齿形件精冲成形时的齿顶塌角分析及措施.pdf

第42卷第11期Vol． 42 No． 11FORGING 将精冲变形区分为2个核心变形区和2个变形影响区,对核心变形区Ⅰ精冲塌角的形成过程进行了分析。然后,通过有限元模拟软件Deform-3D,找出齿顶塌角处材料在成形过程中的流动规律。结果表明:齿顶处A面轮廓附近的材料沿齿顶径向运动,一部分材料流向齿顶外侧;齿廓B、 C侧附近的材料沿其轮廓线所指向的齿顶方向流动。再次,全面分析了影响精冲齿顶塌角大小的各种因素,找出压边力和反顶力对塌角大小的影响规律,得出反顶力比压边力对控制塌角的效果更显著。最后,提出了在齿形零件精冲成形过程中减小或消除齿顶塌角的具体措施对策。关键词:齿形零件;精冲;齿顶塌角; Deform-3D;反顶力;压边力DOI: 10． 13330/j． issn． 1000-3940． 2017． 11． 005中图分类号: TG381 文献标识码: A 文章编号: 1000-3940 (2017) 11-0026-07Analysis and measure on tooth crown collapse angle in fine blanking for tooth partsKuang Qingyun, Lyu Lin, Deng Ming(Mechanics Institute, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)Abstract: For the problem of the tooth crown collapse angle in fine blanking of tooth parts, firstly, the geometric characteristics of toothparts and characteristics of fine blanking were analyzed, and the relationship between these features and the collapse angle of tooth partsduring fine blanking was also analyzed. Then, the deformation zone of fine blanking was divided into two core deformation zones and twodeformation influencing zones, and the forming process of collapse angle in the core deformation zoneⅠ was analyzed. Furthermore, theflow law of material at the top of tooth during the forming process was found by the finite element simulation software Deform-3D. The re-sults show that the material near the A surface at the top of tooth moves toward the top of tooth in a radial direction, and a part of materialflows to the outside of the addendum. However, the material near the B and C sides flows along the contour line toward the top of tooth.Therefore, a variety of factors affecting the size of tooth crown collapse angle during fine blanking were analyzed again, and the influencesof blank holder force and ejection force on the collapse angle were found out. So it is pointed out that the effect of ejection force is moresignificant than that of blank holder force on controlling collapse angle. Finally, the concrete measures to reduce or eliminate the toothcrown collapse angle during the fine blanking process of tooth parts were put forward.Key words: tooth parts; fine blanking; collapse angle; Deform-3D; ejection force; blank holder force收稿日期: 2017 -05 -18;修订日期: 2017 -08 -19基金项目:国家自然科学基金资助项目(51375521);重庆市高校优秀成果转化项目(KJZH14107)作者简介:匡青云(1993 - ),男,硕士研究生E-mail: 468929231@ qq． com通讯作者:邓 明(1960 - ),男,硕士,教授E-mail: dm@ cqut． edu． cn图1所示的齿轮、链轮及齿板等齿形零件一般情况下均由精冲工艺加工[1]。但在齿形件精冲过程中,齿顶常出现塌角现象,一般在中厚板齿形件上较严重,如图2所示。