滑動叉無飛邊鍛造工藝有限元模擬研究

1、滑動叉無飛邊鍛造工藝有限元模擬研究作者：清華大學機械系 谷志飛 吳伯杰摘要：滑動叉?zhèn)鹘y(tǒng)上采用開式模鍛工藝生產，飛邊大，材料浪費嚴重且尺寸精度差。為了降低鍛件成本，本文針對滑動叉的形狀特征，提出一種少無飛邊模鍛的新工藝，使預制毛坯在封閉的模膛內成形，實現(xiàn)鍛件近凈成形。根據(jù)體積不變原則對計算毛坯進行處理得到預制毛坯。本文應用DEFORM 3D軟件模擬研究了滑動叉無飛邊和小飛邊鍛造工藝過程，模擬驗證結果表明，新工藝顯著地提高了材料利用率和成形質量，降低了鍛造載荷。關鍵詞：滑動叉 閉式無飛邊鍛造 有限元模擬1 前言汽車工業(yè)的發(fā)展對高品質、低成本鍛件的需求不斷上升。轉向萬向節(jié)滑動叉（如圖1所示）是一個重

2、要的汽車零件，其形狀復雜，尺寸精度和形位公差要求高，鍛造工藝性差。目前，國內各主要鍛造廠主要采用開式模鍛工藝進行生產，鍛件成形質量差，材料利用率低 1。工廠迫切需要一種新的加工工藝，以提高成形質量，減少材料浪費，降低成本。圖1 滑動叉鍛件無飛邊鍛造工藝是一種先進的鍛造工藝，通常用于高品質鍛件的生產。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成形，不產生飛邊，節(jié)省材料，成形精度高，可實現(xiàn)鍛件的近凈成形或凈成形2。如圖1所示的滑動叉形狀復雜，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的基礎上，開發(fā)了滑動叉

3、無飛邊閉式模鍛新工藝，以滿足滑動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 flash2 無飛邊鍛模結構設計針對滑動叉的形狀特征，本文設計了一套全新結構的鍛模，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的滑塊上，下沖頭固定在底座上。圖3 鍛模結構Fig.3: Structrue of the Dies圖4所示為鍛造過程中模具動作順序，具體動作如下：i）毛坯1放入下模4的模膛內

4、。ii）滑塊下行，上、下油缸活塞聯(lián)動，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)生墩粗擠壓變形，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 模具動作順序Fig.4: Tooling movement sequence3 無飛邊鍛造過程的有限元分析3.1 預制毛坯設計滑動叉大規(guī)模生產時，通常采用楔橫扎工藝生產預制毛坯。根據(jù)體積不變原則，在滑動叉計算毛坯基礎上，依據(jù)楔橫扎模具設計經驗，設計得到滑動叉的預制毛坯。圖5所示為滑動叉預制毛坯叉部設計。圖6所示為在預制毛坯的幾何

5、參數(shù)。圖5 預制毛坯Fig 5. Preform圖6 預制毛坯的幾何參數(shù)Fig.6: Sketch of perform3.2 滑動叉成型工藝模擬分析根據(jù)滑動叉的形狀和成形的對稱特性，選擇滑動叉的1/4模型進行模擬分析，1/4有限元模型如圖7所示。預制毛坯A處較高（如圖5所示），上下模合模時將被夾緊。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變分布圖，預制毛坯僅在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，夾緊整個預制毛坯大約需要160,000N力。圖8 夾緊工步等效應變分

6、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、預制毛坯尺寸精確）毛坯變形過程中不同時刻的金屬流動狀態(tài)。圖10 滑動叉鍛造過程中金屬流動狀況Fig.10: Material flow in forging of a slide fork由模擬結果可知，在沖頭作用下，預制毛坯的叉部首先被鐓粗，金屬迅速向模膛兩側流動直至接觸模膛側壁，然后隨著沖頭繼續(xù)下壓，金屬向流動阻力最小的叉部凸臺部分的

