关键字：球头销|镦挤|模具设计|组合凹模|有限元模拟

摘要：球头销是汽车上的重要连接零件，要求结构强度高，宜采用冷精锻成形。采用镦挤加工方法，分析了某汽车球头销的成形工艺，对金属的塑性变形进行了合理分配，完成了加工此零件所需的三个道次工艺设计。同时，为验证设计工艺的合理性，采用有限元模拟手段，对该球头销的镦挤成形过程进行仿真，得到了金属流动的位移场、速度场及应力—应变场。模拟结果表明，设计的三道次镦挤工艺方案能够保证球头销的顺利成形。

概 述

球头销是汽车、拖拉机上的重要连接零件，物理、力学性能都有较高要求。过去该零件主要采用切削加工，材料的强度、硬度都得不到保证，实际使用中经常发生零件损伤而需要不断更换的现象。目前已普遍采用冷成形方法，即镦挤成形加工球头销，但工艺设计主要还是凭经验，加工道次的分配、模具结构设计都还存在不合理的现象，需要深入研究[1,2]。

本文以某型号汽车用球头销为例，材料20Cr，结合精密冷锻成形工艺，分析了该零件的结构特点，完成了三道次镦挤成形工艺的设计。同时，借助有限元模拟手段，分析了该球头销镦挤工艺的成形过程。模拟结果表明，镦挤工艺方案设计合理，能保证该零件的成形质量。

球头销镦挤工艺分析与模具设计

1、零件特征分析

该球头销如图1所示。从零件图中可以看出，零件为轴对称的回转体，主要由杆部和球头两部分组成。在结构特征上，主要包含四个重要的特征，依次是：Φ9.10 mm的底端杆部;Φ15.0 mm的中间杆部，且与底端杆部连接处为直角过渡;中间杆部一段长为6mm的六边形台阶;杆部顶端，带有2mm凸缘的球头部分。

由传统经验可知，Φ9.10 mm的杆部可采用正挤压一次成形;下端杆部与中间杆部的直角过渡，若对其一次成形，则会造成变形和应力分布的不均匀，易产生裂纹。因此，在对该部分设计时，最好先将直角端面部位设计成锥形过渡，圆杆与六边形的衔接处采用平滑圆弧连接，分成多道次成形出直角过渡部分;对于中间杆部的六边形台阶，宜放在成形的最后一个道次加工。这是因为，若最初就加工出来，则也需要对后面道次的模具加工出相应的六边形台阶，这显然增加了模具制造上的工时和难度;另外，球头销的头部变形量大，不宜一道次成形，最好是能采用预成形加终成形两道次来完成[3]。

图1 汽车球头销零件图

2、工艺方案确定

图2 球头销镦挤加工工艺方案

根据上述零件特征分析，同时参考文献[4]的模辊锻工艺方案，拟定镦挤方案如下：采用三个加工道次，先完成杆部挤压，最后加工球头部分。其中，第一道次正挤圆形坯料，获得Φ9.10mm的底端杆部;第二道次对球头部分进行预镦成形;最后一道次镦粗球头部分，以及中间杆部的六边形台阶。整个加工方案，如图2所示。

图3 第二道工序模具设计总装图

第二道次的模具设计总装图,如图3所示。零件中间杆部的高度要求为14.1 mm，而制件的中间杆部直径要求为Φ15.0 mm，这里过渡成形为Φ14.75 mm。锥角过渡带高约为1.8 mm，再加上此道次成形出11 mm的中间杆部，这一道次实际成形的中间杆部高度约为12.8 mm。由计算得出的冷镦力为1958 kN, 单位挤压力为 1059 MPa，因此采用整体式凹模即可。

挤压成形过程有限元模拟

为验证优化分析的正确性，采用DEFORM-3D有限元模拟软件，对各个工序的挤压过程进行有限元模拟。

模拟时考虑到，模具的变形与坯料的变形相比可以忽略不计，故将模具当作刚体，不计算其变形及应力分布情况。同时，由于球头销是回转体，为减少计算规模，模拟时取整个模型的1/6分析。