塌角缺陷会造成零件不满足要求,甚至报废,因此,必须在一定程度上抑制齿顶塌角,使其控制在一定范围[2]。通过分析齿形精冲的特点和变形区材料流动,应用仿真模拟,对齿顶塌角的产生原因进行研究,弄清影响塌角的因素及规律,得出减少或防止缺陷的相关对策,为精冲齿形件的加工生产提供参考[3]。1 齿顶塌角的成形原因分析1． 1 齿形零件轮廓特点与精冲齿顶塌角齿形零件的外形与一般零件不同,齿形件齿廓由图3所示的齿顶A、齿廓B和C、齿根D这3个部分构成。齿顶面的几何特征决定了在精冲过程中万方数据图1 齿形零件(a)油机泵齿轮 (b)车窗升降齿板Fig． 1 Tooth parts(a) Oil pump gear (b) Window lifting gear plate图2 10 mm厚齿板的齿顶塌角Fig． 2 Tooth crown collapse angle for plate with 10 mm thickness受径向A和两侧B、 C这3个面的摩擦作用,并且齿顶部分的3个摩擦面距离非常靠近,摩擦力对材料的流动影响很大,此外,由于坯料搭边有限,齿顶距坯料边缘比较近,尽管齿顶外侧有齿圈的阻力存在,仍不足以阻止齿顶材料向外的流动,因此,齿顶材料容易沿径向向外流动。由于以上两个方面的外形特点,成形过程受到3个面的摩擦力作用,材料流动相对容易,使得精冲时齿顶容易出现塌角。齿根(图3中D处)外侧处于三面封闭状态,并且离坯料边缘较远,此处材料无法向四周流动,因而齿根处精冲后无明显的塌角(图2)。1． 2 精冲变形区与塌角的形成为了说明塌角形成过程,将变形区分为4个区图3 齿形件齿廓Fig． 3 Profile of tooth parts域,如图4所示的Ⅰ 、 Ⅱ 、 Ⅲ和Ⅳ ,其中Ⅰ 、 Ⅱ为核心变形区, Ⅲ 、 Ⅳ为变形影响区。精冲开始阶段,凹模3推挤Ⅰ区的材料主要向工件方向流动,凸模1推挤Ⅱ区的材料主要向废料方向流动。由于摩擦的作用,横截面上材料的流动速度不一致, Ⅲ区右下方会形成工件塌角,反顶板4的右上方会形成一个未与其接触的悬空部分。图4 精冲变形区及塌角1．凸模 2．齿圈压板 3．凹模 4．反顶板5．工件 6．废料Fig． 4 Fine blanking deformation zone and collapse angle齿顶塌角的产生原因主要是由齿形零件的外形轮廓和材料与模具表面的摩擦导致的,因为齿顶处各个位置材料流动方向不一致,齿顶处各个位置材料流动的速度也不同,在齿顶塌角形成过程中,越靠近齿顶处的材料流动速度越快,而远离齿顶部分的材料流动速度相对较慢。此外,齿顶距离坯料外轮廓近,材料易于流向坯料,故成形零件齿顶部分的塌角尤其显著。1． 3 齿顶塌角成形过程模拟分析为了进一步说明齿顶塌角的成形机理,以轿车手刹小齿板(图5)成形过程为例,具体工艺参数:料厚为4 mm,冲裁间隙为0． 02 mm,凹模圆角为0． 2 mm,压边力为115 kN,反顶力为50 kN,材料72第11期匡青云等:齿形件精冲成形时的齿顶塌角分析及措施 万方数据图5 手刹小齿板Fig． 5 Handbrake tooth plate为钢AISI -1010COLD [70F (20C)],建立手刹小齿板成形过程模型,在SolidWorks装配环境下,建立几何模型[4]。利用有限元模拟软件Deform-3D,对精冲过程进行数值模拟,定义接触及摩擦类型,选取Normalized C 在Y方向上,点P1, P2和P3均有向正方向上的位移分量,其中点P3在Y方向的位移最大,点P1在图7 成形开始时(a)和成形进行至1/2时(b)齿顶处材料在XY平面的投影位置Fig． 7 Projection positions of tooth crown material in XY plane at thebeginning of forming (a) and one half of forming (b)Y方向的位移最小;在Z方向上,点P1, P2和P3均有负方向上的位移分量,其中P1点的位移分量相较P2和P3的分量小。点P1, P2和P3的共同规律为在X方向上的位移大小相较Y、 Z方向的位移大小均更小。通过比较可得出:成形过程中,齿顶处A面轮廓附近材料向着齿顶径向运动,一部分材料流向了齿顶外侧;齿廓B, C侧附近的材料沿着其轮廓线所指向齿顶的方向流动。因此,齿顶82锻 压 技 术 第42卷万方数据图8 齿廓上3点在X方向(a)、 Y方向(b)和Z方向(c)的位移Fig． 8 Displacement of three points on tooth profile along X direction (a), Y direction (b) and Z direction (c)A, B, C这3个轮廓面的材料有一部分流向了废料搭边的方向,即齿顶部分的材料向成形废料搭边部分运动,这就证实了上述关于齿顶材料流动规律的推断。2 主要工艺参数对齿顶塌角大小的影响规律各项精冲工艺参数均会对塌角产生影响,其中以为压边力和反压力的影响最大,因此,需进一步研究压边力、反顶力对塌角产生的影响。2． 1 压边力对塌角的影响规律模拟压边力对精冲塌角的影响时,冲裁间隙0． 02 mm、凹模圆角半径0． 2 mm、反顶力50 kN等工艺参数保持不变,单独改变压边力对精冲过程进行模拟[7],通过对比压边力分别为85, 100 , 115,130和145 kN时的成形结果,可得出压边力对塌角的影响规律。不同压边力下的塌角高度如图9所示。塌角高度随压边力变化的曲线如图10所示。由图10可以看出,随着压边力的增大,塌角高度逐渐减小,但减少的幅度和压边力为非一次函数关系。开始时,随着压边力的增大,塌角的减小幅度图9 不同压边力下的塌角高度(a) 85 kN (b) 100 kN (c) 115 kN (d) 130 kN (e) 145 kNFig． 