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滑動(dòng)叉無飛邊鍛造工藝有限元模擬研究

2008-5-29 15:03:03
來源：金屬加工在線
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作者：
關(guān) 鍵詞：滑動(dòng)叉,,閉式無飛邊鍛造,,有限元模擬
文獻(xiàn)摘要：滑動(dòng)叉?zhèn)鹘y(tǒng)上采用開式模鍛工藝生產(chǎn)，飛邊大，材料浪費(fèi)嚴(yán)重且尺寸精度差。為了降低鍛件成本，本文針對滑動(dòng)叉的形狀特征，提出一種少無飛邊模鍛的新工藝，使預(yù)制毛坯在封閉的模膛內(nèi)成形，實(shí)現(xiàn)鍛件近凈成形。根據(jù)體積不變原則對計(jì)算毛坯進(jìn)行處理得到預(yù)制毛坯。本文應(yīng)用DEFORM 3D軟件模擬研究了滑動(dòng)叉無飛邊和小飛邊鍛造工藝過程，模擬驗(yàn)證結(jié)果表明，新工藝顯著地提高了材料利用率和成形質(zhì)量，降低了鍛造載荷。

1 前言

汽車工業(yè)的發(fā)展對高品質(zhì)、低成本鍛件的需求不斷上升。轉(zhuǎn)向萬向節(jié)滑動(dòng)叉（如圖1所示）是一個(gè)重要的汽車零件，其形狀復(fù)雜，尺寸精度和形位公差要求高，鍛造工藝性差。目前，國內(nèi)各主要鍛造廠主要采用開式模鍛工藝進(jìn)行生產(chǎn)，鍛件成形質(zhì)量差，材料利用率低 [1]。工廠迫切需要一種新的加工工藝，以提高成形質(zhì)量，減少材料浪費(fèi)，降低成本。

圖1 滑動(dòng)叉鍛件

無飛邊鍛造工藝是一種先進(jìn)的鍛造工藝，通常用于高品質(zhì)鍛件的生產(chǎn)。如圖2所示，與有飛邊鍛造工藝相比，無飛邊鍛造工藝中鍛件在封閉的模腔內(nèi)成形，不產(chǎn)生飛邊，節(jié)省材料，成形精度高，可實(shí)現(xiàn)鍛件的近凈成形或凈成形［2］。

如圖1所示的滑動(dòng)叉形狀復(fù)雜，而且叉桿部截面呈圓形，傳統(tǒng)的整體閉式模鍛工藝難以實(shí)現(xiàn)無飛邊鍛造。本文在研究傳統(tǒng)無飛邊鍛造工藝[3,4]和擠壓工藝[5]的基礎(chǔ)上，開發(fā)了滑動(dòng)叉無飛邊閉式模鍛新工藝，以滿足滑動(dòng)叉的無飛邊鍛造的要求。

圖2 開式與無飛邊閉式模鍛工藝對比
Fig.2: Compare between open-die forging with flash and closed-die forging without flash

2 無飛邊鍛模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對滑動(dòng)叉的形狀特征，本文設(shè)計(jì)了一套全新結(jié)構(gòu)的鍛模，以滿足無飛邊鍛造的要求。模具由上、下模和沖頭三大部分組成，如圖3所示。上沖頭安裝在壓力機(jī)的滑塊上，下沖頭固定在底座上。

圖3 鍛模結(jié)構(gòu)
Fig.3: Structrue of the Dies

圖4所示為鍛造過程中模具動(dòng)作順序，具體動(dòng)作如下：

i）毛坯1放入下模4的模膛內(nèi)。
ii）滑塊下行，上、下油缸活塞聯(lián)動(dòng)，使上模3和下模4相接觸，對上下模施加合模力，形成封閉模腔，夾緊預(yù)壓毛坯1。
iii）滑塊繼續(xù)下行，上、下油缸壓力不變，叉部毛坯的金屬在上下沖頭的作用下發(fā)生墩粗?jǐn)D壓變形，直至充滿模膛。模具由上、下模和沖頭三大部分組成，如圖3所示。

