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專 業(yè)：模具設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化
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國(guó)際期刊的精密工程和制造第十三卷,第7號(hào),第1239 - 1242頁(yè)。2012年7月/1239
DOI:10.1007 / s12541 - 012 - 0164 – 6
綠色替代處理技術(shù)彈簧定位銷的沖壓模組
Myeong-Sik Jeong1, Sang-Kon Lee1, Ji Hyun Sung1, Kang-Eun Kim1, Shinok Lee2,
Kang-Won Lee2, andTae-Hoon Choi1,#
1綠色轉(zhuǎn)型技術(shù)中心、韓國(guó)工業(yè)技術(shù)研究所,大邱,大韓民國(guó),704 - 230
2大邱韓國(guó)慶北區(qū)域劃分、韓國(guó)工業(yè)技術(shù)研究所,大邱,大韓民國(guó),704 - 230
#通訊作者/電子郵件:?thchoi@kitech.re.kr,電話:+ 82-53-580-0131 ,傳真:+ 82-53-580-0130
關(guān)鍵詞:綠色制造、可持續(xù)生產(chǎn)、多級(jí)鍛造,彈簧定位銷,有限元分析
在這個(gè)研究中,一個(gè)多級(jí)冷鍛過(guò)程為一個(gè)彈簧定位銷的沖壓模組設(shè)計(jì)通過(guò)替代可持續(xù)生產(chǎn)過(guò)程。高能源和材料消耗過(guò)程需要轉(zhuǎn)換成能量保存過(guò)程。到目前為止,一個(gè)彈簧定位銷對(duì)沖壓模組通常的制造加工過(guò)程為了實(shí)現(xiàn)較高的尺寸精度。然而,加工過(guò)程有一些缺點(diǎn)如過(guò)度的物質(zhì)損失,低生產(chǎn)力和可憐的機(jī)械性能。為了克服這些問(wèn)題,一個(gè)多級(jí)冷鍛過(guò)程用于制造彈簧定位銷來(lái)實(shí)現(xiàn)更少的物質(zhì)損失和更高的生產(chǎn)力。多級(jí)鍛造過(guò)程需要仔細(xì)設(shè)計(jì)措施防止缺陷的最終產(chǎn)品。因此,設(shè)計(jì)必須考慮材料流在整個(gè)過(guò)程和裝載的壓力限制，為了避免產(chǎn)品缺陷如折疊和填充不足。開(kāi)發(fā)多級(jí)鍛造工藝對(duì)彈簧導(dǎo)銷成形載荷和材料流動(dòng)在每一步都分析了使用的商業(yè)有限元變形代碼。該導(dǎo)銷由發(fā)展的多級(jí)鍛造工藝制造,并與仿真結(jié)果對(duì)比。利用率也是發(fā)達(dá)鍛造工藝和加工過(guò)程進(jìn)行對(duì)比。發(fā)達(dá)過(guò)程是一種綠色制造工藝減少材料損耗,這可以達(dá)到降低成本通過(guò)提高材料的利用率和生產(chǎn)率，相比之下更能廣泛使用的加工過(guò)程。
手稿收到:2011年12月30日/接受:2012年1月25日
1.介紹
一個(gè)彈簧定位銷對(duì)新聞模組通常是制造通過(guò)加工過(guò)程如切割和車(chē)削為了實(shí)現(xiàn)空間的精度和足夠的強(qiáng)度。【1】然而加工過(guò)程是高能源消耗,因?yàn)樗褂闷饋?lái)需要很多材料和時(shí)間。還需要額外的步驟如熱處理以達(dá)到必要的強(qiáng)度。圖1(b)顯示了彈簧定位銷通過(guò)加工過(guò)程產(chǎn)生的,和有關(guān)于60%的物質(zhì)損失和加工過(guò)程(圖1(a))。制造技術(shù)的典范是轉(zhuǎn)向可持續(xù)的生產(chǎn)(圖2)在這個(gè)時(shí)代的能源危機(jī)。可持續(xù)生產(chǎn)是實(shí)現(xiàn)通過(guò)最小化環(huán)境下影響整個(gè)生產(chǎn)周期的產(chǎn)品。這樣生產(chǎn)設(shè)計(jì)可以通過(guò)最少的生產(chǎn)使用最少的材料和能源之上而產(chǎn)生最小數(shù)量的浪費(fèi)。有多項(xiàng)研究會(huì)有關(guān)由于制造方法的環(huán)境影響?！?-4】?
