浅析带孔平衡环架的分流成形工艺设计范文

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摘要：对平衡环架零件进行了挤压工艺分析，制定了两步成形方案。运用Deform有限元软件对两工位成形过程进行了模拟，获取了成形过程中模具载荷和金属流动的变化趋势。综合考虑模具受力和加工成本，确定了一工位的分流降载工艺和二工位的异形孔挤压成形方法。

关键词：异形孔；分流降载；挤压成形；平衡环架

平衡环架是机械结构中常见的零件，主要起到支撑和旋转枢纽的作用。对于带有异形孔的平衡环架，其制造难点是异形孔的加工，目前加工方式主要为线切割。大批量生产时，大量的机械加工不仅造成了材料的严重浪费，还极大地影响了产品生产效率[1]。精密塑性成形技术是解决复杂结构大批量生产的先进制造技术，它是指零件成形后，不再加工或仅需少量切削加工，就可用作机械构件的成形技术[2]。通过控制坯料的尺寸精度、润滑条件、模具等设备的精度和成形过程中的变形参数完全可以获得表面质量好、尺寸精度高的净成形件。大部分尺寸甚至所有部位的尺寸可以省去后续机加工，达到节省材料、能源的目的。然而，复杂结构的产品在应用精密塑性成形生产时存在许多工艺难题，如充填不满，模具磨损严重甚至开裂，这些问题限制了精密塑性成形工艺的推广使用。上述问题产生的根本原因是金属流动不均，局部流动困难，从而导致模具局部受力严重偏大，使得模具失效[3]。因此，如能采用合理的精密塑性成形工艺，使得金属流入模具各部分的比例合适，应能降低模具受力，提高模具的使用寿命。对于塑性成形工艺和模具结构对金属流动的影响，有限元数值模拟技术是近年来研究该类问题的有效工具[4]。本文针对某平衡环架零件，以分流降载为目的，运用有限元数值模拟技术探索其合理的工艺。

1工艺方案设计

平衡环架产品的零件图和三维模型如图1所示。由图可见，平衡环架产品主体为环形，内孔为异形且尺寸较小，最大处为准10.6mm，零件高度较小,为6.1mm，侧向有对称的两个方块，另外两个侧向有准4.1mm的通孔。对于侧向块的成形，考虑挤压成形特点，拟采用镦挤或径向挤压成形来完成。径向挤压需要锁紧模具，结构较复杂，因此采用镦挤成形侧向块[5]。异形内孔在侧向块挤压成形结束后采用反挤压成形，得到带有连皮的不通孔，最后将连皮切除。两个侧孔通过后续机加工完成。高度方向上适当添加机加工余量以保证侧向块和反挤异形孔的成形。产品整体尺寸较小，其余部位机加工容易且耗时不多，可以通过机加工获取精确尺寸。具体工艺方案为：①下料，坯料体积为2060mm3，尺寸外径取准14.8mm，高度为12mm；②磷皂化润滑；③挤压成形侧向方块（此工位为一工位，挤压件见图2）；④车图2下端面，保证其为平面（采用周向分流时该工序同时切除侧向块上的毛刺）；⑤反挤中心异形孔（二工位）；⑥车上端面，去除反挤杯部，车下端面，去除孔底；⑦加工准4.1mm侧向孔；⑧热处理。

