汽车转向球销镦挤成形有限元分析与工艺_李万虎.pdf

第 48 卷 第 6 期Vol.48 No.6FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 6 月Jun.2023汽车转向球销镦挤成形有限元分析与工艺李万虎1,张敬民2(1.新乡职业技术学院 交通学院,河南 新乡 453006;2.新乡职业技术学院 数控技术学院,河南 新乡 453006)摘要:采用有限元和实际物理试验相结合的方法,对汽车转向球销的近净成形工艺进行了研究。首先,根据转向球销的特点和塑性成形原理,确定了各特征的成形方式,基于材料许用变形量设计了两套五工位镦挤成形工艺方案;其次,通过压缩试验创建了 40Cr 钢在室温下的流动应力模型并导入了 Deform-3D 中,同时对两套方案分别进行了数值建模和成形仿真,并对充型效果、材料变形过程、等效应力分布、成形载荷变化情况等进行了比较,从而获得了更适合的方案;最后,根据模拟分析结论进行了转向球销的镦挤试验,结果表明:分析结果准确,成形工艺可靠,获得的转向球销充型饱满,外观较好,无明显缺陷,内部组织均匀,无折叠等问题,满足技术要求。关键词:转向球销;镦挤成形;充型效果;等效应力;成形载荷DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.06.017中图分类号:TG376.3 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)06-0115-09Finite element analysis and process on upsetting extrusion for automobile steering ball pinLi Wanhu1,Zhang Jingmin2(1.Transportation College,Xinxiang Vocational and Technical College,Xinxiang 453006,China;2.College of Numerical Control Technology,Xinxiang Vocational and Technical College,Xinxiang 453006,China)Abstract:The near net forming process of automobile steering ball pin was studied by combining the finite element method and the actual physical test.Firstly,according to the characteristics of the steering ball pin and the principle of plastic forming,the forming mode of each characteristic was determined,and two sets of five-station upsetting extrusion forming process schemes were designed based on the allowable deformation amount of the material.Secondly,the flow stress model of 40Cr steel at room temperature was created by compression test and imported into Deform-3D.At the same time,the numerical modeling and forming simulation were carried out for the two schemes respective-ly,and the filling effect,material deformation process,equivalent stress distribution and forming load change condition were compared to ob-tain a more suitable scheme.Finally,the upsetting extrusion test of steering ball pin was carried out according to the simulation analysis re-sults.The results show that the analysis results are accurate,the forming process is reliable,and the obtained steering ball pin has full fill-ing,good appearance,no obvious defects,uniform internal organization,no folding and other problems,which meet the technical requirements.Key words:steering ball pin;upsetting extrusion;filling effect;equivalent stress;forming load收稿日期:2022-08-10;修订日期:2022-11-20基金项目:新乡市职业院校服务普教劳动教育的研究(B20113)作者简介:李万虎(1974-),男,学士,讲师E-mail:yic1221 汽车转向球销是转向系统中的关键连接零件,是车辆运行平稳、行驶安全、转向顺畅的保证,工作过程中需承受压、拉、剪、振动等各类载荷的冲击,服役条件恶劣,所以对转向球销的强度、耐磨性、抗疲劳、抗冲击、抗应力腐蚀等机械性能要求较高;同时,汽车工业作为国内的支柱产业,对各类汽车零件的需求量极大,随着新冠疫情得到控制,市场需求更是达到井喷期,如何实现高效生产成为了各汽车零件制造商亟待解决的问题。