圖1?彈簧導(dǎo)銷由加工過(guò)程:(一)之前和(b)在加工過(guò)程
圖2?范式轉(zhuǎn)變的制造技術(shù)
2012年7月國(guó)際期刊的精密工程和制造第13卷,7號(hào),1240
因此,這類能源消耗過(guò)程需要轉(zhuǎn)換成一個(gè)節(jié)能過(guò)程。為了這個(gè)目的鍛造過(guò)程是應(yīng)用于制造彈簧定位銷的實(shí)現(xiàn)更少的物質(zhì)損失和更高的生產(chǎn)力。然而一個(gè)廣泛蔓延的過(guò)程由兩個(gè)壁壘有限:幾何精度和強(qiáng)度不夠造成的填充不足和折疊等缺陷。 這些障礙是可以克服的如果物質(zhì)流是完全符合給定的幾何形狀。
在這項(xiàng)研究中,多級(jí)鍛造工藝對(duì)彈簧定位銷的一個(gè)按模組設(shè)計(jì)考慮到材料流動(dòng)使用有限元分析。設(shè)計(jì)多級(jí)鍛造工藝對(duì)彈簧導(dǎo)桿銷成形載荷和材料流動(dòng)在每一步分析利用商業(yè)有限元代碼變形。然后,結(jié)果會(huì)由設(shè)計(jì)的冷鍛過(guò)程和原工藝效率的評(píng)估開(kāi)發(fā)的過(guò)程做對(duì)比。
2.設(shè)計(jì)的冷鍛過(guò)程
2.1發(fā)展階段的鍛造
在冷鐓的軸對(duì)稱物體,最大應(yīng)變是依賴于數(shù)量的形成階段。為了避免等缺陷在鐓粗過(guò)程與大翹曲變形,許多成形階段需要確定基于幾何的塑性變形。初始直徑(D0)和長(zhǎng)度(LT)?為彈簧定位銷的鋼坯是24.5毫米和分別為219毫米。而破壞比s = 10 / D0是2.95塑性變形長(zhǎng)度63.5毫米(圖3)。這種情況下需要一個(gè)雙沖程過(guò)程?！?】但增加為一個(gè)三階段的過(guò)程初始階段的頭直徑減少的多級(jí)成形性能冷鍛過(guò)程?(圖4)。
圖3?初始和目標(biāo)維度對(duì)彈簧定位銷
圖4?三階段鍛造工藝對(duì)彈簧定位銷
2.2為有限元分析的條件
彈簧定位銷的材料是AISI1020,有效應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系為有限元分析是與Capan and Bran的結(jié)果相符的.【6】流動(dòng)應(yīng)力可以表達(dá)成冪律公式，見(jiàn)公式(1):
有限元模擬的多是采用鍛造工藝一個(gè)隱式有限元代碼變形。這個(gè)過(guò)程是模擬在2 d,因?yàn)樗且粋€(gè)軸對(duì)稱變形模式。這個(gè)工件被認(rèn)為是完美的塑料材料,穿孔和鋼模是假定為剛性。一個(gè)剪切摩擦系數(shù)m = 0.12工件之間和穿孔是用于仿真。沖頭速度是100 mm / s和工件的網(wǎng)格數(shù)量為3000。?表1總結(jié)了仿真條件為有限元分析。
圖5顯示了沖頭的三個(gè)階段每個(gè)階段過(guò)程的形狀。多級(jí)鍛造工藝的半徑R是顯示在圖5(d)。預(yù)成型的形狀的中間階段是決定的半徑R2第二拳,半徑R2決心從仿真結(jié)果考慮到裝載限制和缺陷在第三階段。
2.3有限元模擬的結(jié)果
圖6是有限元模擬結(jié)果的第一和第二階段鍛造過(guò)程使用穿孔設(shè)計(jì)在圖5。鋼坯的頭直徑減少到22.47毫米24.5毫米后第一階段,是證實(shí)沒(méi)有缺陷如裝桶和爆炸發(fā)生。鋼坯的頭直徑減少到20.16毫米在第二階段。預(yù)測(cè)的負(fù)載的鐵分析待低于250噸裝載限制的媒體圖6所示(d)。然而這個(gè)預(yù)成型與R2 = 5導(dǎo)致折疊缺陷在第三鍛造階段如圖8。這是由于物料流的在徑向方向比在軸向方向更慢。
表1?模擬條件的有限元分析
仿真模式
等溫
幾何
軸對(duì)稱
沖壓速度
100 mm/s
網(wǎng)格的數(shù)量
3000
摩擦值
0.12
圖5?每個(gè)穿孔的多級(jí)鍛造工藝形狀
國(guó)際期刊的精密工程和制造第13卷,7號(hào)，2012年7月，1241
圖6?多級(jí)鍛造工藝的有限元結(jié)果
圖7有限元分析結(jié)果:第二穿孔R(shí)2= 5
圖8?為第三階段鍛造的粗加工
