滑动叉无飞边锻造基本工艺有限元模拟研究应用.doc

滑动叉无飞边锻造工艺有限元模仿研究作者：清华大学机械系 谷志飞 吴伯杰摘要：滑动叉老式上采用开式模锻工艺生产，飞边大，材料挥霍严重且尺寸精度差。为了减少锻件成本，本文针对滑动叉形状特性，提出一种少无飞边模锻新工艺，使预制毛坯在封闭模膛内成形，实现锻件近净成形。依照体积不变原则对计算毛坯进行解决得到预制毛坯。本文应用DEFORM 3D软件模仿研究了滑动叉无飞边和小飞边锻造工艺过程，模仿验证成果表白，新工艺明显地提高了材料运用率和成形质量，减少了锻造载荷。核心词：滑动叉 闭式无飞边锻造 有限元模仿1 前言汽车工业发展对高品质、低成本锻件需求不断上升。转向万向节滑动叉（如图1所示）是一种重要汽车零件，其形状复杂，尺寸精度和形位公差规定高，锻造工艺性差。当前，国内各重要锻造厂重要采用开式模锻工艺进行生产，锻件成形质量差，材料运用率低 1。工厂迫切需要一种新加工工艺，以提高成形质量，减少材料挥霍，减少成本。图1 滑动叉锻件无飞边锻造工艺是一种先进锻造工艺，通惯用于高品质锻件生产。如图2所示，与有飞边锻造工艺相比，无飞边锻造工艺中锻件在封闭模腔内成形，不产生飞边，节约材料，成形精度高，可实现锻件近净成形或净成形2。如图1所示滑动叉形状复杂，并且叉杆部截面呈圆形，老式整体闭式模锻工艺难以实现无飞边锻造。本文在研究老式无飞边锻造工艺3,4和挤压工艺5基本上，开发了滑动叉无飞边闭式模锻新工艺，以满足滑动叉无飞边锻造规定。图2 开式与无飞边闭式模锻工艺对比Fig.2：Compare between open-die forging with flash and closed-die forging without flash2 无飞边锻模构造设计针对滑动叉形状特性，本文设计了一套全新构造锻模，以满足无飞边锻造规定。模具由上、下模和冲头三大某些构成，如图3所示。上冲头安装在压力机滑块上，下冲头固定在底座上。图3 锻模构造Fig.3：Structrue of the Dies图4所示为锻造过程中模具动作顺序，详细动作如下：i）毛坯1放入下模4模膛内。ii）滑块下行，上、下油缸活塞联动，使上模3和下模4相接触，对上下模施加合模力，形成封闭模腔，夹紧预压毛坯1。iii）滑块继续下行，上、下油缸压力不变，叉部毛坯金属在上下冲头作用下发生墩粗挤压变形，直至布满模膛。模具由上、下模和冲头三大某些构成，如图3所示。图4 模具动作顺序Fig.4：Tooling movement sequence3 无飞边锻造过程有限元分析3.1 预制毛坯设计滑动叉大规模生产时，普通采用楔横扎工艺生产预制毛坯。依照体积不变原则，在滑动叉计算毛坯基本上，根据楔横扎模具设计经验，设计得到滑动叉预制毛坯。图5所示为滑动叉预制毛坯叉部设计。图6所示为在预制毛坯几何参数。图5 预制毛坯Fig 5. Preform图6 预制毛坯几何参数Fig.6：Sketch of perform3.2 滑动叉成型工艺模仿分析依照滑动叉形状和成形对称特性，选取滑动叉1/4模型进行模仿分析，1/4有限元模型如图7所示。预制毛坯A处较高（如图5所示），上下模合模时将被夹紧。夹紧分析输入参数如表1所示。表1夹紧工步输入参数图7 FE分析模型Fig7：FE Simulation model图8所示为夹紧后毛坯等效应变分布图，预制毛坯仅在A处浮现很小变形。图9所为夹紧过程载荷行程曲线。由图9可知，夹紧整个预制毛坯大概需要160,000N力。图8 夹紧工步等效应变分布Fig.8：Effective Strain Distribution of holding process图9 夹紧工步载荷行程曲线Fig.9：Punch force curve of holding process图10所示为在抱负状态下（精密下料、预制毛坯尺寸精准）毛坯变形过程中不同步刻金属流动状态。