9 Height of collapse angle with different blank holder forces较大,压边力加载到一定程度后,塌角的减少幅度会变小。2． 2 反顶力对塌角的影响规律模拟反顶力对精冲塌角的影响时,冲裁间隙0． 02 mm、凹模圆角半径0． 2 mm、压边力115 kN等工艺参数保持不变,单独改变压边力对精冲过程进行模拟,通过对比反顶力分别为30, 40, 50, 60和70 kN时的成形结果,可得出反顶力对塌角的影响规律。不同反顶力下的塌角高度如图11所示。塌角高度随反顶力变化的曲线如图12所示。由图12可以看出,随着压边力的增大,塌角高度逐渐减小,开始增大反顶力时,减小幅度较大,随着反顶力的逐渐增大,对塌角高度影响变小。通过对比塌角高度随压边力和反顶力的变化情92第11期匡青云等:齿形件精冲成形时的齿顶塌角分析及措施 万方数据图10 塌角高度随压边力的变化曲线Fig．10 Change curve of blank holder force versus collapse angle height况可知,增大相同比例的压边力和反顶力,反顶力会使塌角的高度减小的幅度更大,因此,反顶力对减少塌角效果更显著。3 减小及消除精冲齿顶塌角的措施通过控制主要工艺参数来控制塌角的高度和宽度[8],具体如下。(1)压边圈齿距。冲裁时压边圈齿形部分压入材料,可抑制剪切变形区材料的横向流动,不同的压边圈齿距会对剪切区的材料流动及静水压产生影响,进而影响精冲塌角。减小压边圈齿距可减小塌图11 不同反顶力下的塌角高度(a) 30 kN (b) 40 kN (c) 50 kN (d) 60 kN (e) 70 kNFig． 11 Height of collapse angle with different ejection forces图12 塌角高度随反顶力的变化曲线Fig． 12 Change curve of ejection force versus collapse angle height角,但压边圈齿距减小到一定程度后,再减小齿距,塌角变化不明显,且压边圈齿距过小时,材料易滑脱,对精冲质量和模具寿命产生不利影响。(2)凸凹模间隙。随着凸凹模间隙的减小,塌角也会随之减小,当间隙大于一定值时,塌角随间隙的变化较小,当间隙小于一定值时,减小间隙,塌角会大幅度减小,由此可知,减小间隙可有效减小塌角。随着间隙的减小,冲裁过程中的凸模载荷逐渐增大,磨损加剧,对凸模寿命带来不利影响。(3)压边力。齿形压边圈可以阻止剪切变形区材料的横向流动,不同的压边力在剪切变形区所产生的静水压不同,进而影响材料的塑性。随着压边力的增大,塌角逐渐减小,但塌角并不会随着压边力的增大一直减小,压边力超过一定值后,塌角变化不太明显,过大的压边力反而会对能源消耗和模具寿命带来不利影响,因此,需合理提高压边力来减小塌角。(4)反顶力。精冲过程中,施加反压力可使零件拥有较好的平面度,同时反顶力使变形区的静水压增大,变形区材料的塑性得以提高。随着反顶力的增大,塌角逐渐减小,故可通过增大反顶力来减小塌角。(5)凹模圆角。当凹模圆角半径增大时,塌角03锻 压 技 术 第42卷万方数据随之增大,但当凹模圆角半径增大到一定值后,塌角变化不明显。由于过小的凹模圆角半径使凹模刃口出现应力集中,且会影响精冲表面质量,故凹模圆角并非越小越好,需选择合适的值,可通过适当减小凹模圆角半径来减小塌角。(6)模具表面质量。模具的表面质量会极大地影响成形过程中的摩擦力,摩擦力越大,越不利于成形过程,因此,通过对模具进行涂层抛光等措施,来降低模具表面粗糙度,可使成形过程中的摩擦力减少,从而减小塌角。(7)润滑方式。成形过程中,选用合适品种润滑油能够减少成形过程中的摩擦力,并对成形过程中的冷却降温也有一定的益处。同时,选择合适的润滑油用量以及喷油方式,均具有减少塌角的作用。齿顶塌角是精冲开始阶段无法避免的现象,可在塌角形成后,即精冲过程的后续阶段,强行挤压坯件,将已形成的塌角消除[9 -10]。无塌角精冲方法的实质是,精冲过程中,利用反顶力,将已经形成的塌角挤压消除。其过程为:当凸模将坯件精冲到塌角位置时,增大反顶力,反顶板与凸模一起强力挤压坯料,迫使材料流向塌角处填满塌角形成的空位,最后反顶力下降到正常数值,继续完成精冲全过程。要实现此过程,只需增加一个反顶伺服控制系统,使反顶力在精冲过程中实现按需要的F-Fj-F变化,其中F为成形初始阶段时反顶力值, Fj为达到材料实际流动应力的反顶力值。图13为局部无塌角的精冲工件。图13 局部无塌角的精冲工件Fig． 13 Workpiece without collapse angle by fine blanking4 结论(1)齿顶塌角产生的内在因素是齿顶3侧的摩擦面相距较小,且齿顶离坯料边缘相对较近,由于摩擦力的作用,材料的轴向移动速度不一致,齿顶材料有向废料侧流动的趋势。具体为,齿廓A附近的材料向齿顶所对的方向流动,齿廓B、 C附近的材料沿其轮廓线所指齿顶的方向偏废料侧流动。(2)影响齿顶塌角的主要因素有压边圈齿距、凸凹模间隙、压边力、反顶力、凹模圆角、模具表面质量、润滑方式等。(3)适当的减少压边圈齿距、凸凹模间隙、凹模圆角,增大压边力、反顶力,选择恰当的润滑油,并保持良好的模具表面质量,可减小塌角。反顶力对减小塌角的效果更明显。(4)利用无塌角精冲的方式能够极大地防止塌角的产生。参考文献:[1] 吕琳,马一龙,刘潞周,等.闭挤式精冲直齿轮时塌角的形成与控制[J].锻压技术, 2015, 40 (3): 32 -35.Lyu L, Ma Y L, Liu L Z, et al. Forming and control of collapseangle for the closed - extruding fine - blanking spur gear [J].Forging 充液拉深;盒形件;厚度减薄率;过渡区移动DOI: 10． 