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1、汽车转向球头销套滚压铆合过程计算机模拟分析摘 要本课题主要研究基于有限元分析软件DEFORM的金属冷挤压变形。具体是应用于汽车转向机构系统中的球头销套的工装设计。球头销是位于汽车转向机构中的一个重要零部件，常见于横拉杆和直拉杆之间，起到防止空间干涉的作用。球头销套用来固定球头销。因此球头销套的质量直接影响到汽车的转向系统进而影响到安全问题。在国内球头销需求量大，生产厂家多，应用电脑模拟分析对于实际生产具有非常创新而实用的参考价值。本文首先对比两种加工方案，分析各自优缺点。然后采用改进型的滚压加工为本课题设计方案。接着通过三维制图软件pro/e生成各个模具和工件。然后导入DEFORM软件进行模拟
2、分析，得出最后仿真结果。无论是从数据还是图表方面来看，我们最终的仿真结果证明方案设计可行，符合所需球头销套的设计要求。由此得出了一套成本较低，可靠性较好的新的加工设备。这对于实际汽车零部件生产厂商有很大的参考价值。关键词：汽车球头销；冷挤压；DEFORM软件ABSTRACTThis project is aimed to analyse the metals cold deformation which is based on finite element software DEFORM. It will be applied on the device of bulb pin bush. T
3、he bulb is a vital component installed in the steering system, and it is common between transverse draw bar and straight draw bar, serve as role to prevent interference. The pin bush is used to fix the bulb. Therefor, the quality of the bin bush have a direct influence on the steering system,and als
4、o on the safety of the vehicle as a whole. The demand for bulb is huge in our country, and there is a lot of manufacturer, so adopting computer simulation analyse will have a significant sense for the production.Here we will compare two methods to assess their advantages and shortcomings first. Then
5、 we will adopt an innovative roll extrusion as our design work. After that, all the die and workpiece will be created through 3D drawing software pro/e. Finally, put then into the DEFORM. When every detail dates and variables are set, start the simulation, and check the final result.Both in datas an
6、d graphic aspects, our simulation result manifested that the mechanic design is quite feasible, and its product met all the requirements. Therefor, an innovative, low-cost, high-performance equipment has been born. For reference, many manufacturers of car components can benefit from this graduation
