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1、车轮螺母冷镦成型仿真与分析分析报告 报告人：张洪宝,主要内容,目的分析内容螺母冷镦成型的仿真分析不同工位的仿真分析同一工位不同镦击速度的分析比较 结果分析 改进意见 结论,1项目概要,1项目背景车轮螺母系列一直是吉标分公司的主要产品，也是生存的命脉产品，为解放各系列卡车进行配套，批量在500万件左右。由于车轮螺母系列产品规格大，冷镦加工后压合垫圈时开裂的原因，造成产品的废品率达30%，产品的成本很高，故吉标分公司一直采用热镦加工车轮螺母，热镦加工较冷镦加工的螺母在机械性能、表面质量等方面相差很多，而随着国家节约形经济的提出和成本压力的加大，我单位积极从降低能耗削减成本的角度谋发展，想尽一切办法
2、降低能源的消耗来实现公司2007年经营目标（能耗2199万元，千元产值比控制在0.0661以下）。因此我们技术人员在潜心研究，计划将车轮螺母系列产品由原来采用热镦加工改用冷镦加工，提高产品的机械性能、表面质量，从而提高产品的市场竞争力。,4.2产品现状和发展方向公司主要产品：发动机连杆螺栓、连杆螺母；主轴承盖螺栓、缸盖螺栓、飞轮螺栓；轿车、轻型车、中型车、重型车底盘系统的车轮螺栓、车轮螺母；U型螺栓、防松螺栓；各种异形高强度螺栓及其它汽车紧固件。今后的发展方向是制造高强度，高附加值紧固件，这些产品要求散差要小，质量要可靠，为此必须提高产品质量和开发速度。4.3市场压力市场需求量大的车轮螺母来说
3、更是各汽车紧固件厂家的必争的重要零件。我单位是国有企业，不可避免地在管理制度上没有私有和民营企业那么灵活，劳动成本也没有他们低，在生产相同的产品时，我们的成本要比他们要多，如果我们不从技术角度来考虑去降低成本，提高质量，那么我们企业生存也会越发困难。,4.4客户的要求随着客户对紧固件的要求越来越高，要求我们制造出越来越精，质量越来越好，散差越来越小，可靠性越来越高的产品，国外客户更是要求我们对产品有内部金属流线，潜在缺陷有计算机的分析和统计，通用公司甚至要求产品零缺陷。客户的要求就是我们努力发展的目标。通过仿真软件对金属在加工时成型过程进行动态模拟分析，可以发现靠经验设计时不能发现的金属流线是
4、否合理，是否产生了叠纹等问题，避免潜在不可欲知的缺陷。,4.5冷镦和热镦的优缺点比较热镦的特点1）由于将材料进行了加热，降低了材料流动时的屈服应力，可以实现比较大的变形，所以可以在比较少的工位实现整个变形要求。2）材料被加热降低了流动应力，对设备的吨位要求降低。3）工位比较少，相应的对模具也消耗比较好。4）对材料进行了加热，材料在变形的过程中被氧化，后续需要去氧化皮的工序，增加了成本。5）需要专有的加热装置，能源消耗比较大，工作环境不好。6）在加工过程中，材料脱碳。冷镦的特点1）冷镦是在常温条件下进行的，由于金属冷作硬化，使金属零件的机械性能得到改善和提高。2）冷镦工艺可以提高材料利用率，以冷
5、镦螺栓为例，非切边六角头螺栓，材料利用率可达99%以上。3）在加工过程中，不存在被氧化和脱碳的问题。4）由于不需要加热，改善了劳动条件。,综合冷镦和热镦的特点分析可知，冷镦生产是一种既好有省的生产方式。为了解决螺母表面质量差的缺点，所以在2006.11开始此项目结束是在2007.2,计算目的运用金属成型分析软件（DEFORM 3D）对L3103071-4E螺母冷镦工艺进行仿真分析，并通过对仿真计算结果的分析，提出改进意见。以解决现实生产中存在的产品表面或内部存在裂纹，模具、冲头寿命低等问题。分析内容 对冷镦成型工序的不同工位（5个工位）分别进行仿真计算，模拟该螺母冷镦成型的过程；并且对每一工位