13330/j． issn． 1000-3940． 2017． 11． 006中图分类号: TG386 文献标识码: A 文章编号: 1000-3940 (2017) 11-0032-05Numerical simulation on hydro deep drawing for box part of tailor rolled blankZhang Huawei, Wu Jialu(School of Mechanical Engineering and Automation, Northeastern University, Liaoning 110819, China)Abstract: In order to solve the problems of crack, wrinkle and transition zone movement for tailor rolled blank (TRB) in the process ofdeep drawing, TRB parts were manufactured by hydro deep drawing (HDD) process. Then, the formability of TRB in HDD was studiedby numerical simulation, and the HDD process of TRB box part was simulated. Furthermore, HDD was compared with traditional draw-ing, and the influences of liquid pressure on the formability of TRB were discussed. The results show that the formability of TRB can beimproved by the application of HDD. As the liquid pressure increases, the thickness thinning decreases first and then increases, and thethickness transition zone movement decreases. TRB with larger size is more sensitive to the variation of liquid pressure than that with smal-ler size. However, proper liquid pressure can be selected to acquire TRB parts with high quality for the blank with any size.Key words: tailor rolled blank (TRB); hydro deep drawing; box part; thickness thinning; thickness transition zone movement从目前实际应用情况来看,轧制差厚板(TailorRolled Blank, TRB)主要用于汽车梁结构的制造,对于更为复杂的车身覆盖件则很少采用差厚板进行收稿日期: 2017 -07 -17;修订日期: 2017 -09 -30基金项目:国家自然科学基金资助项目(51475086);河北省自然科学基金项目(E2016501118);中国博士后科学基金(2016M591404);河北省高等学校科学技术研究重点项目资助(ZD2017315)作者简介:张华伟(1983 - ),男,博士,讲师E-mail: zhanghw@ neuq． edu． cn生产[1]。这一方面是由于梁结构比较简单,其成形过程容易控制。另一方面则是因为差厚板存在板料厚度、机械性能的差异[2],在成形过程中应力与应变分布不均匀[3],从而导致差厚板在拉深成形过程中不仅会发生破裂、起皱等缺陷,还会产生过渡区移动现象[4],并且引起模具发生不均匀磨损,降低模具的使用寿命。而充液拉深正是解决差厚板拉深成形工艺问题的一种理想方法[5]。采用充液拉深进行差厚板零件的成形,差厚板的板厚差可以完全在高压液体一侧体现,高压液体■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■Zhang H H, Dong J H, Li W. Experimental research on wear re-sistance of fine blanking shearing surface for 50 steel [J]. Forging& Stamping Technology, 2015, 40 (7): 107 -112.[9] 武汉理工大学.一种减小或消除塌角的精冲成形方法[P].中国: CN 105921598, 2016 -03 -02.Wuhan University of Technology. Fine blanking forming method forreducing or eliminating angle of collapse [ P ]. China: CN105921598, 2016 -03 -02.[10]钟剑波.无塌角精冲技术及其应用[J].锻造与冲压, 2016,(8): 19 -21.Zhong J B. Fine blanking technology without collapse angle and itsapplication [J]. Forging and Stamping, 2016, (8): 19 -21.万方数据