7、design.Keywords: vehicle bulb; cold deformation; DEFORM目 录引言11 方案的比较和确定41.1设计要求41.2方案的比较41.2.1摆动辗压的方案41.2.2滚压方案51.2.3对比61.3滚压头的初步设计61.4传动机构的选择72 铆头的设计及计算92.1挤压力的计算92.1.1冷挤压原理及分类92.1.2计算挤压力102.2滚子轴尺寸的计算122.3轴承的选用153 传动进给机构193.1传动机构193.1.1电动机功率的选择193.1.2变频器的选择193.1.3转轴尺寸的计算203.1.4转轴轴承的选用213.1.5带轮设计223
8、.2进给机构244 DEFORM软件的模拟仿真264.1DEFORM介绍264.1.1 DEFORM功能264.1.2 DEFORM软件的模块结构264.2滚压头及销套建模274.3前处理274.4提交求解器运行304.5后处理及模拟仿真结果分析304.5.1载荷分析304.5.2等效应力分析31结论33致谢34参考文献35引 言球头销在汽车领域应用广泛，随着汽车行业在国内的发展兴旺，随着老百姓汽车拥有量的增加，汽车零配件的需求日益增加。下面简单介绍一下汽车上转向传动机构的结构，以示球头销在其中的作用：与非独立悬架配用的转向传动机构主要包括转向摇臂2、转向直拉杆3转向节臂4和转向梯形。在前桥仅
9、为转向桥的情况下，由转向横拉杆6和左、右梯形臂5组成的转向梯形一般布置在前桥之后，如图0-1a所示。当转向轮处于与汽车直线行驶相应的中立位置时，梯形臂5与横拉杆6在与道路平行的平面(水平面)内的交角90。在发动机位置较低或转向桥兼充驱动桥的情况下，为避免运动干涉，往往将转向梯形布置在前桥之前，此时上述交角90，如图0-1b所示。若转向摇臂不是在汽车纵向平面内前后摆动，而是在与道路平行的平面向左右摇动，则可将转向直拉杆3横置，并借球头销直接带动转向横拉杆6，从而推使两侧梯形臂转动 图0-1 汽车转向机构1.转向器 2.转向摇臂 3.转向直拉杆 4.转向节臂 5.梯形臂 6.转向横拉杆当转向轮独立
10、悬挂时，每个转向轮都需要相对于车架作独立运动，因而转向桥必须是断开式的。与此相应，转向传动机构中的转向梯形也必须是断开式的，如图-2所示。 图0-2 独立悬挂的转向轮 1.转向摇臂 2.转向直拉杆 3.左转向横拉杆 4.右转向横拉杆 5.左梯形臂 6.右梯形臂 7.摇杆 8.悬架左摆臂 9.悬架右摆臂 10.齿轮齿条式转向器转向直拉杆的作用是将转向摇臂传来的力和运动传给转向梯形臂(或转向节臂)。它所受的力既有拉力、也有压力，因此直拉杆都是采用优质特种钢材制造的，以保证工作可靠。在转向轮偏转或因悬架弹性变形而相对于车架跳动时，转向直拉杆与转向摇臂及转向节臂的相对运动都是空间运动，为了不发生运动干
11、涉，上述三者间的连接都采用球销。 图0-3 转向加力装置1.方向盘 2.转向轴 3.转向中间轴 4.转向油管 5.转向油泵 6.转向油罐 7.转向节臂 8.转向横拉杆 9.转向摇臂 10.整体式转向器 11.转向直拉杆 12.转向减振器动力转向系统兼用驾驶员体力和发动机(或电机)的动力为转向能源的转向系统，它是在机械转向系统的基础上加设一套转向加力装置而形成的。如图0-3其中属于转向加力装置的部件是：转向油泵5、转向油管4、转向油罐6以及位于整体式转向器10内部的转向控制阀及转向动力缸等。当驾驶员转动转向盘1时，转向摇臂9摆动，通过转向直拉杆11、横拉杆8、转向节臂7，使转向轮偏转，从而改变汽
12、车的行驶方向。图0-4 加工前后示意图1.球头销套 2.球头销座 3.堵塞 4.球头销a.加工前 b.加工后由于球头销在汽车各类转向传动机构内都有广泛的应用，所以与之相配套的球头销套的需求量也是与日俱增。目前球头销套的铆合大多数采用压力机垂直冷成形铆合，这种铆合工艺设备简单，成本低，速度快，但是产品精度不高，寿命低，有些甚至出现球头转动不良的情况。这将给汽车的转向机构带来一定的隐患，同时汽车的质量也相对下降。产生这种情况的原因主要是压力机的成形力比较大，在加工过程中容易造成球头销和球头销座压紧，出现转动不良,同时也加剧了磨损，降低了零件的使用寿命。为了解决球头销质量不高的情况，提高加工工艺是唯