另外，由于该零件需要多道次成形，故在模拟时采用“无缝转接”技术，将上一道次模拟得到的制件直接转换成下一道次的坯料，从而解决了三道次模拟之间的连续性问题。

1、第一道工序模拟

第一道次主要挤压杆部，建立的有限元模型,如图4所示，杆部正挤成形过程,如图5所示。

图4 第一道工序有限元模型型

稳态挤压时金属的等效应力、应变分布云图,如图6所示。从图中可以看出，金属的塑性变形表现出不同时性，变形主要集中在模具锥角之间的过渡带部分。变形区域可分为已变形区、变形区和待变形区三部分，从待变形区到变形区的等效应力逐渐增大，最大应力出现在模具的定径带处，已变形区的应力接近于零。

图5 第一道工序成形过程示意图

图6 稳态挤压时金属的等效应力、应变分布云图

2、第二道工序模拟

该道次有限元模拟的模型,如图7所示。从前面的分析可知，该道次主要的目的是对球头部分进行预成形。模拟达到130步时，坯料的应力分布云图, 如图8所示。从图中能看到，此时的变形主要集中在杆的上部。其中，与凸模接触的端面部分应力较小，而中心部位应力较大，中心外侧的应力分布介于二者之间，整个变形区域成类似x形分布，这显然符合镦粗变形的特征。

图7 第二道工序有限元模型

图8 第130步时应力分布云图

3、第三道工序模拟

最后一道次的有限元模型,如图9所示。在这一道工序中，主要进行球头销头部终成形和六边台阶部分的成形。该道次成形过程示意图,如图10所示。

图9 第三道工序有限元模型

图10 第三道工序成形过程示意图

变形到140步和192步时的等效应变分布云图,如图11所示。从图中能看出，第140步时，球头部分除凸缘外基本成形出来，变形还是呈镦粗的特征;第192步时，中间杆部上的直角过渡部分完成成形。由此可见，从变形程度上，该球头销中间杆部上的直角过渡部分是最大的成形难点。传统切削加工会导致此处的金属流线被切断，而采用镦挤加工时，较好的保证了此处纤维组织的完整性，从而提高了零件的强度。

图11 第140步和第192步时的等效应变分布云图

图12载荷-行程曲线

该道次成形时的载荷-行程曲线,如图12所示。随着凸模不断向下运动，金属逐渐充满型腔，挤压力呈明显上升趋势。当凸模运行到24mm处时，球头销的主要变形结束，但还存在少许成形不饱满的地方。此时凸模继续向下运动，挤压力出现急剧上升，坯料在很高的变形力作用下充填满金属型腔，完成最后的成形。从模拟结果来看，最后的零件成形饱满，特别是球头上的凸缘和中间杆部的六边形台阶部分都能达到零件的成形要求。

结束语

针对球头销的结构特点，提出了先挤压杆部后镦粗头部的三道次镦挤新工艺方案，完成了成形该零件所需的工艺分析与模具设计。

采用有限元软件，模拟了该球头销的三道次镦挤成形过程。有限元模拟验证了三道次工艺方案的合理性，同时得到了金属成形时的材料流动规律，如位移场、应力-应变场等，这为该零件的模具优化设计提供了依据。

参考文献

[1] Santosh Kumar. Shashi Kant Prasad . Feature-based design of extrusion process using upper-bound and finite element techniques for extrudable shapes[J]. Journal of Materials Processing Technology. 155–156 (2004) P1365–1372.

[2] 郝滨海编著.挤压模具简明设计手册[M].北京:化学工业出版社与工业装备与信息工程出版中心出版发行.2006. P35～36.

[3] 洪深泽主编.挤压工艺及模具设计[M].北京:机械工业出版社.1996. P 125～127.

[4] 罗晴岚.汽车球头销模锻工艺方案[J]. 汽车工艺与材料.2005.No 6. P26～28.