為了避免折疊缺陷的預(yù)成型幾何的最后階段需要修改,這是通過(guò)重新設(shè)計(jì)的在第二階段沖壓試驗(yàn)。優(yōu)化設(shè)計(jì)的預(yù)制塊,預(yù)成型形狀與半徑從5 r - 15 r，而設(shè)計(jì)和觀察變形行為結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯稣郫B缺陷發(fā)生在半徑為R的第二次沖壓低于12 r。 而當(dāng)半徑大于14 r的撞擊載荷極限時(shí)圖9總結(jié)了這個(gè)結(jié)果,?多級(jí)冷鍛的第二次沖壓的適當(dāng)半徑確定為?13r?到?12r。
3.多級(jí)冷鍛結(jié)果
3.1工藝條件實(shí)驗(yàn)
評(píng)估沖床和模具形狀的多級(jí)鍛造實(shí)驗(yàn)的有效性，結(jié)果如圖10所示。第二次沖壓的半徑設(shè)置為12 r和材料的形狀在每個(gè)階段顯示在圖11。沒(méi)有缺陷如滾磨和爆炸發(fā)生在多級(jí)鍛造過(guò)程,沒(méi)有裂縫和有裂縫發(fā)現(xiàn)在最終的產(chǎn)品上。但有少量的反射形成和有限元分析顯示了類似的結(jié)果(圖12)。這樣的反射可能影響一生的彈簧定位銷,需要做更多的工作最小化反射。這可以通過(guò)修改模具的幾何形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)。
圖9?負(fù)載在第三次沖壓的函數(shù)R2
圖10?穿孔的多級(jí)鍛造工藝對(duì)彈簧定位銷
圖11?每個(gè)階段的彈簧定位銷
國(guó)際期刊的精密工程和制造第13卷,7號(hào)，2012年7月，1242
3.2比較開(kāi)發(fā)過(guò)程和原始過(guò)程
表2顯示了發(fā)達(dá)過(guò)程比原工藝的改進(jìn)情況。當(dāng)發(fā)達(dá)多級(jí)冷鍛過(guò)程應(yīng)用于彈簧定位銷比一個(gè)沖壓模組初始坯直徑降低了50%,材料使用增加到100%。同樣的處理能力是每分鐘二百倍的原始過(guò)程。這些改進(jìn)使單位成本下降了50%。換句話說(shuō),開(kāi)發(fā)過(guò)程是一個(gè)節(jié)能過(guò)程，因?yàn)槲镔|(zhì)損失最小化,使生產(chǎn)原始材料使用減少能源、。
圖14顯示了能量消耗金額之間加工和冷鍛生產(chǎn)單個(gè)彈簧定位銷。計(jì)算是通過(guò)使用工具與SolidWorks可持續(xù)性計(jì)算方法符合ISO 1444。當(dāng)冷鍛工藝應(yīng)用,能源的消耗量可以減少了大約10%。這意味著,發(fā)達(dá)的過(guò)程比加工工藝過(guò)程生產(chǎn)彈簧導(dǎo)銷更加綠色化。
圖12?最終在的產(chǎn)品上的反射
圖13?彈簧導(dǎo)銷(a)和(b)鍛造加工結(jié)果
表2?比較的發(fā)展進(jìn)程和原始過(guò)程
項(xiàng)目
原始過(guò)程
發(fā)展過(guò)程
材料
直徑
φ50
φ25
鋼種
A283-C
AISI1020
制造過(guò)程
機(jī)械加工
多級(jí)冷鍛造
物料消耗（%）
40
100
生產(chǎn)率(EA/min)
1
200
單價(jià)
1
1/2
圖14?原始過(guò)程和冷鍛加工生產(chǎn)一個(gè)彈簧定位銷之間能源消耗
4.總結(jié)
在這項(xiàng)研究中,多級(jí)冷鍛工藝彈簧導(dǎo)針沖壓模組開(kāi)發(fā)考慮到在制造周期的節(jié)能。這個(gè)過(guò)程是設(shè)計(jì)使用鐵分析和預(yù)成型形狀優(yōu)化的考慮到材料流和裝載限制的沖壓。合適的半徑第二沖頭是12r到13r,發(fā)達(dá)過(guò)程通過(guò)了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程的有效性。發(fā)達(dá)過(guò)程是一種綠色制造工藝不僅減少材料損失還節(jié)約能源。此外，這個(gè)過(guò)程通過(guò)高材料使用和高生產(chǎn)率達(dá)到降低成本相比更廣泛使用于加工過(guò)程。
致謝
這項(xiàng)研究是由“在大邱和尚慶北道省技術(shù)創(chuàng)新的中小型制造企業(yè)” 提供技術(shù)支持。
參考文獻(xiàn)
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