资源描述
冷锻工具弹性变形行为的实验和分析评定Young-seon Lee，Jung-Hwan Lee, Jong-Ung choi, T.Ishikawa摘要 由于锻件尺寸精度主要受工具材料弹性行为的影响。冷锻合金钢通过实验和有限元分析来评定成形工具的弹性变形特性。 应变计连接在冷锻机上连续不间断大量生产球头螺栓的模具表面，动态测量了工具的弹性应变.有限元分析结果与实验测量值在两种造型方式下比较。第一种方法是在一个锻造周期内把模具看成刚体并且分析变形部分对模具施加的压力。另一方面，第二种方法在接触期间模具和工件同时视为变形体。由于每一步弹性应变的计算和工具的变形量通过第二种方法可以得出，每一部成形工步模具的弹性挠度随锻造零件的尺寸改变。相对来说第二种方法在模拟上需要更多时间。然而，工具弹性假设时，分析结果不仅在工具的弹性应变上而且在锻件的尺寸精度上能更好地进行预测。 引言 对精密冷锻来说，高尺寸精度是锻件最重要的目标之一。锻造零件的尺寸直接受冷锻模具弹性行影响，为了提高尺寸精度，应更多的定量评定工具的弹性变形。 最近，更多的工作使用试验和数值分析，投入到工具弹性变形行为的研究。Kojima et al 测量了压力分布，Matsubara and Kudo使用一个简单的传感器，来确定冷锻模具的压力分布。他们使用拟用的方法，来计算工具在冷锻时的压力分布。电容位移传感器可以测量冷锻时的模具变形。并且，Hillery和Griffin使用嵌入式应变计研究了应力。 至于数值研究，Takshashi和Brebbia用边界元法分析了冷锻模的应力。Sadeghi和Dean研究了精锻轴对称组件的尺寸精度。Raddad和Kocanda用弹性和弹塑性有限元分析，获得了模具的应力分布，并且与实验结果做了比较。与此同时，大量的研究发现，锻件的尺寸精度和锻造工具的弹性特性有关。 通过实验和有限元分析，分析结果评定了弹性行为对尺寸精度的影响，并且获得了球头螺栓冷锻工艺的最后工序。球头螺栓是汽车方向盘或旋块的机械元件。冷锻机不断地制造球头螺栓。使用应变计和DEFORM-2D的有限元分析软件，测量和计算工具的弹性变形。这个软件包可以计算材料模型的任意组合（硬性，塑性，弹性，孔形）。使用模具表面的应变计，可以动态测量弹性应变。 在惠普UNIX操作系统上运行DEFORM-2D，模拟整个冷锻造工艺，同时预测了模具和工件所有重要的应力和应变分布。两种建模方法的有限元分析结果与实验结果进行了比较。第一种方法把模具视为刚体，通过加载模具的变形部分来分析模具应力。另一方面，至于第二种方法，在接触期间模具和工件同时视为变形体。工具的弹性应变可以计算出来并且工具是逐步变形的。因此，每一步模具的弹性反映发生在锻件的尺寸改变之后。研究和比较了两种建模方法的计算效率和精度。图1.应变测量设备和贴在在模具上的应变计图2.应变计贴在模具上的位置2 实验方法和有限元分析2.1 实验 通过应变计把基于弹性制度的应变测出来。因此，应变计可以用来获取锻造工具在冷锻时的应变。图1显示了在第四阶段球头销冷锻工具测试系统的布局。图2显示了应变计连接在工具上的位置。日本的Kyowa把应变计做成四桥式（型号：KFG-1-120-C1-11），应变计长1mm。测量位置决定测量应变，因此使用八套应变计。四套应变计垂直贴在模具的表面，远离中心位置约20毫米。如图2所示，其它四套应变计也以同样的方式贴在压力环上。 2.2 有限元分析 如图3所示，加工序列由制圆，正挤压，完善镦粗，结束镦粗组成。工件材料是AISI4135。杨氏模量和泊松比分别为70 GPa和0.3。第四个处理阶段，工件没有中间退火处理。每一步的锻造零件都在下一步得到完善。图3显示，从第一阶段到了最后阶段的应变分布和网格系统。 为了分析工具的弹性应变，工具假设为如下所示的两种工具。第一种假设，工具在锻造模拟时视为弹性体。在这种情况下，在模具和压力环内部施加预压力。刀具材料是碳化钨（WC，G4），压力环材料是AISI H11。弹性分析需要的模具和压力环的机械性能已列在表一中。模具和第一个压力环的界面差距是100um，第一个和第二个压力环之间的差距也是100um。因此，在一定程度的预压力下，开展锻造模拟。图4表示，假设弹性工具下，锻造模拟的布局。另一方面，第二种假设，锻造模拟时把工具视为刚体。结果表面，锻造模拟下工具没有变形。