球头销冷镦工艺.docx

汽车球头销冷挤压工艺分析与模具设计
关键字：球头销|镦挤|模具设计|组合凹模|有限元模拟
摘要：球头销是汽车上的重要连接零件，要求结构强度高，宜采用冷精锻成形。采用镦挤加工方法，分析了某汽车球头销的成形工艺，对金属的塑性变形进行了合理分配，完成了加工此零件所需的三个道次工艺设计。同时，为验证设计工艺的合理性，采用有限元模拟手段，对该球头销的镦挤成形过程进行仿真，得到了金属流动的位移场、速度场及应力—应变场。模拟结果表明，设计的三道次镦挤工艺方案能够保证球头销的顺利成形。
1概述
球头销是汽车、拖拉机上的重要连接零件，物理、力学性能都有较高要求。过去该零件主要采用切削加工，材料的强度、硬度都得不到保证，实际使用中经常发生零件损伤而需要不断更换的现象。目前已普遍采用冷成形方法，即镦挤成形加工球头销，但工艺设计主要还是凭经验，加工道次的分配、模具结构设计都还存在不合理的现象，需要深入研究[1,2]。
本文以某型号汽车用球头销为例，材料20Cr，结合精密冷锻成形工艺，分析了该零件的结构特点，完成了三道次镦挤成形工艺的设计。同时，借助有限元模拟手段，分析了该球头销镦挤工艺的成形过程。模拟结果表明，镦挤工艺方案设计合理，能保证该零件的成形质量。
2球头销镦挤工艺分析与模具设计
2.1零件特征分析
该球头销如图1所示。从零件图中可以看出，零件为轴对称的回转体，主要由杆部和球头两部分组成。在结构特征上，主要包含四个重要的特征，依次是：Φ9.10mm的底端杆部;Φ15.0mm的中间杆部，且与底端杆部连接处为直角过渡;中间杆部一段长为6mm的六边形台阶;杆部顶端，带有2mm凸缘的球头部分。
由传统经验可知，Φ9.10mm的杆部可采用正挤压一次成形;下端杆部与中间杆部的直角过渡，若对其一次成形，则会造成变形和应力分布的不均匀，易产生裂纹。因此，在对该部分设计时，最好先将直角端面部位设计成锥形过渡，圆杆与六边形的衔接处采用平滑圆弧连接，分成多道次成形出直角过渡部分;对于中间杆部的六边形台阶，宜放在成形的最后一个道次加工。这是因为，若最初就加工出来，则也需要对后面道次的模具加工出相应的六边形台阶，这显然增加了模具制造上的工时和难度;另外，球头销的头部变形量大，不宜一道次成形，最好是能采用预成形加终成形两道次来完成[3]。

图1汽车球头销零件图
2.2工艺方案确定

图2球头销镦挤加工工艺方案
根据上述零件特征分析，同时参考文献[4]的模辊锻工艺方案，拟定镦挤方案如下：采用三个加工道次，先完成杆部挤压，最后加工球头部分。其中，第一道次正挤圆形坯料，获得Φ9.10mm的底端杆部;第二道次对球头部分进行预镦成形;最后一道次镦粗球头部分，以及中间杆部的六边形台阶。整个加工方案，如图2所示。

图3第二道工序模具设计总装图
第二道次的模具设计总装图,如图3所示。零件中间杆部的高度要求为14.1mm，而制件的中间杆部直径要求为Φ15.0mm，这里过渡成形为Φ14.75mm。锥角过渡带高约为1.8mm，再加上此道次成形出11mm的中间杆部，这一道次实际成形的中间杆部高度约为12.8mm。由计算得出的冷镦力为1958kN,单位挤压力为1059MPa，因此采用整体式凹模即可。
3挤压成形过程有限元模拟
为验证优化分析的正确性，采用DEFORM-3D有限元模拟软件，对各个工序的挤压过程进行有限元模拟。
模拟时考虑到，模具的变形与坯料的变形相比可以忽略不计，故将模具当作刚体，不计算其变形及应力分布情况。同时，由于球头销是回转体，为减少计算规模，模拟时取整个模型的1/6分析。
另外，由于该零件需要多道次成形，故在模拟时采用“无缝转接”技术，将上一道次模拟得到的制件直接转换成下一道次的坯料，从而解决了三道次模拟之间的连续性问题。
3.1第一道工序模拟
第一道次主要挤压杆部，建立的有限元模型,如图4所示，杆部正挤成形过程,如图5所示。

图4第一道工序有限元模型型
稳态挤压时金属的等效应力、应变分布云图,如图6所示。从图中可以看出，金属的塑性变形表现出不同时性，变形主要集中在模具锥角之间的过渡带部分。变形区域可分为已变形区、变形区和待变形区三部分，从待变形区到变形区的等效应力逐渐增大，最大应力出现在模具的定径带处，已变形区的应力接近于零。

图5第一道工序成形过程示意图

图6稳态挤压时金属的等效应力、应变分布云图
3.2第二道工序模拟
该道次有限元模拟的模型,如图7所示。从前面的分析可知，该道次主要的目的是对球头部分进行预成形。模拟达到130步时，坯料的应力分布云图,如图8所示。从图中能看到，此时的变形主要集中在杆的上部。其中，与凸模接触的端面部分应力较小，而中心部位应力较大，中心外侧的应力分布介于二者之间，整个变形区域成类似x形分布，这显然符合镦粗变形的特征。

图7第二道