7、模膛流動，沖頭下面的金屬沿模膛側壁向上流動直至成形完畢。在整個成形過程中，毛坯的變形速度場分布均勻，未出現(xiàn)紊亂，因此整個成形過程不會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，鍛件叉部的應變主要集中在叉部及叉口連皮，而在與桿部相連的部位應變很小。圖11 鍛造過程中滑動叉的速度分布圖Fig.11: Velocity distribution in the forging of a slide fork圖12 叉部應變分布Fig.12: Effective Strain Distribution in fork section成形質量的關鍵在于在整個成形過程中，應嚴格控制金屬流動，盡

8、量保證金屬只沿厚向和徑向流動，在軸向上沒有位移或位移極小。該工藝的實現(xiàn)必須保證精確下料，預制毛坯的長度精度要求較高，坯料放入模腔時在長度方向已經被準確定位，合模夾緊后進一步限制了材料的軸向流動。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，半個滑動叉鍛造所需載荷約為7.4MN，即15MN壓力機即可滿足整個滑動叉鍛造成形要求。圖13 滑動叉鍛造載荷曲線Fig.13: Punch force curve of forging a slide fork4 小飛邊閉式模鍛工藝模擬滑動叉閉式無飛邊模鍛工藝具有極高的材料利用率，但該工藝采用的預制毛坯體積精度要求極高，致使預制毛坯加工費用較高。為

9、了降低預制毛坯的加工費用、提高材料利用率，本文還設計了滑動叉小飛邊閉式模鍛工藝。4.1 小飛邊鍛模結構設計在滑動叉無飛邊模鍛工藝的基礎上，本文還提出了小飛邊模鍛工藝（飛邊約占毛坯體積的2）。小飛邊鍛模的結構與無飛邊鍛模的結構相同，只是在上下模叉口底側中間分模位置增加了一個小飛邊結構，如圖14所示。模具的動作與無飛邊鍛模相同。圖14 飛邊結構Fig.14: Flash Structure/div4.2 小飛邊模鍛工藝模擬分析預制毛坯體積比圖6所示毛坯體積增大1。圖15所示為滑動叉叉部分析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

10、型過程中金屬流動狀況。由圖16可知，小飛邊鍛造工藝中金屬的流動狀況與無飛邊鍛造工藝中相似，當沖頭下行26mm時，叉口底部靠近飛邊橋部的金屬受足夠大的壓力，開式向飛邊橋部運動，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狀況Fig.16: Material flow in fork section圖17 叉部等效應變分布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阻力較大，致使滑動叉成

11、型所需載荷稍稍增大，整個滑動叉成型所需載荷達到17.2MN。圖18 滑動叉鍛造載荷行程曲線Fig.18: force curve of forging a slide fork作為對比，計算了該滑動叉開式模鍛所需載荷?；瑒硬驽懠L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，查相應圖表得值為65N/mm2。根據(jù)錘上模鍛噸位經驗計算公式4：計算得G24930N，即此滑動叉鍛件開式模鍛需要25MN壓力機。5 結束語本文根據(jù)滑動叉的形狀特點，在傳統(tǒng)整體閉式模鍛的基礎上，結合擠壓工藝的優(yōu)點，成功的開發(fā)了一套滑動叉無

12、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、成形質量好、材料利用率高、所需設備噸位小等優(yōu)點，具有很好的工業(yè)應用前景。參考文獻：1 趙家勤. 滑動叉鍛造工藝改進M. 汽車工藝與材料 , 1995 , (11)：592 E. Doege, R. Bohnsack. Closed die technologies for hot forgingJ. Journal of Materials Processing Technology 98 (2000) ：1651703 T.阿爾坦等. 現(xiàn)代鍛造設備、材料和工藝M. 北京：國防工業(yè)出版社，19824 張志文. 鍛造工藝學M. 西安：西北工業(yè)大學出版社，19885 洪深澤. 擠壓工藝及模具設計M. 北京：機械工業(yè)出版社，19966 Victor Vazquez, Taylan Altan. Die design for Fashless forging of complex partsJ. Journal of Materials Processing Technology 98 (2000) ：81897 T. Takemasu, V. Vazquez, T. Altan. In