2平衡环架挤压成形数值模拟

2.1一工位镦挤成形过程一工位为镦挤成形，初始模拟模型见图3。采用冷成形，取其1/4进行分析，材料是DIN-42CrMo4合金结构钢，冷成形时强度、硬度高，其变形抗力可达880MPa。模具和坯料间摩擦采用剪切摩擦模型，摩擦因子取0.12，坯料初始网格为50000个，凸模下压速度为10mm/s。模具和坯料间摩擦因子取0.12，坯料初始网格为50000个，凸模下压速度为10mm/s。图4为一工位镦挤过程中凸模载荷随行程的变化情况。可以看到，大部分行程阶段凸模上的载荷都较小，在100kN以下。随着侧向块的进一步填满，多余金属可流动空间变小，模具受力急剧上升，到最终充填完成时为316kN。为了减小凸模载荷，在凸模和凹模间设置了分流部位以容纳多余金属，见图5箭头所指处。图6为0.5mm分流腔时凸模上载荷随行程变化情况。最终充填完成时载荷为257kN，相较于第一个方案的316kN有所降低。当分流腔尺寸调整为1mm时最终充填完成时载荷为219kN，同时，由于分流腔的存在，侧向块端面的充填变得困难。上述分析说明轴向分流可以降低凸模承受的压力，但单纯通过轴向分流难以达到可靠的模具受力。由于对侧向块端部的金属流线没有较高要求，该部位允许机加工完成，此时可以采用径向分流和轴向分流配合，当挤到如图7所示位置时停止。此时，凸模载荷为150kN。图7中黑圈部位的未充满之处约有0.5～0.7mm，在设计挤压件尺寸时可以加上相应余量，通过后续的机加工完成其径向尺寸和相邻圆角的加工。

2.2二工位反挤异形孔成形过程平衡环架二工位反挤成形过程是在一工位镦挤基础上进行，初始分析模型见图8。同样取产品的1/4进行分析，反挤凸模为异形截面，凸模头部设置了R1mm的圆角以便金属流动。其他模拟参数与一 工位一致。为了使将来孔底切除后产品高度尺寸足够，对一工位镦挤件稍作修改，在坯料下面增加了3mm余量，分别是1mm的凸模圆角和2mm的孔底厚度，如图8所示。图9为二工位反挤模拟结果。在侧向块有限位块压住的情况下，此时成形就是一个异形孔的反挤压。从图9可以看到，挤压件关键部位与模具贴合度好，保证了异形孔的基本形状，图纸上对异形孔的精度要求也不高，反挤压成形可以满足需求。该方法的缺点是材料利用率较低，需在后续的切削加工中去除箭头所指的上面的杯部和下面的杯底，其切削量上部大约从侧向块顶端至杯部最高处8mm开始，杯底约3mm。当然，采用此种成形方法模具结构较复杂，需要增加限位块（图8），在成形时限位块保持不动，成形结束需要将限位块移开以取出挤压件。图10为未增加限位块的成形结果，侧向块部位随着挤压进行向上移动，使得其形状和尺寸发生了变化，同时孔形也发生了变化。若在一工位通过反挤压获取异形孔或圆孔然后二工位完成侧向块成形也是一种思路，但通过数值模拟发现，由于孔是异形孔，侧向块存在于零件两侧，会导致孔形发生改变，因此均不可行，如图11所示。

3结语

平衡环架零件具有异形孔，采用精密塑性成形工艺可以直接成形，降低了机械加工成本，提高了生产效率。但由于材料为42CrMo合金结构钢，强度、硬度高，给冷挤压带来了困难。对于此产品，为了保证侧向块和异形孔的成形，要求模具对其有充分的约束，导致挤压力较高，模具难以承受如此高压力。本文以分流降载为目的，运用有限元数值模拟技术探索其合理的分流成形工艺，确定为一工位轴向分流复合径向分流成形，二工位采用限位块反挤成形异形孔。该工艺降低了凸模承受载荷，对于提高模具寿命，降低生产成本具有较高的应用价值。

参考文献：

[1]夏华，姬程程，彭树杰．异形孔轴类零件的复合挤压成形模设计与数值模拟[J]．模具工业，2013，39(1)：71-74．

[2]夏春林，魏志坚，叶俊青，等．近净成形技术在航空锻件中的应用[J]．新技术新工艺，2014(3)：27-29．

[3]高振山，邓效忠，陈拂晓，等．基于修正Archard理论的螺旋锥齿轮锻造模具寿命预测[J]．中国机械工程，2014，25(2)：226-229．

[4]汤成建，孔德军，赵本国，等．齿形链轮温挤压精密成形数值模拟[J]．热加工工艺，2016，45(19)：156-159．

[5]张海英，陆贤，林健，等．用镦挤法进行闭式模锻[J]．锻压技术，2012，38(1)：17-20.

作者：黄英娜 李振红 庄卫国 叶圣 徐辉 许军杰 单位：江苏省先进结构材料与应用技术重点实验室