線材鐓粗成形理論研究

余五新，李文強

（江漢大學(xué) 機電與建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430056）

引言

吊鉤用于汽車小件與車身或者底盤的連接。在吊鉤上安裝橡膠套，對汽車車身有減震作用[1]。吊鉤是通過對線材進行局部鐓粗后，再折彎成形的。傳統(tǒng)意義上圓柱體的鐓粗是指在兩個平行的平砧之間對坯料進行壓縮，使得坯料高度減小，橫截面面積變大[2]。該工藝操作的實現(xiàn)需要上、下模裝置，當圓柱體的高徑比H/D≦0.5 時，鐓粗后坯料的變形程度較為均勻；當圓柱體的高徑比H/D=0.8～2.0 時，鐓粗后坯料呈現(xiàn)鼓形；當圓柱體的高徑比H/D＞2 時，鐓粗后坯料呈現(xiàn)雙鼓型；當圓柱體的高徑比H/D＞3 時，鐓粗時坯料容易失穩(wěn)而彎曲。根據(jù)吊鉤制造的毛坯外形特征，需對其進行橫向鐓粗，其成形特征接近于傳統(tǒng)意義上高徑比H/D＞3 的圓柱體鐓粗。為避免鐓粗時坯料因失穩(wěn)而彎曲，需對線材所鐓粗部位的相鄰部分進行夾緊，然后直接對其進行鐓粗。

1 線材鐓粗成形相關(guān)工藝參數(shù)

對吊鉤進行局部鐓粗時，需確定鐓粗力、夾緊力以及夾持長度等相關(guān)工藝參數(shù)。本研究采用理論計算和數(shù)字模擬相結(jié)合的方式確定線材鐓粗成形相關(guān)工藝參數(shù)，即先通過理論公式計算鐓粗力、夾緊力以及夾持長度等相關(guān)工藝參數(shù)，同時應(yīng)用Deform 有限元模擬軟件對線材進行鐓粗模擬，得到成形效果圖；將模擬得出的鐓粗值與理論計算值進行對比，進一步為相關(guān)設(shè)備和工藝裝備的設(shè)計提供技術(shù)支撐。

2 長線材鐓粗各參數(shù)的理論計算

本研究以一種吊鉤為例，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，該吊鉤材料為Q235，直徑為10mm，設(shè)計有兩個凸臺，端部凸臺和中間凸臺。圖2 為吊鉤的二維尺寸圖。為提高生產(chǎn)效率，需要對兩個凸臺進行一次性成形。

圖1 吊鉤三維模型圖

圖2 吊鉤二維尺寸圖

2.1 兩個凸臺成形的鐓粗力計算

本研究采用的是橫向鐓粗，通過對線材進行夾緊從而產(chǎn)生摩擦力以平衡鐓粗力，沒有下模對線材提供支持力，因此鐓粗力與夾緊力都是未知的，無法進行計算，所以本設(shè)計采用逆向思維，假設(shè)其是傳統(tǒng)的平砧鐓粗，具有上下模裝置，這樣就很容易計算出鐓粗力了。通過Pro/E 軟件建立的吊鉤三維模型圖[3]，測量出端部凸臺的體積V1=888.7mm3，高度h'1=10mm，中間凸臺的體積V2=448.5mm3，高度h'2=3.5mm。已知線材的直徑為10mm，再根據(jù)鐓粗前后線材體積不變原理，計算出鐓粗端部凸臺和中間凸臺的原始高度h1=11.3mm，h2=5.3mm。對于材料Q235 經(jīng)處理的干凈軋制表面時的摩擦系數(shù)μ=0.15，常溫下其屈服應(yīng)力S=235MPa。

2.1.1 端部凸臺鐓粗力F1的計算

（變形后坯料的尺寸計算。線材鐓粗后的平均直徑為：

利用公式：

計算單位流動壓力和變形力。端部凸臺的凹模入口角為110°，查表[4]可得Kα=0.95，Kh=1.13，為提高模具壽命，使凸模承受較小的單位壓力，對10 鋼～40MnB 材料推薦選用較為合理，本設(shè)計材料為Q235，取。

