝的確定

對于該零件,常規加工方法為多道次拉深,以達到零件的尺寸要求(包括筒形壁厚、筒形高和筒形底部最小圓角半徑),但是法蘭內緣處梯形凸臺由于特殊的尺寸要求難以通過多道次拉深工藝實現。國內外普遍的加工方法是采用較厚坯料多道次拉深,增厚法蘭內緣處處壁厚,再機加工出法蘭內緣處梯形小凸臺[8—10],從而完成整個零件的制造。這樣的做法雖然能夠得到符合要求的零件,但材料利用率低,加工成本高,加工效率低。通過一次整形達到所需梯形凸臺尺寸亦難度較大,主要原因有:(1)通過多次拉深之后材料在法蘭內緣處增厚不明顯,導致整形所需充填金屬體積不足,凸臺難以成形;(2)由于法蘭內緣處梯形凸臺尺寸很小,采用鍛壓工藝實現該處梯形臺階的一次成形,金屬極易產生折疊,而且該處變形類似于沖裁,模具極易嵌入金屬內,破壞零件表層;(3)整形時凸模的單位載荷較大,模具容易損壞。

根據零件特殊尺寸要求,在常規工藝分析的基礎上,提出新的加工工藝方法[11—13],如圖2所示,其成形工序依次為:多道次拉深→壓邊→梯形凸臺處預整形→梯形凸臺處終整形。多道次拉深的目的是成形零件筒壁部分,增厚法蘭內緣處的坯料,為之后的預整形和終整形提供足夠體積的金屬。壓邊的作用是成形出一定法蘭內緣形狀,減少預整形金屬的變形量,保護模具。預整形采用較大圓角的擠壓環將金屬聚集在圓角處,避免金屬過多的橫向流動。終整形采用較小的圓角,成形出零件要求尺寸。

圖2 工藝流程Fig.2 Flow diagram of the process

1.2 有限元模型的建立

曲軸蓋板零件的幾何形狀、邊界條件和載荷都相對中心軸對稱,為提高有限元模擬計算效率和精度,建立1/4幾何模型進行有限元模擬,采用四面體單元的網格劃分方式[9,14];多道次拉深過程凸模移動速度設為30 mm/s,壓邊、預整形和終整形階段凸模移動速度設置為1 mm/s,整個成形階段坯料和模具之間的摩擦因數設為0.12。根據體積不變原則,坯料尺寸選擇厚度為2.5 mm,直徑為150 mm。材料選擇1.0338冷軋深拉伸板,材料的基本力學性能如下:屈服強度為231 MPa,密度為7.851 g/cm3,彈性模量為220 GPa,泊松比為0.283。

2 模擬仿真結果分析

2.1 多道次拉深增厚階段分析

hn和tn為拉深件的相對高度和相對厚度,二者分別表示零件實際厚度、高度和零件直徑之間的相對數值關系。二者是確定拉深次數的2個主要量化指標。根據式(1)和(2)計算可得,hn和tn分別為0.7和1.6。由表1可知整個拉深過程分為3道次完成,考慮到直筒底部圓角半徑R僅為5 mm,在拉深增厚階段增加一次整形過程,以更好成形直筒底部圓角,圓角半徑大小從一道次的17.5 mm,減小到四道次的5 mm。拉深后材料直筒高為34.9 mm,壁厚由坯料時的2.6 mm減薄至2.5 mm,法蘭內緣處厚度則增厚至2.92 mm,達到之后整形所要求的壁厚要求。式中:H為零件高度,mm;l為有凸緣拉深件修邊余量,mm;D為零件直徑,mm;t為零件厚度,mm。

表1 筒形件拉深相對厚度t/D與拉深次數的關系Tab le 1 Relationship of relative thickness and num ber for cylind rical deep d raw ing

2.2 整形工藝階段分析

通過對拉深后零件法蘭內緣處梯形凸臺的擠壓成形實現零件整形過程。該過程采用整體凸模,并且預整形和終整形采用同一凹模,主要目的是保證零件的表面質量、外圍尺寸和降低零件加工成本。

圖3為不同斜面厚度零件整形后截面面積形狀的變化。Ⅰ區域表示坯料體積減少部分,Ⅱ區域表示坯料體積增加部分。其中圖3a斜面厚度為2.5 mm,圖3b斜面厚度為2.9 mm。通過計算,圖3a中Ⅱ區域面積大于Ⅰ區域面積,說明當法蘭內緣沒有增厚,厚度僅為2.5 mm時,金屬減少的區域面積少于增加面積,零件成形過程金屬體積補充不足,Ⅱ區域可能會出現充不滿現象,產生缺陷。圖3b為Ⅰ區域面積和Ⅱ面積區域相等的理想情況,表明零件成形過程中,有足夠金屬充填。計算得圖3b法蘭內緣斜面厚度約為2.9 mm。多道次拉和壓邊階段結束后法蘭內緣斜面處增厚到2.92 mm,符合金屬充填要求。

整形工藝模具設置如圖4所示,預整形階段采用具有較大圓角的擠壓環將金屬聚集在圓角處,避免金屬過多的橫向流動。然后再采用較小圓角的擠壓環終整形,有效避免了金屬發生折疊現象。

