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      空心雙拐曲軸加載路徑優化與成形規律

      2019-04-10

        雙拐曲軸是轎車發動機中的要害部件,對發動機全體功能有較大的影響,其功能的好壞直接影響轎車的壽數。選用鑄造工藝和鑄造工藝現已不能滿意轎車對雙拐曲軸高精度,高功能和低成本的要求。選用內高壓脹形工藝制備雙拐曲軸具有全體成形、流線接連散布、組織細密、強度高、質量輕、歸納力學功能優越、成本低,易完成自動化生產等優勢。

        工程領域主要從兩個方面完成轎車輕量化。資料上多選用鋁鎂合金及復合資料等輕質資料和具有較高比強度的高強鋼資料,而輕質資料及高強鋼在冷成形進程中塑性較差,只能制作結構較簡略的零件,不適用于具有曲折軸線和變截面的雜亂構件;結構上可選用全體成形的空心構件替代原焊接、鑄造件,在確保零件精度、承載強度及安全性的一起,有效完成車體本身減重,因而,零件的結構優化和成形工藝的改進成為完成轎車輕量化的重要途徑。

        內高壓全體成形工藝施行難度較大,對工藝參數的匹配聯系要求較高。對于雙拐曲軸的內高壓成形進程,其影響因素主要有加載途徑,包括管內壓力與時刻的聯系、左右兩頭軸向進給與時刻的聯系以及管材潤滑條件等方面。

        經過對雙拐曲軸的內高壓脹形工藝進程進行有限元模仿,剖析不同加載途徑對雙拐曲軸脹形效果的影響規律,可獲得了雙拐曲軸脹形的良好工藝參數。然后基于數值模仿成果,對雙拐曲軸進行實際成形試驗,可獲得較好的試驗成果。

        零件尺度及工藝剖析

        雙拐曲軸具有變截面空心結構,其截面形狀是圓形,雙拐曲軸的調集尺度見下圖:

        雙拐曲軸調集尺度機典型截面方位

        雙拐曲軸的初始管徑為38mm,壁厚為1mm,長度為140mm,截面A-A處管徑從38mm改變到50.5mm,很大膨脹量為33%。雙拐曲軸是傳遞扭矩和力的零件,因而研討選用強度高、耐性好的SS304奧氏體不銹鋼為資料,對雙拐曲軸的幾許模型的典型截面周長進行剖析見下表:

        典型截面周長及管坯直徑

        雙拐曲軸的要害工藝參數包括內壓力巨細、左右沖頭進給量。內高壓成形是內壓和軸向進給補料聯合效果的雜亂成形進程,因而它們之間的匹配聯系對管件的成形功能影響非常大。內壓較低,軸向進給過大,會使得軸向進給的資料無法及時向拐部活動,在拐部圓角處和管坯端部堆積,形成褶皺;內壓較大,軸向進給過小,資料無法及時向拐部補充,會使得拐部變得越來越薄,直至決裂。

        有限元模型的建立

        雙拐曲軸內高壓脹形的有限元模型見下圖。該模型包含模具、管坯、左沖頭、右沖頭號 4 個部分, 模具和沖頭劃分為剛性單元,數值模仿時考慮板料的各向異性,選用資料庫中 36 號資料模型。管坯資料為不銹鋼 SS304,其摩擦因數為 0.1,泊松比為 0.28,屈從強度為 245 MPa,抗拉強度為 408 MPa,資料密度為 7850 kg/m3,硬化指數 n 為 0.32, 強化系數 K 為 537 MPa,資料的本構聯系為。

        SS304不銹鋼雙拐曲軸內高壓成形有限元模型

        加載途徑對雙拐曲軸壁厚散布及脹形高度的影響

        雙拐曲軸成形進程中內壓和軸向進給的聯系是決議成形與否的要害性因素,因而在數值模仿和實際成形試驗時內高壓加載必須遵循以下準則:加載峰值不得超越資料的大整形壓力,一般為資料屈從強度的 1/3~1/10;成形初期壓力應盡快到達資料的屈從強度,防止出現起皺缺點;成形后期,保壓必定時刻,在較高內壓效果下,管坯充分貼模。

        基于上述設計準則,雙拐曲軸內高壓成形進程設置了5條加載途徑,5種載荷途徑別離界說為途徑1~5。5種加載途徑的液壓和鑄造工步不同,整形壓力相同。

        加載途徑1的液壓脹形壓力為20MPa,在后續的鑄造階段堅持該數值;加載途徑2的液壓脹形力為40MPa,在后續的鑄造階段堅持不變;加載途徑3的液壓脹形力為30MPa,在后續的鑄造階段堅持不變;加載途徑4的液壓脹形力為35MPa,在后續的鑄造階段堅持不變;加載途徑5的液壓脹形力為35MPa,在后續的鑄造階段壓力線性添加到40MPa。加載途徑1~5的軸向進給量相同,為17mm。