锻造模拟后模具应力的分析，如图5所示。锻造零件上的压力用来锻造工具。比较两种模拟方法结果和实验结果，确保得到有更精确分析结果的好方法。 表1工具材料机械性能 图3.应变分布3 结果与讨论3.1 通过实验测得的弹性应变 如图6所示，生产400-500锻造件后，工具的弹性应变仍然应变保持稳定。如图1所示，400锻造件生产前，应变不稳定。冷锻机大量生产球头螺栓时，在每步锻造中，应变值急剧增加，接着回到初始值，然后在退出步骤时下降。第一个压力环处于动态条件下，测得的模具弹性应变如图7显示。模具的拉伸应变介于0.0155E-2 0.0175E-2，第一个压力环上的压缩应变介于0.0280E-2 0.0310E-2。根据弹性工具的假设，测得的应变很好的对应了分析结果。模具上的测量点对应图8应变分布曲线上的点“I”。有限元分析结果表明，拉伸应变与预期实验结果相差高达0.0130E2。第一个压力环上H点的压缩应变为0.0790E-2，与实验数据相差高达 0.040E-2。一般认为，这些区别是由工具材料不精确确的机械性能，导致数据输入不准确引起的。当精确的工具材料机械能应用在数据输入上时，这些偏差有望减小。图4. 弹性模具锻造模拟的有限元分析过程 图5.刚性模具锻造模拟的有限元分析过程 图6. 应变计测得生产球头螺栓冷锻模具的弹性应变 图7.凸模和压力环的应变图8.模具视为弹性体在锻造模拟时的应变分布3.2 有限元分析弹性应变3.2.1 锻造模拟弹性工具 模具在收缩状态和加载状态的径向压力分布，如图9显示。发现最大压缩应变处于直线和球形封头相互连接的曲率过度区。收缩状态下，模具的压力介于0.053 到1.792E3 MPa。加载过程中，应力范围增加到0.0322.254E3 MPa。 收缩状态下，“C”部分的内径下降为0.0469毫米。在模具的上端，B点内径为0.083mm，如图10所示。另一方面，因为加载状态下模具变形，图11中的内径下降到0.031 mm。这意味着加载状态由于内在压力的变化，内径比收缩状态大0.016 mm。结果表明，模具在收缩状态和加载状态的变形差别是0.016 mm。在模具的上端，偏差是0.01mm，在瞬态区域却是0.06mm。根据上述结果，锻造零件上的加工轮廓不是完整的球形。因此，考虑到收缩和应用负载引起的弹性变形，有必要修改球体所需的曲率。3.2.2锻造模拟刚性工具 工具锻造模拟时视为刚体，分析模具压力时视为弹性体的径向应变，如图12所示。模具上的测量点对应图12应变分布的位置K。有限元分析得到的拉伸应变结果为0.053E-2，与实验数据相差 0.0360E-2。第一个应力环上位置 M通过计算，得到的压缩应变为0.0440E-1的，比实验数据高了0.040E-1。结果表明，锻造模拟时工具视为刚体，计算结果是完全不同于实验结果。3.3 模具的弹性挠度和锻造零件的尺寸 为了形成球形的球头螺栓，第四阶段是必不可少的过程。由于在加载时，模具和冲床之间存在间隙，没接触的部分处于球形封头的中间。测得锻造零件的间隙距离长达5.13毫米左右。锻造模拟弹性工具时，缺口长度大约为4.74毫米。然而，锻造模拟刚体工具时，间隙距离大约为12.34mm。因此，同实验结果的差别高达约2.5倍， 如图13所示。由于这两种情况下网格重划后的体积减少不到3，这种差异的原因应该与工具的弹性变形行为有关。在锻造模拟时，工具视为弹性体，工具是弹性变形的，然后工件锻造成工具的变形形状。图9.收缩状态和锻造状态下凸模的内径应力分布 图10.收缩状态下凸模最初和变形位置的弹性变形比较 图11.锻造状态下凸模最初和变形位置的弹性变形比较图12.模具视为刚体体锻造模拟时的内径应变分布 图13.刚性和弹性假设下锻造模拟的不同形状4 结论 这项研究，分析了锻造工具的弹性变形行为、工件连续充入模具型腔、锻造零件的尺寸精度。基于弹性工具假想，实验计算结果很好地认证了使用应变计测得的实验数据。然而，当工具视为刚体锻造模拟时，高估了工具的弹性应变，锻造零件的尺寸与实验结果完全不同。因此，在锻造模拟时，选取合适的工具状态，对计算工具的变形量和锻造零件的尺寸精度是非常重要的，特别是在工具上应用弯矩时。参考文献 1 Y. 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