圖3 不同斜面厚度零件整形前后截面面積的變化Fig.3 Sectional area of the ramp before and after different thickness plastic parts

圖4 整形工藝的模具設置Fig.4 Shaping process die set

圖5為預整形過程材料的等效應變云圖。從圖5可以看出,材料首先發生變化的位置是擠壓圓環圓角處,隨著擠壓過程的進行變形主要集中在材料法蘭內緣圓角處。預整形結束后材料成形效果良好,材料和模具完全接觸,沒有發生金屬折疊和未充滿現象,達到了預整形目的。

圖6為終整形階段材料的等效應變云圖?？梢钥闯龊皖A整形階段相比,材料變形程度降低,變形區域減小,主要發生在擠壓環圓角處。這是因為在預整形階段,較大的擠壓環半徑,較小摩擦阻力,保證了金屬能夠在橫向上充分流動,完成整個整形階段大部分變形。

圖5 預整形過程的等效應變云圖Fig.5 Pre-shaping process equivalent strain

圖6 終整形過程的等效應變云圖Fig.6 Final shaping procedure is the equivalent strain

2.3 擠壓環圓角半徑對零件成形效果的影響

法蘭內緣處梯形凸臺尺寸較小,金屬不易流動,成形困難。擠壓環圓角半徑通過影響成形圓角處摩擦阻力,對成形過程中金屬流動產生顯著的影響。根據經驗選取3組圓角半徑進行預整形階段模擬,根據模擬成形效果和實際實驗效果確定最優參數。3組圓角半徑分別為1.5,2.0,2.5 mm。

圖7分別為采用3組不同擠壓環圓角半徑預整形后,得到的模具和材料的接觸關系。當R=2.5 mm時,由于圓角半徑過大,圓角半徑處的摩擦較小,造成金屬在圓角處橫向流動過多,在凹模圓角出現金屬未充滿現象,模擬結果則表現為材料和模具未接觸。當圓角半徑為2.0 mm和2.5 mm時金屬與模具完全接觸,沒有發生金屬充填不足現象。而圓角半徑R=1.5 mm時,由于圓角半徑過小,擠壓環圓角處的摩擦過大造成金屬在預整形過程中橫向流動過少,實際生產中在凹模圓角處產生金屬過度堆積進而產生金屬折疊現象,如圖8所示。過大圓角和過小圓角都會使最終成形零件產生一定的缺陷,不符合實際生產要求,綜合考慮實際生產中選擇擠壓環半徑R=2.0 mm。

圖7 不同圓角半徑成形后材料和模具的接觸關系Fig.7 Materials and mold after forming different contact relationships radius

圖8 產生折疊缺陷的零件Fig.8 Folding produce defective parts

2.4 成形載荷分析

圖9為整形階段材料成形載荷。預整形和終整形階段載荷曲線均呈現漸升趨勢,主要是因為隨著成形的不斷進行,坯料的擠壓環接觸面積逐漸增加,導致成形載荷不斷增加。預整形階段最大成形載荷約為200 t,終整形階段最大成形載荷約為300 t,符合實際生產設備要求。

圖9 整形過程載荷云圖Fig.9 Shaping process loads

3 零件試制

根據模擬所得實驗參數,生產企業利用JL21-80A高速沖床和YQ32-500T三梁四柱壓力機對零件進行試制。試制過程采用高分子潤滑劑,成形零件表面質量較好,較難成形的法蘭內緣梯形凸臺成形尺寸完全符合要求,沒有產生金屬折疊或充填不滿等缺陷,滿足了零件尺寸、形狀和力學性能要求,獲得了良好的汽車曲軸蓋板,見圖10。

圖10 曲軸蓋板的生產試制Fig.10 Crankshaft covers trial production

4 結論

1)根據零件特點,采用了常規拉深、壓邊和整形相結合的新加工工藝。

2)結合零件特點確定了拉深道次。采用四道次拉深成形,零件高度、直筒壁厚和直筒底部圓角均符合要求。法蘭內緣處增厚成功,壁厚達到2.92 mm,符合預整形對壁厚要求。

3)整形得到了滿足要求的法蘭內緣帶有較小尺寸梯形凸臺的較高質量汽車曲軸蓋板。

4)根據制定的工藝和數值模擬結果,進行了零件試制,驗證了新工藝的可行性。

[1]郭一鳴.發動機曲軸多級混聯式扭振減振器的設計與分析[J].湖北汽車工業學院學報,2012,26(4):1—5. GUO Yi-ming.Research on Multi-hybrid Torsional Vibration Damper of Engine Crankshaft[J].Journal of Hubei Automotive Industries Institute,2012,26(4):1—5.

[2]王忠雷,趙國群.精密鍛造技術的研究現狀及發展趨勢[J].精密成形工程,2009,1(1):32—38. WANG Zhong-lei,ZHAO Guo-qun.Recent Condition and Developing Trends of Precise Forging Technology[J].Journal of Netshape Forming Engineering,2009,1(1):32—38, 83.