        模仿時的 5 種加載途徑

        加載途徑1因為液壓脹形階段和鑄造階段壓力較低,管坯資料無法周向擴展,軸向繼續進給,導致壁厚逐步添加向內發作起皺,出現折疊。情況嚴重時,即使后續整形壓力非常高也無法消除褶皺。下圖能夠明顯看到拐部底端變形區的折疊。

        加載途徑1的模仿成果及FLD

        加載途徑2,因為在液壓脹形階段的壓力過高,而此刻的軸向進給較小,軸向進給不能補償周向變形量,拐部頂端壁厚越來越薄,使得拐部頂端在未貼模時發作決裂。

        加載途徑2的模仿成果及FLD

        依據加載途徑1和加載途徑2的模仿成果可知,液壓脹形階段的壓力不能太高或者太低,合理的脹形壓力應該在30~35MPa之間,在這個壓力規模設置后3組加載途徑。加載途徑5的模仿成果能夠看出,曲軸拐部頂端薄,拐部底端以及主管端部厚,而且減薄率控制在答應規模之內,拐部頂端貼模,成形零件合格。

        加載途徑 5 的模仿成果

        不同加載途徑成形下脹形高度和壁厚很大減薄率不同:當挑選加載途徑3時,脹形高度到達31.1mm,為很小值;而加載途徑4,5對應的脹形高度均為31.5mm,為很大值。從下表中能夠看出,在軸向進給必定的情況下,跟著脹形壓力的增大,脹形高度添加,可是壓力增大到必定值后,脹形高度堅持不變,而減薄率會隨脹形壓力的增大繼續增大。雖然加載途徑3下,較小的成形壓力對應較小的壁厚減薄率,可是脹形高度不能滿意要求,所以,挑選加載途徑5為加載方式。


        不同加載途徑成形下脹形高度和壁厚大減薄率

        雙拐曲軸的內高壓成形試驗研討

        雙拐曲軸實際成形工藝路線為:先將304不銹鋼管經過鋸床下料得到200mm的管坯,再挑選專用的外表涂層作為潤滑劑涂刷于管坯的外外表,然后將管坯放入模具型腔后合模,按有限元模仿的工藝參數設定工藝值,并在向管坯內輸入高壓油的一起,沖頭對管坯進行緊縮。待試驗程序走完全程,將成形的雙拐曲軸件取出。

        雙拐曲軸內高壓脹形試驗模具

        四柱式內高壓成形設備

        應用加載途徑1,2,5 的試驗成果見下圖。脹形壓力和軸向進給匹配較為適當時的脹形成果見圖a(途徑5),從圖a中能夠看出,雙拐曲軸既無起皺,也無開裂。從圖b能夠看出,當脹形高度很低時,雙拐曲軸就現已出現決裂,決裂的主要原因是前期壓力過大,軸向進給過小,不能供給滿足的資料用以周向擴展,導致過度減薄直至決裂。從圖c能夠看出,起皺的部位在曲軸圓角過渡處,起皺的主要原因是因為前期壓力較低,使金屬活動緩慢,軸向變形來不及轉化為周向變形,資料在根部發作聚集,形成起皺。

        不同加載途徑下雙拐曲軸的試驗成果

        再對零件a壁厚進行剖析:將零件外表油污清洗后,外表光滑無凹坑和劃痕,外表成形質量好;沿軸向方向將雙拐曲軸用線切割切開進行厚度測量,選取截面上的12個點進行厚度測量,并與模仿成果進行比較。

        比較顯示:壁厚散布差異較大,曲軸拐部頂端(5點)處壁厚薄,向兩側沿軸向方向壁厚逐步添加,曲軸拐部底端(1點)處壁厚厚。厚度散布方面,試驗值和模仿值基本吻合。

        沿曲軸軸向方向截面壁厚散布比照

        模仿及試驗成果比照可知,實際成形的雙拐曲軸拐部脹形高度與長度均滿意設計尺度要求。

        模仿及試驗成果比照

        模仿和試驗成果

        經過數值模仿優化雙拐曲軸內高壓成形工藝參數,挑選加載途徑5為良好工藝,其內壓力為50 MPa,左、右沖頭推進間隔為17 mm,摩擦因數為 0.1;選用此優化加載途徑能夠避免雙拐曲軸零件出現起皺和決裂的缺點,獲得脹形高度為 31.5 mm 及壁厚散布均勻的雙拐曲軸零件;試驗成果與模仿成果基本共同。


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