13、一的途径。本课题的主要目的就是确定新的生产工艺，并设计采用这种工艺的铆接装置以及通过有限元分析软件deform来分析和验证铆接装置的加工结果是否符合要求。这对于降低研发周期，减少生产成本都具有非常重要的现实意义。1 方案的比较和确定1.1 设计要求设备需要加工的工件是五种类似但尺寸上有差异的球头销套，图1-1表示的是较有代表性的一种。设备要将球头销套的端口铆合，即图示标注了直径D25mm的位置，端口最薄处0.5mm，1.5mm处1.2mm厚，竖直方向上的总进给量为1.5mm。五种销套端口直径的范围是25mm35mm，进给量的范围是1.5mm2mm。图1-1 加工前的销套尺寸由于需要加工五种产品
14、甚至更多，所以设备要有良好的通用性，产品变化后，设备能在短期内恢复生产能力，并且满足设计要求。同时我们摒弃的压力机的方案，在加工的末期由于成形力太大导致球头和球头销座压紧。为了避免这种情况的出现，我们将拉长加工时间，循序渐进地完成加工，并在加工的全过程中检测球头销与球头销座的压紧力，一旦该压力超出一定的范围立刻停止加工。1.2方案的比较 根据设计要求，我们采用连续局部塑性成形的工艺来加工。连续局部塑性成形是金属压力加工领域中一个重要的方面，且在轧制领域的应用已相当成熟 ，如板材、型材和管材等轧制技术的发展不仅对工业生产、经济建设起到非常重要的推动作 用，而且在日常生活中也普遍使用了金属的板材、
15、管材和型材。连续局部塑性加工在型材轧 制中之所以占有这样重要的地位，是由于这种加工技术具有静压成形(冲击、振动和危害环 境甚小)、能量利用率高、生产质量稳定、易于实现机械化与自动化、生产效率高、能充分 地发挥金属材料塑性的潜在能力等优点。1.2.1摆动辗压的方案 所谓摆动辗压，是利用一个带圆锥形的上模对毛坯局部加压，并绕中心连续滚动的加工方法。如图1-2所示，带锥形的上模，其中心线oz与机器主轴中心线OM相交成角，此角称摆角。当主轴旋转时，oz绕OM旋转，于是上模便产生了摆动。与此同时，滑块3在油缸作用下上升，并对毛坯施压，这样上模母线就在毛坯上连续不断地滚动，最后达到整体成形的目的。2.摆动
16、辗压的特点、应用领域和分类1）省力。因摆辗是以连续局部变形代替常规锻造工艺的一次整体变形，因此可以大大降低变形力。实践证明，加工相同锻件，其辗压力仅是常规锻造方法变形力的1/51/20；2）产品质量高，节省原材料，可实现少无切削加工。如果模具制造尺寸精度很高，且进行过抛光，则辗压件垂直尺寸精度可达0.025mm，表面粗糙度可达R0.40.8m。 图1-2 摆动辗压1摆头（上模）2毛坯3滑块 4进给油缸 3）摆动辗压适合加工薄而形状复杂的饼盘类锻件。加工薄饼类锻件，摆辗所需的变形力比常规锻造力小很多，而且工件愈薄，用摆辗法成形愈省力。4）劳动环境好，劳动强度低。摆辗时机器无噪声、震动小，易于实现
17、机械化、自动化。 5）设备投资少，制造周期短，见效快，占地面积小。1.2.2滚压方案旋压主要是对板材进行成形加工，板材是装在芯模的顶部，动旋轮在旋转的同时还有轴向运动和径向运动，于是使板料在滚压作用下产生局部连续变形，加工成与芯旋模外形相同的零件。旋压技术的研究在我国始于20世纪60年代，到目前已获得了较大的发展，在设备设计制造、理论研究及技术推广等方面都取得了很大的成绩。旋压的产品在刚度、强度的改进方面都很有特色，然而现在对其开发和研究得还不够。如果将其用在可变厚度的壳形件，或者具有起伏变化表面的壳形件上是完全可行的，若结合计算机程序控制，就能加工出质量稳定、精度较高、形状复杂的轴对称壳形件
18、。滚压成型，20世纪50年代末由外国传入中国，系在旋压成型基础上发展起来的一种新的成型方法。即把固定的型刀改为可以旋转的滚压头，滚压头与模型同时旋转，遂将工件压延成所需的一定形状。1.2.3对比 由图1-2可知摆动碾压的结构比较复杂，因为它的运动是多方向的，这也是摆动碾压这个名称的由来，因此其传动机构会更复杂。虽然它可以加工的形状可以很多样化，但是对于本课题是没有必要的。而滚压成形只要两个方向上的运动，实现起来较容易，结构也会相对简单，成本也会更低。根据计算,滚压工艺的成形力比摆动辗压的成形力还要低，这就进一步精简了机构。由于滚压头的结构都比较简单，更换滚压头就可以达到加工不同球头销套的目的，