以上两点表明,对于汽车转向球销制造工艺的研究具有重要的现实意义和市场价值。汽车转向球销的传统制造工艺为切削加工1-2,但效率低、浪费材料,且因金属流线破坏而使转向球销的性能受到了影响,引起易磨损、易开裂的情况,显然无法满足当下的市场需求。因此,随着制造业的逐渐成熟,更多地会利用楔横轧工艺和镦挤工艺生产转向球销3-5。楔横轧工艺的生产效率高,通常采用一轧两件6-8,同时具有成形载荷小、模具寿命长、零件纤维组织连续、质量好等优点,但模具设计和生产难度较大,成本高,且具有一定的局限性,只能用于生产回转轴件9,而对于本文研究的汽车转向球销,后续仍需要切削加工,因此也无法满足要求;而镦挤工艺是利用模具使材料产生塑性变形而成形所需形状的一种加工方法10-11,适用性广,生产高效,生产的转向球销精度高,内部纤维组织致密均匀,表面质量好,接近净成形。虽然成形载荷相对较大,对模具的要求较高,但随着模具材料及制造技术、润滑技术以及材料软化技术的发展,模具寿命问题得到了有效解决,因此综合各方面考虑,采用镦挤工艺生产各类球销更具优势,并得到了有效应用12-14。但相关研究中的转向球销结构相对比较简单,基本均为简单的回转件,而本文研究的汽车转向球销存在六角及深孔特征,结构相对复杂,其镦挤工艺还未见研究与报导。因此,本文以此为研究对象,采用有限元和实际物理试验相结合的方法,对汽车转向球销的镦挤工艺进行研究,以起到一定的推广和借鉴作用,实现制造技术升级,提高产品质量。1 转向球销的工艺制定图 1 为汽车转向球销的零件图,转向球销材料为 40Cr 钢,冷态下的材料许用变形量为 55%60%,塑性较差,转向球销结构主要分为头部和杆部,头部包含球形特征、柱形特征和六角特征,头部最大尺寸为 32 mm,而杆部直径为 16 mm,尺寸变化大,镦挤成形时,材料变形量极大,并且较大的接触面会增加摩擦阻力,很难一次直接成形,易引起材料开裂等问题,因此宜采用分步成形。初步判断,头部通过镦粗成形,而杆部通过正挤压成形。同时转向球销内部还存在深孔特征,孔径为10.5 mm,孔深为 56 mm,深径比达到 5.33,大于极限值 315,无法一次挤压成孔,否则冲孔冲头会出现失稳而折断的现象,因此也需分步成形,同时确定采用反冲孔结构。基于材料许用变形量设计了两套理论上可行的镦挤成形工艺方案,如图 2 所示,均通过 5 步成形,各工位均能实现准确定位,并且坯料规格完全一致,均为 24 mm70.7 mm。2 转向球销成形过程模拟2.1 建立仿真及流动应力模型由于转向球销为轴对称零件,可通过简化模型、图 1 转向球销零件图Fig.1 Part drawing of steering ball pin细化网格来提高模拟精度,因此各工位模具、坯料等均通过 Pro/E 软件建立 1/2 模型,随后转入 De-form-3D 中进行对称面设置,并完成仿真模型的参数设定,包括以下几个方面。(1)材料设置。模具为刚体,不考虑变形,球销材料为 40Cr 钢,为塑性体,变形抗力大,实际镦挤成形前会进行球化退火改善材料组织、提高塑性,因此必须以实际条件为前提,将准确的 40Cr 钢的力学特性导入 Deform-3D 中,在材料模型库中选择的流动应力模型,见式(1):=(A1+A2n1p)1+A3ln(/0)1-(T-T0)/(Tm-T0)n2(1)式中:为流动应力;p为等效塑性应变;为等效应变速率;0为参考应变速率;T 为实际温度;T0为室温,20;Tm为 40Cr 钢的熔点温度;A1、A2、A3、n1、n2为试验参数,可基于压缩试验和线性回归方法求得。由于室温挤压下材料的温度软化效应不明显,因此最终将模型简化为式(2):=(A1+A2n1p)1+A3ln(/0)(2)试验参数拟合结果:A1=523.6、A2=532.29、A3=0.026、n1=0.418。(2)温度设置。均设为 20,同时不考虑变形温升的影响。(3)网格划分。对变形体进行网格划分,选择绝对网格划分,网格最小尺寸为 0.2 mm,尺寸比设为 2。611锻压技术 第 48 卷图 2 转向球销的五工位镦挤成形工艺方案(a)方案 1(b)方案 2Fig.2 Five-station upsetting extrusion forming process schemes for steering ball pin(a)Scheme 1(b)Scheme 2(4)运动条件设置。普通模具结构仅上模为运动件,反冲孔模具结构的上、下模均为运动件,其余为固定件。(5)接触关系设置。零件与模具之间存在较大的剪切摩擦,因此实际镦挤前会进行润滑处理,包括对 40Cr 钢的磷化皂化处理以及成形中持续喷涂润滑油,在良好润滑条件下,摩擦因数在 0.1 左右13,同时由于润滑油有冷却作用,因此也不考虑摩擦生热的影响。(6)模拟控制设置。采用位移控制,将上模作为判定对象,当位移达到指定值时,模拟停止,上模移动条件为每步 0.06 mm。2.2 模拟结果分析2.2.1 充型效果对比镦挤成形工艺中,成形件的精度是由模具型腔的加工精度保证的,所以挤压结束后,各工位成形件必须与模具全面接触才能保证零件最基本的尺寸要求,因此模拟成形时对充型效果的分析是非常重要的,可以通过观察接触节点情况对两方案进行查验,如图 3 所示。图 3 中显示,两种方案模拟获得的各工位成形零件的表面布满接触节点且均匀性较好,不存在节点缺失部位,说明整个过程无空腔产生,各工位模具结构设计比较合理,能较好地保证金属在模腔中的良好流动性,流至模腔的各个部位,711第 6 期李万虎等:汽车转向球销镦挤成形有限元分析与工艺 图 3 两种方案下的成形零件与模具接触节点示意图(a)方案 1(b)方案 2Fig.3 Schematic diagrams of contact nodes between formed parts and dies