鐓粗結(jié)束時的單位流動壓力：

變形力為：

2.1.2 中間凸臺鐓粗力F1的計算

1）變形后坯料的尺寸計算。線材鐓粗后的平均直徑為：

2）同樣利用端部凸臺的鐓粗力計算公式，查表可得，其中Kα=1.2，Kh=0.9。

鐓粗結(jié)束時的單位流動壓力：

變形力為：

由于兩凸臺成形順序的不可預(yù)測性，本研究假設(shè)兩凸臺同時成形，則最大總鐓粗力F總=F1+F2=184.8KN。

1.2 對線材的夾緊力以及加持長度的計算

通過對長線材的軸向進行夾緊以產(chǎn)生摩擦力，從而平衡鐓粗力，根據(jù)受力平衡關(guān)系，線材所受的摩擦力大小應(yīng)該等于鐓粗力大小，為保證結(jié)構(gòu)安全，需要對摩擦力乘以一個安全系數(shù)，取安全系數(shù)k=1.3，故摩擦力f=240KN，又摩擦因素μ=0.15，根據(jù)公式f=μF 可得，夾緊力F夾=1600KN。

查表可知，室溫下Q235 的屈服強度為σ=235MPa，設(shè)夾具與線材的接觸表面積為S，則，可得S=6808.5mm2，，l 表示夾持長度，代入數(shù)值可得l=217mm。

綜上所述，夾緊力F夾=1600KN，夾持長度l=217mm。

3 吊鉤鐓粗的Deform 有限元模擬分析

利用Deform 有限元軟件分析大高徑比吊鉤的鐓粗成形過程，通過對數(shù)值模擬結(jié)果的分析，得出各工藝參數(shù)對鐓粗失穩(wěn)及凸臺成形的影響規(guī)律。最后對工藝參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，避免產(chǎn)生堆積，凸臺成形不飽滿等缺陷，同時提高模具壽命[5]。在進行Deform 有限元模擬分析之時，由于需要對線材進行夾緊，同樣，在夾緊力未知的情況下，無法對其進行把控，因此先采用上下模結(jié)構(gòu)對線材進行鐓粗模擬。模擬得到鐓粗力的大小后，再根據(jù)上式計算出夾緊力以及夾持長度，最后進行二次模擬。

通過Pro/E 建立線材、上模、下模、哈夫塊三維模型，哈夫塊如圖3 所示。轉(zhuǎn)換成stl 格式導(dǎo)入到Deform 軟件中，并調(diào)整好各模型之間的相對位置，如圖4 所示。線材設(shè)置為彈塑性體，上下模以及哈夫塊設(shè)置為剛體。線材的網(wǎng)格劃分與重劃分設(shè)為12000，網(wǎng)格數(shù)量太大會增加模擬時間，降低效率，數(shù)量太小會使模擬精度降低[6]。單元網(wǎng)格選擇四面體，如圖5 所示。停止條件為上模運動距離為26mm。由于采用的是冷鐓，因此鐓粗時的溫度設(shè)置為20℃。在Deform 前處理模塊中，摩擦模型選擇剪切摩擦，其中線材與上下模以及哈夫塊之間的摩擦系數(shù)均為0.12。最終模擬結(jié)果顯示，單位流動壓力為1620MPa，與理論計算值相近，同時成形效果達到預(yù)期要求，成形效果如圖6 所示。

圖3 哈夫塊三維模型圖

圖4 簡易模具成形圖

圖5 線材網(wǎng)格劃分圖

圖6 成形效果圖

4 結(jié)束語

本研究針對長線材吊鉤的鐓粗一次成形，利用公式計算并且通過Deform 有限元模擬計算鐓粗壓應(yīng)力以及得到成形效果圖，最終結(jié)果顯示公式計算值與有限元模擬值相近，同時模擬的成形效果圖達到了預(yù)期要求。以上理論研究雖然未考慮鐓粗成形時摩擦力對材料塑性流動的阻礙，但仍能為實際生產(chǎn)制造中相關(guān)設(shè)備的選擇、模具和夾具的設(shè)計以及工藝方案的制定等提供一定的技術(shù)支撐。