有限元分析和模具设计

2013-06-24  by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM  来源:仿真在线

关键字:有限元分析 模具设计

支撑轴零件在汽车领域中需求量较大,其形状尺寸如图1所示。从形状上看,支撑轴属于阶梯状的空心轴类零件,体积较大且轴向长度较长。现有的制造 工艺多采用热锻方法先成形其阶梯形外轮廓,然后全部采用机加工方法加工其空心部分,如图2所示。现有的生产工艺因大量的机加工而造成材料的严重浪费,而且也消耗了较长的工时。为此,采用挤压成形方法加工支撑轴的空心部分。考虑到该产品空心部分及外部轮廓在轴向上皆为阶梯状,且挤压行程较长,因而难以采用一次性纯粹的反挤压工艺,所以在反挤之前需增加一道镦挤工步来完成支撑轴外部轮廓的成形和内孔的预成形。

图1 支撑轴零件图

图2 支撑轴传统制造工艺
a—初始坯料 b—热锻预制坯 c—零件

1 新工艺方案确定
新工艺是在传统工艺的热锻和机加工之间增加了镦挤和反挤两个工步来成形支撑轴的空心形状,整个工艺过程如图3所示。先由圆棒料热锻成镦挤毛坯(图3b),随后镦挤成形支撑轴锻件的外部轮廓及阶梯状空心的上部形状(图3c),然后再进行纯粹的反挤压来达到支撑轴锻件的尺寸要求(如图3d),最后经必要的机加工制造出支撑轴零件(图3e)。

图3 新工艺方案的成形工步
a—初始坯料 b—热锻制坯 c—镦挤成形 d—挤压锻件 e—零件

2 有限元分析和模拟
新工艺方案中的关键问题是确定镦挤前预锻件的合理形状和尺寸以及合理的镦挤挤压行程。如果镦挤阶段的挤压行程与随后的反挤压变形程度匹配不合理,则支撑轴的外部轮廓便不能完全充满和成形。为此,采用DEFORM^TM系统对镦挤和反挤整个变形过程进行了反复分析和模拟。模拟中材料为45^#钢(AISI-1045),初始挤压温度为1 100℃,模具与工件之间的摩擦系数取为0.3,镦挤和反挤冲头的速度分别为25mm/s和30mm/s。经过反复模拟,确定了镦挤工步与反挤工步的挤压行程和变形程度的合理匹配,模拟分析的基本条件及部分结果如表1所示。在镦挤工步完成表中给出的挤压行程,可以保证其成形后的预制坯经过随后的反挤变形实现支撑轴锻件的尺寸要求。从表1给出的材料利用率可以看出,新工艺较传统工艺材料利用率可提高16%,单件产品可节省原材料12.8kg,对于需求量较大的支撑轴锻件来说,其效益是相当可观的。图4给出了镦挤阶段的变形过程。当支撑轴空心及外部轮廓的上部分形状满足尺寸要求时,此阶段的挤压就结束了。通过模拟发现,不合理的预锻件尺寸和模具结构会在镦挤结束阶段在阶梯处产生折叠(如图4d所示)且外部轮廓尺寸充填不满。为了了解镦挤变形阶段模具的工作状况,对整个镦挤变形过程的模具进行了弹性分析。在变形过程中模具视为弹性体,模具材料为W18Cr4V,图5给出的是镦挤变形结束时模具的弹性变形,可见,冲头顶部的弹性变形较严重。此外,从表1给出的冲头的温升及最高温度的部位也同时看出,冲头的工作条件比较恶劣,在工作过程中冲头头部极易磨损且可能与坯料粘在一起。因此,在模具设计时应考虑卸料板,同时在冲头材料选取及性能方面应充分考虑其恶劣的工作状况。图6给出的是反挤阶段的变形过程,从中可以看出该阶段的变形几乎接近纯粹的反挤压。

图4 镦挤变形过程
a—初始坯料 b—中间阶段 c—结束阶段 d—折叠

图5 镦挤变形结束时模具的弹性变形(放大倍数:10倍)

图6 反挤工步的变形过程
a—初始坯料 b—中间阶段 c—结束阶段

表1 镦挤工艺模拟分析的基本条件与结果

3 模具设计
根据实际生产条件,本文为某锻造企业进行了该工艺方案的模具设计。图7给出了镦挤变形工步的模具结构,冲头周围设计有弹簧卸料板是为了辅助工件从冲头上脱模,同时下模设置顶出器用于从组合凹模中顶出锻件。图8给出了反挤变形工步的模具结构,上模部分的结构较镦挤模具简单,冲头采用压紧器固定,同时压紧器也用于保护冲头在工作中不被折断。

图7 镦挤工步成形模具
1-冲头 2-弹簧 3-卸料板 4-组合凹模 5-顶出器

图8 反挤工步成形模具
1-冲头 2-冲头压紧器 3-组合凹模 4-顶出器

4 结论
本文提出了采用热锻、镦挤和反挤成形支撑轴的生产方法,与现有生产工艺相比,不仅能显著减少机加工时间和原材料浪费,而且能够提高产品的质量。在镦挤成形工艺中,根据有限元分析和模拟确定了热锻后合理的预制坯形状尺寸和镦挤阶段的挤压行程。同时对模具的工作状况进行了模拟分析,给出了工作模具的弹性变形。根据模拟分析结果,给出了合理的镦挤和反挤主要工艺参数并根据生产实际条件设计了镦挤和反挤两套成形模具。工艺与模具设计和仿真并行,可有利保障模具设计的可靠性

相关标签搜索：有限元分析和模具设计 Ansys有限元培训 Ansys workbench培训 ansys视频教程 ansys workbench教程 ansys APDL经典教程 ansys资料下载 ansys技术咨询 ansys基础知识 ansys代做 Fluent、CFX流体分析 HFSS电磁分析 Abaqus培训