19、非常适合于该设备。1.3滚压头的初步设计 图 1-3 滚压头 图 1-4 销套突出部分上限 图1-5 销套突出部分下限设备是要将球头销套的端口突出部分铆平，如图1-4和1-5进给量在1.5mm2mm之间，端口壁厚在1.2mm1.43mm之间。故滚压头的中间开圆弧槽，圆弧的半径为1mm，弧度为，弧长1.57mm，槽宽1.414mm，如图1-3。这样刚好可以将端口2mm处1.43mm厚的端口壁容纳在圆弧内。用这样的滚压头加工出来的销套的效果如图1-6 图1-6 销套加工后效果图1.4传动机构的选择 设备要求通用性，且为了增加加工时的柔性，拟用1000r/min的电机为动力来源，电机先经变频器调速再
20、经一级带轮减速可获得要求的加工转速。变频器的调速范围虽广，但是它在低速时的性能不佳，故仍然采用带轮来硬件调速，这样一方面保证了加工时转速的可调性，也增加了转速和电机转矩的稳定性。当在加工过程的初期，可以适当增加电机的转速和进给量来提高加生产效率；而在加工过程的后期，需要减少转速和进给量以保证生产质量。2 铆头的设计及计算2.1挤压力的计算虽然采用滚压的方式加工，但这仍然可以是属于冷挤压加工的范畴，故可用冷挤压的分析方法 计算方法和数据摘自挤压模具简明设计手册参考文献5进行计算。挤压力是设计的基础，选择设备的依据，并可借以衡量挤压的难易程度。总之，挤压力是一个重要的参数。2.1.1 冷挤压原理及
21、分类冷挤压是在室温下，用模具使固态的金属在相当大的压力和一定的速度下，通过模腔产生塑性变形，挤压成型而获得一定的形状与尺寸零件的一种加工方法。冷挤压的工艺过程是：先把毛坯放在凹模内，接凸模的压力使金属产生塑性变形，并通过凹模的下通孔或凸模与凹模间的环形间隙，将制件挤出成型。根据金属被挤出的方向与凸模运动方向的关系，冷挤压可分为正挤压、反挤压、复合挤压、径向挤压和镦挤等。正挤压：如图2-1所示。金属流动方向与凸模运动方向相同，适合用于各种形状的实心、管、环型件的挤压。反挤压：如图2-2所示。金属流动方向与凸模运动方向相反，适合用于各种断面形状的杯形件。 图 2-1 正挤压 图 2-2 反挤压1凸
22、模；2凹模；3毛坯； 1凸模；2凹模；3毛坯；4挤压件；5顶料杆。 4制件；5顶料杆。复合挤压：如图2-3所示。金属流动方向相对于凸模方向，一部分相同，一部分相反。适合于各种复杂零件的挤压。图 2-3 复合挤压 1凸模； 2凹模； 3毛坯； 4制件； 5顶料杆。径向挤压：如图2-4所示。金属流动方向与凸运动方向模垂直，适用于具有法兰凸台的轴对称件挤压。镦挤：如图2-5所示。金属的流动具有挤和镦的特点，即一部分金属沿凸模轴向流动，一部分沿径向移动。适用于大头类及阶梯轴类制件的挤压。 图 2-4 径向挤压 图 2-5 镦挤2.1.2 计算挤压力 挤压力的大小与挤压材料的性能，挤压件的变形程度，模具
23、的几何形状和润滑条件等许多因素有关。由于一系列因素的影响，挤压力是难以准确计算的，尤其形状复杂工件的挤压力尚无完善的计算方法及实用可靠的公式或图表。目前，计算冷挤时挤压力有简易计算、理论计算、利用实验公式和列线图表及图形分桥等五种常用的方法。这里，我采用简单估算的方法。表 2-1 计算挤压力的公式公 式说 明PpFP-挤压力，Np-单位挤压力，MPa，可按表ZW-2-2查取F-凸模工作的投影面积，mm2即表2-1中计算公式，将从下表中查取的单位压力的近似值，再乘以挤压的真实作用面积和安全系数，即可求近似的挤压力，计算式为：P p*F （2-1）表 2-2 挤压时单位压力的近似值材料钢含碳量/%
24、b/Mpa挤压比1.251.52.03.00.3500680900126017100.1538040033063096014400.4555046076011702160挤压比 r (2-2)A0冷挤压前坯料的横截面积，mmA1冷挤压后坯料的横截面积，mm 需要加工的球头销套采用模锻处理的45号钢，为此，根据挤压性质,滚压前后的挤压比接近于1.2，选择其变动范围 q=460MPa，取q=400MPa。 最后确定工作的投影面积：要求铆合时间t为7秒，加工量为1.5mm2mm，取较大值2mm，转轴转速n是60r/min250r/min，取小值60r/min则每转进给量： 公式摘自参考文献1摆动辗压