圖4 模具動(dòng)作順序
Fig.4: Tooling movement sequence

3 無飛邊鍛造過程的有限元分析

3.1 預(yù)制毛坯設(shè)計(jì)

滑動(dòng)叉大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，通常采用楔橫扎工藝生產(chǎn)預(yù)制毛坯。根據(jù)體積不變原則，在滑動(dòng)叉計(jì)算毛坯基礎(chǔ)上，依據(jù)楔橫扎模具設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)得到滑動(dòng)叉的預(yù)制毛坯。圖5所示為滑動(dòng)叉預(yù)制毛坯叉部設(shè)計(jì)。圖6所示為在預(yù)制毛坯的幾何參數(shù)。

圖5 預(yù)制毛坯
Fig 5. Preform

圖6 預(yù)制毛坯的幾何參數(shù)
Fig.6: Sketch of perform

3.2 滑動(dòng)叉成型工藝模擬分析

根據(jù)滑動(dòng)叉的形狀和成形的對稱特性，選擇滑動(dòng)叉的1/4模型進(jìn)行模擬分析，1/4有限元模型如圖7所示。預(yù)制毛坯A處較高（如圖5所示），上下模合模時(shí)將被夾緊。夾緊分析輸入?yún)?shù)如表1所示。

表1夾緊工步輸入?yún)?shù)

圖7 FE分析模型
Fig7: FE Simulation model

圖8所示為夾緊后毛坯的等效應(yīng)變分布圖，預(yù)制毛坯僅在A處出現(xiàn)很小的變形。圖9所為夾緊過程的載荷－行程曲線。由圖9可知，夾緊整個(gè)預(yù)制毛坯大約需要160,000N力。

圖8 夾緊工步等效應(yīng)變分布
Fig.8: Effective Strain Distribution of holding process

圖9 夾緊工步載荷行程曲線
Fig.9: Punch force curve of holding process

圖10所示為在理想狀態(tài)下（精密下料、預(yù)制毛坯尺寸精確）毛坯變形過程中不同時(shí)刻的金屬流動(dòng)狀態(tài)。

圖10 滑動(dòng)叉鍛造過程中金屬流動(dòng)狀況
Fig.10: Material flow in forging of a slide fork

由模擬結(jié)果可知，在沖頭作用下，預(yù)制毛坯的叉部首先被鐓粗，金屬迅速向模膛兩側(cè)流動(dòng)直至接觸模膛側(cè)壁，然后隨著沖頭繼續(xù)下壓，金屬向流動(dòng)阻力最小的叉部凸臺部分的模膛流動(dòng)，沖頭下面的金屬沿模膛側(cè)壁向上流動(dòng)直至成形完畢。在整個(gè)成形過程中，毛坯的變形速度場分布均勻，未出現(xiàn)紊亂，因此整個(gè)成形過程不會(huì)存在折疊缺陷且成形完全。如圖12所示，在沖頭下壓的過程中，鍛件叉部的應(yīng)變主要集中在叉部及叉口連皮，而在與桿部相連的部位應(yīng)變很小。

圖11 鍛造過程中滑動(dòng)叉的速度分布圖
Fig.11: Velocity distribution in the forging of a slide fork

圖12 叉部應(yīng)變分布
Fig.12: Effective Strain Distribution in fork section

成形質(zhì)量的關(guān)鍵在于在整個(gè)成形過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制金屬流動(dòng)，盡量保證金屬只沿厚向和徑向流動(dòng)，在軸向上沒有位移或位移極小。該工藝的實(shí)現(xiàn)必須保證精確下料，預(yù)制毛坯的長度精度要求較高，坯料放入模腔時(shí)在長度方向已經(jīng)被準(zhǔn)確定位，合模夾緊后進(jìn)一步限制了材料的軸向流動(dòng)。

圖13所示為鍛造過程的載荷－行程曲線。由載荷－行程曲線可知，半個(gè)滑動(dòng)叉鍛造所需載荷約為7.4MN，即15MN壓力機(jī)即可滿足整個(gè)滑動(dòng)叉鍛造成形要求。

