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彩泥层状试样物理模拟法及其在连杆楔横轧精制坯中的应用

梅杰  
【摘要】:随着科学技术飞速发展,人类文明和进步达到了较高的境界,而其中制造业占有极其重要的地位,已成为国家经济和综合国力的基础。由于塑性加工技术具有生产效率高、产品质量好、节材、节能、成本低等特点,因而己成为制造技术的重要发展方向,国内外市场对精密塑性加工技术提出新的挑战和要求。 中国汽车业具有巨大发展前景,而汽车零部件是构成汽车的单元和细胞,在汽车零部件的加工制造业中,节材、高效、提高质量、降低成本是现代制造技术中十分关注的问题,而且在理论、设备和工艺诸方面都存在一些难题,它们的逐步解决,对推动汽车工业的发展具有极其重要的战略性意义。 人们在进行金属塑性成形理论研究、生产与模具设计时,特别是对于重要性高、投入大的制件,为了在实物加工前有某种预测性数据或结果,通常先进行一定的模拟实验。模拟技术包括几何物理模拟技术和数值模拟技术。物理模拟是以相似理论为基础的实验分析方法,由于其简单易行、直观方便等优点,在生产中有数值模拟难以替代的作用,是金属塑性成形成形模拟的重要方法,现有的物理模拟方法仍旧需要不断的发展与完善。 依据我的导师宋玉泉教授已申请的国家专利“彩泥层状试样的制备和对楔横轧成形的物理模拟”,使用采用全新的模拟手段。采用的陶土塑泥作为模拟材料,取材方便,克服了商品化塑泥性质随生产批次不同而变化的缺点;不同种类的陶土塑泥具有多种不同的颜色,不需要额外加入颜料。采用不同颜色的塑泥制坯,便于观察和分析塑泥的变形情况;陶土塑泥的粘性好,不同的层和不同的部分可用泥浆粘结在一起。采用彩泥层状塑泥局部分层试样的方法,即采用不同颜色的塑泥进行分段分层制坯。对于需考察的部位,采用不同颜色的塑泥进行分层制坯,而对其余部位则采用一 WP=94 种颜色的塑泥即可。层状塑泥试件成形剖开后可以观察在轴向方向上材料的流动情况和中心材料状况,克服了传统网格法的弊端,适合于此次轴对称件的研究。设计、制造的模拟实验装置具有与板压成形具有相似的运动特点,可以用来模拟板压塑性成形过程;保证上下模板的导向精度;可以通过调节试验机中间悬架,以实现不同直径毛坯的成形和相同毛坯在不同断面收缩率时的成形。另外,设计、制造了毛坯制备装置,满足了毛坯分层制坯的要求。 此种物理模拟实验方法在板式楔横轧中得到了检验,是可行的,彩泥层状塑泥局部分层法可以很好的再现材料的流动情况,为以后应用于更加复杂的塑性变形研究打下基础。 连续局部塑性成形是金属压力加工领域中一个重要的方面,在轧制领域的应用已经相当成熟,楔横轧成形技术是连续局部塑性成形工艺的一种,是一种高效率的轴类件成形方法,在多个行业得到了广泛的应用。 相对于辊式楔横轧工艺,板式楔横轧具有模具加工简单、成形精度较高,但设备机刚度差等特点。针对板式楔横轧技术的特点,在分析了其基本原理、旋转条件的基础上,使用彩泥局部分层试样模拟方法,对展宽角β,成形角α和断面收缩率ψ这三个主要参数对楔横轧成形效果的影响进行了模拟,得到了三个参数对于成形情况的影响及其一些典型缺陷的产生原因等一些有益的结论。这几个参数是影响轧件成形的主要因素,对轧件的颈缩、轧细、端头凹心、中心疏松等有着很大的影响,同时它们相互影响,只有各参数间匹配适当才能使轧件获得良好的成形效果。 连杆是发动机中重要的部件之一,锻造成形汽车连杆在工业生产中得到了广泛的应用。制坯过程是连杆锻造成形过程中重要的一环,制坯过程能保证分配材料,使金属材料接近于计算毛坯,是实现连杆锻件精密成形工艺的关键。 随着科学技术的发展,出现了楔横轧生产连杆毛坯的新工艺。我的导师宋玉泉教授指导的同届研究生潘孝勇利用有限元数值模拟方法得到了传 WP=95 统楔横轧工艺下连杆制坯工艺流程。实验模具采用数值模拟得到的成形角α、展宽角β和两次断面收缩率ψ,利用物理几何模拟方法对成形过程进行分析,发现成形效果不好。在轧制的第一阶段,采用的工艺参数是合理的,能避免小变形情况下的中心疏松。但是在第二阶段,存在较大断面收缩率时,采用展宽角β=9.1°,会产生拉断颈缩现象。进行对比实验,设计、制造了展宽角β=6° 的新模具,其它参数设计不变,成形效果得到改善。 但是,这种方法毛坯形状局限于利用楔横轧的轧细功能成形简单的圆棒料,对于如连杆锻件这类沿长度方向的横截面变化很大的零件,断面收缩率ψ很大,需要多步轧制,难以保证成形的连续性,稳定性差,成形效率低,设计、加工模具时较为繁琐。 针对目前国内外连杆制坯存在的问题,我的导师宋玉泉教授在其专利“连杆辊压塑性精成形的工艺和装置”(专利号:97100921.X,证书号:60233)中提出了一种新的连杆毛坯形状,将原有毛坯两端的圆棒形改为扁椭球形或旋转扁多面体,是一种工艺上的创新,其制坯工步同样在宋玉泉教授所获专利“板压滚动塑性精成形机”(专利号:95109500.5,证书号:61808)上完成。新工艺工艺的技术创新点在于它不是通过大直径坯料的轧细来完成细杆部的成形,而是通过楔横轧的聚料功能将细部的余料挤向两端头部,这也是工艺?


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