25、工艺及模具设计 s = 0.286mm/r 图2-6 加工尺寸示意图拟定滚压头的直径D=35mm，则如图2-6，由于滚子半径远远大于s ，所以弧AB的长度近似于AC的距离： 弧AB AC 3.15mm工件的壁厚由图ZW-1-5 和ZW-1-6取大值1.43mm则竖直方向上的加工面积: F 竖直 弧AB工件壁厚 3.15mm1.43mm 4.5mm水平方向上的加工面积:F水平 S 工件壁厚 0.286mm1.43mm 0.41mm垂直纸面方向的加工面积： F垂直AOB的面积AOC的面积AO弧AB/2OCAC/2 17.53.15/2（17.5-0.286）3.15/20.45 mm由F 竖直、F
26、水平、F垂直可得这三个方向上的挤压力P竖直pF 竖直400MPa4.5 mm1800NP水平pF水平=400MPa0.41 mm164NP垂直pF垂直400MPa0.45 mm180N2.2滚子轴尺寸的计算图2-7 滚子轴受力示意图如图 27滚子轴采用三点支撑的形式，构成超静定结构，选定40Cr为轴材料Fy2=Fy1=P竖直1800NFx1Fx2P垂直180N，Fx1和Fx2构成轴向的拉力和一定的转矩，拉力对强度影响小，予以忽略转矩Mx = 180N17.5mm 3150NmmP水平 e，则X 0.44，Y 1.0；P0XFr+YFa=0.441800+11881980N，乘上载荷系数fp，取
27、1.2，PfpP02376N由公式公式来自参考文献6机械设计（第七版） Lh (2-4) 式中 Cr=4.92kN,n=240r/min，=3 Lh=616（h）；按每天8小时只能使用两个半月，同时为了解决克服滚子的横向力矩，考虑使用双轴承： （ii）图 2-9 轴承与滚子的联接轴承与滚子的联接参考图2-9，考虑到轴承的拆卸，轴向力由滚子传递给靠里的轴承。但是按这种结构轴承的受力仍然不理想，靠外的轴承受力很小，起不到应有的作用，但是滚子槽的间距是必须满足一定的要求的，这样的结构也是不得已。虽然选用大尺寸的轴承可以解决承载力的问题，但是为了保证滚子直径，仍然选用 d = 10mm，D = 26
28、，B = 8，Cr = 4.92KN的7000C型角接触球轴承。放弃了轴承的拆卸，因为滚子同样也是消耗件，可以让轴承与滚子一起换掉。故采用图210所示的结构，这样的结构还能克服两个方向的轴向力，更加完善。图 210 铆头结构图派生力可以互相抵消，靠里的轴承受到纵径向力的约2/3，则Fa=180N，Fr=1800N2/31200N，Fa/Fr0.15 e0.8，则 X1，Y0.78；P1.2（112000.78180）1608.5N；代入公式(2-4)公式来自参考文献6机械设计（第七版） Lh Lh1985.5h，够用8个月，完全可以满足要求。3 传动进给机构3.1传动机构3.1.1电动机功率的
29、选择 铆头采用两个滚压头同时滚压，所以在转轴上会形成一个转矩：M= P水平D P水平164N，力臂即球头销套的端口直径D，取最大值35mm，代入上式，得 MP水平D164N35mm5740Nmm5.74Nm；影响传动效率的几个因素有:变频器的效率、带轮效率、电机效率、轴承效率；这几个值分别取0.7、0.9、0.7、0.8 数据查自参考文献7机械设计手册 则总效率0.70.90.70.80.3528 故 电动机的最小功率 N0.1kW根据转速的要求，取功率为0.18kW，转速1000r/min，额定电流0.65A，380V，50Hz的电动机，电动机的型号为YS63S24B3。3.1.2变频器的选
30、择 电动机的功率很小，且属于轻载运行，由于小功率的变频器比较少见故采用功率稍大的变频器FRN0.40G11S4CX，变频器的各参数如下：额定容量kVA1.1kVA；额定输入电压为3相380V/50Hz；额定输出电流1.5A；额定过载电流150电流1min，2000.5s；需要电源容量0.7kVA；由公式 公式来自参考文献2变频器基础及应用（第二版） 额定容量kVeIe10 (3-1)式中 k-安全系数，取1.1； Ve-电动机额定电压，其值为380V； Ie-电动机额定电流，其值为0.65A则 额定容量1.1380V0.65A100.47kVA 12000h； 由公式(2-4)Lh； L12000h，p7344N，n60r/min，10/3（载荷较大，应选用圆锥滚子轴承），代入上式得 Lh ；