6、的不同工况（上冲头运动速度不同）进行分析和比较。此次分析将模具和冲头简化为刚体，不考虑其受力和变形，只考虑镦击过程中工件的受力和变形（模具和冲头的受力分析将在下一阶段进行）。,计算分析材料：工件材料为ML35，对应国际材料牌号为AISI-1035，模具和冲头简化为刚体，故不用考虑其材料。单位选取：选用国际单位制，长度mm，时间s，力N，应力Mpa。计算区域：选取计算区域为模具、上下冲头以及工件，并对模具和上下冲头进行必要的简化，以缩小计算区域。网格划分：对工件进行网格划分，为保证计算的精确，最小边上不小于2个网格。模具和冲头为刚体，不用划分网格。,图1 计算区域和网格划分冲头运动：由于曲柄滑块
7、机构的速度时间曲线不容易求得，所以取其平均速度，滑块行程h=0.2m，曲柄转速R70RPM或35RPM，通过公式V2hR/60求得速度分别为0.46m/s和0.23m/s。,计算结果：计算结果的后处理，主要是查看成型过程中工件的材料流动，工件所受的受力以及上冲头的最大镦击力；计算结果的判断，主要是判断成型过程中工件的材料流动是否合理，以及工件所受最大应力是否超过材料的抗拉强度。,表1 上冲头运动速度为0.46m/s时的仿真计算结果,表2 上冲头运动速度为0.23m/s时的仿真计算结果,仿真计算完成后工件形状和实物对比如下：,图3 仿真计算结果,图4 工件实物,结果分析金属波速为5000m/s，
8、碰撞速度应小于材料波速的1，如果碰撞速度超过50m/s，会导致工件变形高度局部化。在50m/s的范围内，冲头速度变化对整个碰撞的过程（即成型过程）影响不大。工件材料ML35的疲劳极限为380Mpa，抗拉强度为576Mpa。第三工位成型时，工件所受应力为906Mpa，已超过材料的抗拉强度，这是造成成型的螺母内部或者表面存在裂纹的主要原因；同时，上冲头的镦击力过大，这是造成模具和冲头寿命低的主要原因。,改进意见,5.1 第三工位改进方案由仿真计算结果可知第三工位中，工件和冲头受力过大，究其原因是成型过程中材料流动的不合理造成的，也就是说工件的初始形状是不理想的。分析材料的流动趋向，得出改进方案：取
9、消工件由第二工位至第三工位时的翻转（原工艺中工件由第二工位至第三时进行了翻转和平移）。,分析结：果对比如下,5.2 第四工位改进方案由第四工工位的仿真计算结果可知，突缘部分的材料流动不合理主要是由于上冲头冲压过深引起的，改进的方法是减少上冲头的冲压深度同时增加下冲头的冲压深度。,图6 改进前成型过程的材料流动,5.2.2 上冲头浅3mm，下冲头深3mm由分析结果可知，材料流动有相当大的改善,图8 改进后成型过程的材料流动,改进前：突缘部分向上冲头运动反方向移动的最大位移为3.9mm改进后：突缘部分向上冲头运动反方向移动的最大位移为1.6mm，较改进前材料流动已有明显改善,效益问题：1.设计开发
10、方面（单次改进）,2.工艺工序方面,年产量在500万件左右,改进成本=350000+12000+100000-90000=48万元。,产品价值效益（预计）,1.热镦改为冷镦每件节省1元。2.原来生产700万件产品有500万件成品。现在就是700万件成品。3.每件产品是6元。增加产值1200万，或者是200万件产品工时材料。4.大批量生产。厂内有一台价值200万元机器，由于产品质量问题，没能大批量生产。（冷镦优势）,发展目标：以前几乎是零利润生产。扩大生产，增加配套。,技术贡献,1改变原有的“试错”设计理论思想，以仿真实际生产技术理论为基础，在计算机上实现调试验证，降低开发费用，缩短开发周期。2 提高开发的成功率，对材料，设备选择提供数据支持。3 通过计算机的仿真分析，在众多方案中找到有一条最佳路线，提出了“优化设计”理论。,下一步工作,1.模具受力分析2.M12螺母冲头受力分析3.此分析方法应用到吉标分公司其他产品中。,