[3]楊煜.國內外冷擠壓技術發展綜述[J].鍛壓機械,2001, 12(1):3—6. YANG Yu.Summary of Cold Extrusion Technology at Home and Abroad[J].Forging Machinery,2001,12(1):3—6.

[4]洪慎章.冷擠壓零件的工藝設計[J].模具技術,2004 (3):44—48. HONG Shen-zhang.Cold Extrusion Process Design of Parts [J].Die and Mould Technology,2004(3):44—48.

[5]李貝貝,嚴軍,劉雨生,等.曲軸輪轂中間齒精壓成形工藝研究[J].精密成形工程,2014,6(3):10—14. LIBei-bei,YAN Jun,LIU Yu-sheng,etal.Precision Coining Process of Crankshaft Hub Tooth[J].Journal of Netshape Forming Engineering,2014,6(3):10—14.

[6]鐘建華,袁志燕,劉艷霞,等.擠壓工藝參數對擠壓過程影響規律的仿真模擬研究[J].有色金屬學報,2013(3): 56—62. ZHONG Jian-hua,YUAN Zhi-yan,LIU Yan-xia,et al.Research on Effects of Extrusion Process Parameters on the Extrusion Process by Numerical Simulation[J].NonferrousMetals Science and Engineering,2013(3):56—62.

[7]晏爽,李普,潘秀秀,等.精密鍛造成形技術的應用及其發展[J].熱加工工藝,2013,42(15):9—12. YAN Shuang,LI Pu,PAN Xiu-xiu et al.Precision Forging Application and Development of Technology[J].HotWorking Technology,2013,42(15):9—12.

[8]張志偉.皮帶輪鍛件熱態沖連皮模具優化設計[J].模具技術,2014(6):8—11. ZHANG Zhi-wei.Design Optimization of the HotWad-punching Die For Belt Pulley[J].Die and Mould Technology, 2014(6):8—11.

[9]尹德良,張凱鋒,吳德忠.AZ31鎂合金非等溫拉深性能的研究[J].材料科學與工藝,2004(12):88—90. YIN De-liang,ZHANG Kai-feng,WU De-zhong.Nonisothermal Deep Drivability of AZ31 Magnesium Alloy[J].Materials Science&Technology,2004(12):88—90.

[10]孫巖志,郝濱海,徐桂華.基于DEFORM的十字軸預鍛成形分析及模具改進[J].鍛壓裝備與制造技術,2008 (3):38—39. SUN Yan-zhi,HAO Bin-hai,XU Gui-hua.The Analysis of Pre-forging Simulation of Cross Shaft Based on DEFORMand the Improvement of Die[J].Metal Forming Equipment and Manufacturing Technology,2008(3):38—39.

[11]王桂龍,趙國群,李輝平,等.薄壁注塑制品翹曲影響因素分析與工藝優化[J].中國機械工程,2009,20(4): 488—492. WANG Gui-long,ZHAO Guo-qun,LIHui-ping,et al.Thinwalled Injection Warped Factors Analysis and Optimization [J].China Mechanical Engineering,2009,20(4):488—492.

[12]王堯.鋁合金型材分流擠壓過程的數值模擬研究[D].廣州:華南理工大學,2010. WANG Yao.Numerical Simulation of Extrusion Process of Aluminum Profiles Shunt[D].Guangzhou:South China University of Technology,2010.

[13]劉全坤.材料成形基本原理[M].北京:機械工業出版社,2010. LIU Quan-kun.Material Forming the Basic Principles[M]. Beijing:Mechanical Industry Press,2010.

[14]YOSHIMURA H,TANKA K.Precision of Aluminum and Steel[J].Journal of Materials Processing Technology, 2000,98:196—204.

Process of Small Size and Trapezoid Convex Platform of Crankshaft Cover

XU Jie1,WANG Jiu-lin1,ZHOU Min2,LIPing1
(1.School of Materials Science&Engineering,Hefei University of Technology,Hefei230009,China; 2.Nantong Fuleda Vehicle Accessory Component Co.,Ltd.,Nantong 226300 China)

The aim of this study was to investigate the feasibility study of the cover of automobile crankshaftmachining process.According to the characteristics of the part,partswere assembled bymachining process combined withmulti pass drawing with shaping,and the numerical simulation of forming process was analyzed by the finite element technology.Finally,the feasibility of process was verified using physical experiments.The surface quality of the trial is good,the size precision of the trapezoidal bulge at the inner edge of the flangemeet the requirements,which was consistentwith the finite element simulation results.The automobile crankshaft cover board processed by multi-pass drawing and plastic composite technology can fullymeet the requirements of the actual use,and the forming process is effective and feasible.

crankshaft cover;drawing;shaping;trapezoid convex platform

10.3969/j.issn.1674-6457.2015.04.004

TG316

:A

:1674-6457(2015)04-0016-06

2015-06-12

徐杰(1988—),男,安徽肥西人,碩士研究生,主要研究方向為擠壓成形與數值仿真。

李萍(1973—),女,哈爾濱人,博士,教授,博士生導師,主要研究方向為精密成形和數值模擬。