圖13 滑動(dòng)叉鍛造載荷曲線
Fig.13: Punch force curve of forging a slide fork

4 小飛邊閉式模鍛工藝模擬

滑動(dòng)叉閉式無飛邊模鍛工藝具有極高的材料利用率，但該工藝采用的預(yù)制毛坯體積精度要求極高，致使預(yù)制毛坯加工費(fèi)用較高。為了降低預(yù)制毛坯的加工費(fèi)用、提高材料利用率，本文還設(shè)計(jì)了滑動(dòng)叉小飛邊閉式模鍛工藝。

4.1 小飛邊鍛模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在滑動(dòng)叉無飛邊模鍛工藝的基礎(chǔ)上，本文還提出了小飛邊模鍛工藝（飛邊約占毛坯體積的2％）。小飛邊鍛模的結(jié)構(gòu)與無飛邊鍛模的結(jié)構(gòu)相同，只是在上下模叉口底側(cè)中間分模位置增加了一個(gè)小飛邊結(jié)構(gòu)，如圖14所示。模具的動(dòng)作與無飛邊鍛模相同。

圖14 飛邊結(jié)構(gòu)
Fig.14: Flash Structure/div

4.2 小飛邊模鍛工藝模擬分析

預(yù)制毛坯體積比圖6所示毛坯體積增大1％。圖15所示為滑動(dòng)叉叉部分析1/4有限元分析模型。

圖15有限元分析模型
Fig.15: FE simulation model

圖16所示為成型過程中金屬流動(dòng)狀況。由圖16可知，小飛邊鍛造工藝中金屬的流動(dòng)狀況與無飛邊鍛造工藝中相似，當(dāng)沖頭下行26mm時(shí)，叉口底部靠近飛邊橋部的金屬受足夠大的壓力，開式向飛邊橋部運(yùn)動(dòng)，形成飛邊。金屬充滿型腔完畢后，隨著沖頭繼續(xù)下行，多余的金屬通過飛邊橋部流向倉部。

圖16 叉部成型過程中金屬流動(dòng)狀況
Fig.16: Material flow in fork section

圖17 叉部等效應(yīng)變分布
Fig.17: Effective Strain in fork section

圖18所示為小飛邊鍛造過程中鍛造載荷－行程曲線。由圖可知為了保證毛坯成型完整，飛邊橋部高度較低，金屬向飛邊橋部流動(dòng)阻力較大，致使滑動(dòng)叉成型所需載荷稍稍增大，整個(gè)滑動(dòng)叉成型所需載荷達(dá)到17.2MN。

圖18 滑動(dòng)叉鍛造載荷行程曲線
Fig.18: force curve of forging a slide fork

作為對比，計(jì)算了該滑動(dòng)叉開式模鍛所需載荷。滑動(dòng)叉鍛件長度L件為21cm，水平投影面積（含叉口連皮和飛邊的面積）為340cm2，即換算直徑D件和平均寬度B均分別為20.8cm和16.3cm，查相應(yīng)圖表得值為65N/mm2。

根據(jù)錘上模鍛噸位經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式[4]：

計(jì)算得G＝24930N，即此滑動(dòng)叉鍛件開式模鍛需要25MN壓力機(jī)。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)滑動(dòng)叉的形狀特點(diǎn)，在傳統(tǒng)整體閉式模鍛的基礎(chǔ)上，結(jié)合擠壓工藝的優(yōu)點(diǎn)，成功的開發(fā)了一套滑動(dòng)叉無飛邊和小飛邊鍛造新工藝。有限元模擬研究表明，與開式模鍛工藝相比，本文提出的無飛邊和小飛邊閉式模鍛新工藝具有鍛件精度高、成形質(zhì)量好、材料利用率高、所需設(shè)備噸位小等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的工業(yè)應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：
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作者簡介：谷志飛，清華大學(xué)機(jī)械工程系2002級碩士研究生，主要研究鍛造工藝CAD/CAE

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