線材鐓粗成形理論研究

余五新，李文強

（江漢大學 機電與建筑工程學院，湖北 武漢 430056）

引言

吊鉤用于汽車小件與車身或者底盤的連接。在吊鉤上安裝橡膠套，對汽車車身有減震作用[1]。吊鉤是通過對線材進行局部鐓粗后，再折彎成形的。傳統意義上圓柱體的鐓粗是指在兩個平行的平砧之間對坯料進行壓縮，使得坯料高度減小，橫截面面積變大[2]。該工藝操作的實現需要上、下模裝置，當圓柱體的高徑比H/D≦0.5 時，鐓粗后坯料的變形程度較為均勻；當圓柱體的高徑比H/D=0.8～2.0 時，鐓粗后坯料呈現鼓形；當圓柱體的高徑比H/D＞2 時，鐓粗后坯料呈現雙鼓型；當圓柱體的高徑比H/D＞3 時，鐓粗時坯料容易失穩而彎曲。根據吊鉤制造的毛坯外形特征，需對其進行橫向鐓粗，其成形特征接近于傳統意義上高徑比H/D＞3 的圓柱體鐓粗。為避免鐓粗時坯料因失穩而彎曲，需對線材所鐓粗部位的相鄰部分進行夾緊，然后直接對其進行鐓粗。

1 線材鐓粗成形相關工藝參數

對吊鉤進行局部鐓粗時，需確定鐓粗力、夾緊力以及夾持長度等相關工藝參數。本研究采用理論計算和數字模擬相結合的方式確定線材鐓粗成形相關工藝參數，即先通過理論公式計算鐓粗力、夾緊力以及夾持長度等相關工藝參數，同時應用Deform 有限元模擬軟件對線材進行鐓粗模擬，得到成形效果圖；將模擬得出的鐓粗值與理論計算值進行對比，進一步為相關設備和工藝裝備的設計提供技術支撐。

2 長線材鐓粗各參數的理論計算

本研究以一種吊鉤為例，其結構如圖1 所示，該吊鉤材料為Q235，直徑為10mm，設計有兩個凸臺，端部凸臺和中間凸臺。圖2 為吊鉤的二維尺寸圖。為提高生產效率，需要對兩個凸臺進行一次性成形。

圖1 吊鉤三維模型圖

圖2 吊鉤二維尺寸圖

2.1 兩個凸臺成形的鐓粗力計算

本研究采用的是橫向鐓粗，通過對線材進行夾緊從而產生摩擦力以平衡鐓粗力，沒有下模對線材提供支持力，因此鐓粗力與夾緊力都是未知的，無法進行計算，所以本設計采用逆向思維，假設其是傳統的平砧鐓粗，具有上下模裝置，這樣就很容易計算出鐓粗力了。通過Pro/E 軟件建立的吊鉤三維模型圖[3]，測量出端部凸臺的體積V1=888.7mm3，高度h'1=10mm，中間凸臺的體積V2=448.5mm3，高度h'2=3.5mm。已知線材的直徑為10mm，再根據鐓粗前后線材體積不變原理，計算出鐓粗端部凸臺和中間凸臺的原始高度h1=11.3mm，h2=5.3mm。對于材料Q235 經處理的干凈軋制表面時的摩擦系數μ=0.15，常溫下其屈服應力S=235MPa。

2.1.1 端部凸臺鐓粗力F1的計算

（變形后坯料的尺寸計算。線材鐓粗后的平均直徑為：

利用公式：

計算單位流動壓力和變形力。端部凸臺的凹模入口角為110°，查表[4]可得Kα=0.95，Kh=1.13，為提高模具壽命，使凸模承受較小的單位壓力，對10 鋼～40MnB 材料推薦選用較為合理，本設計材料為Q235，取。

鐓粗結束時的單位流動壓力：

變形力為：

2.1.2 中間凸臺鐓粗力F1的計算

1）變形后坯料的尺寸計算。線材鐓粗后的平均直徑為：

2）同樣利用端部凸臺的鐓粗力計算公式，查表可得，其中Kα=1.2，Kh=0.9。

鐓粗結束時的單位流動壓力：

變形力為：

由于兩凸臺成形順序的不可預測性，本研究假設兩凸臺同時成形，則最大總鐓粗力F總=F1+F2=184.8KN。

1.2 對線材的夾緊力以及加持長度的計算

通過對長線材的軸向進行夾緊以產生摩擦力，從而平衡鐓粗力，根據受力平衡關系，線材所受的摩擦力大小應該等于鐓粗力大小，為保證結構安全，需要對摩擦力乘以一個安全系數，取安全系數k=1.3，故摩擦力f=240KN，又摩擦因素μ=0.15，根據公式f=μF 可得，夾緊力F夾=1600KN。

查表可知，室溫下Q235 的屈服強度為σ=235MPa，設夾具與線材的接觸表面積為S，則，可得S=6808.5mm2，，l 表示夾持長度，代入數值可得l=217mm。

綜上所述，夾緊力F夾=1600KN，夾持長度l=217mm。

3 吊鉤鐓粗的Deform 有限元模擬分析

利用Deform 有限元軟件分析大高徑比吊鉤的鐓粗成形過程，通過對數值模擬結果的分析，得出各工藝參數對鐓粗失穩及凸臺成形的影響規律。最后對工藝參數進行優化設計，避免產生堆積，凸臺成形不飽滿等缺陷，同時提高模具壽命[5]。在進行Deform 有限元模擬分析之時，由于需要對線材進行夾緊，同樣，在夾緊力未知的情況下，無法對其進行把控，因此先采用上下模結構對線材進行鐓粗模擬。模擬得到鐓粗力的大小后，再根據上式計算出夾緊力以及夾持長度，最后進行二次模擬。

通過Pro/E 建立線材、上模、下模、哈夫塊三維模型，哈夫塊如圖3 所示。轉換成stl 格式導入到Deform 軟件中，并調整好各模型之間的相對位置，如圖4 所示。線材設置為彈塑性體，上下模以及哈夫塊設置為剛體。線材的網格劃分與重劃分設為12000，網格數量太大會增加模擬時間，降低效率，數量太小會使模擬精度降低[6]。單元網格選擇四面體，如圖5 所示。停止條件為上模運動距離為26mm。由于采用的是冷鐓，因此鐓粗時的溫度設置為20℃。在Deform 前處理模塊中，摩擦模型選擇剪切摩擦，其中線材與上下模以及哈夫塊之間的摩擦系數均為0.12。最終模擬結果顯示，單位流動壓力為1620MPa，與理論計算值相近，同時成形效果達到預期要求，成形效果如圖6 所示。

圖3 哈夫塊三維模型圖

圖4 簡易模具成形圖

圖5 線材網格劃分圖

圖6 成形效果圖

4 結束語

本研究針對長線材吊鉤的鐓粗一次成形，利用公式計算并且通過Deform 有限元模擬計算鐓粗壓應力以及得到成形效果圖，最終結果顯示公式計算值與有限元模擬值相近，同時模擬的成形效果圖達到了預期要求。以上理論研究雖然未考慮鐓粗成形時摩擦力對材料塑性流動的阻礙，但仍能為實際生產制造中相關設備的選擇、模具和夾具的設計以及工藝方案的制定等提供一定的技術支撐。