图10 滑动叉锻造过程中金属流动状况Fig.10：Material flow in forging of a slide fork由模仿成果可知，在冲头作用下，预制毛坯叉部一方面被镦粗，金属迅速向模膛两侧流动直至接触模膛侧壁，然后随着冲头继续下压，金属向流动阻力最小叉部凸台某些模膛流动，冲头下面金属沿模膛侧壁向上流动直至成形完毕。在整个成形过程中，毛坯变形速度场分布均匀，未浮现紊乱，因而整个成形过程不会存在折叠缺陷且成形完全。如图12所示，在冲头下压过程中，锻件叉部应变重要集中在叉部及叉口连皮，而在与杆部相连部位应变很小。图11 锻造过程中滑动叉速度分布图Fig.11：Velocity distribution in the forging of a slide fork图12 叉部应变分布Fig.12：Effective Strain Distribution in fork section成形质量核心在于在整个成形过程中，应严格控制金属流动，尽量保证金属只沿厚向和径向流动，在轴向上没有位移或位移极小。该工艺实现必要保证精准下料，预制毛坯长度精度规定较高，坯料放入模腔时在长度方向已经被准拟定位，合模夹紧后进一步限制了材料轴向流动。图13所示为锻造过程载荷行程曲线。由载荷行程曲线可知，半个滑动叉锻造所需载荷约为7.4MN，即15MN压力机即可满足整个滑动叉锻导致形规定。图13 滑动叉锻造载荷曲线Fig.13：Punch force curve of forging a slide fork4 小飞边闭式模锻工艺模仿滑动叉闭式无飞边模锻工艺具备极高材料运用率，但该工艺采用预制毛坯体积精度规定极高，致使预制毛坯加工费用较高。为了减少预制毛坯加工费用、提高材料运用率，本文还设计了滑动叉小飞边闭式模锻工艺。4.1 小飞边锻模构造设计在滑动叉无飞边模锻工艺基本上，本文还提出了小飞边模锻工艺（飞边约占毛坯体积2）。小飞边锻模构造与无飞边锻模构造相似，只是在上下模叉口底侧中间分模位置增长了一种小飞边构造，如图14所示。模具动作与无飞边锻模相似。图14 飞边构造Fig.14：Flash Structure/div4.2 小飞边模锻工艺模仿分析预制毛坯体积比图6所示毛坯体积增大1。图15所示为滑动叉叉某些析1/4有限元分析模型。图15有限元分析模型Fig.15：FE simulation model图16所示为成型过程中金属流动状况。由图16可知，小飞边锻造工艺中金属流动状况与无飞边锻造工艺中相似，当冲头下行26mm时，叉口底部接近飞边桥部金属受足够大压力，开式向飞边桥部运动，形成飞边。金属布满型腔完毕后，随着冲头继续下行，多余金属通过飞边桥部流向仓部。图16 叉部成型过程中金属流动状况Fig.16：Material flow in fork section图17 叉部等效应变分布Fig.17：Effective Strain in fork section图18所示为小飞边锻造过程中锻造载荷行程曲线。由图可知为了保证毛坯成型完整，飞边桥部高度较低，金属向飞边桥部流动阻力较大，致使滑动叉成型所需载荷稍稍增大，整个滑动叉成型所需载荷达到17.2MN。图18 滑动叉锻造载荷行程曲线Fig.18：force curve of forging a slide fork作为对比，计算了该滑动叉开式模锻所需载荷。滑动叉锻件长度L件为21cm，水平投影面积（含叉口连皮和飞边面积）为340cm2，即换算直径D件和平均宽度B均分别为20.8cm和16.3cm，查相应图表得值为65N/mm2。依照锤上模锻吨位经验计算公式4：计算得G24930N，即此滑动叉锻件开式模锻需要25MN压力机。5 结束语本文依照滑动叉形状特点，在老式整体闭式模锻基本上，结合挤压工艺长处，成功开发了一套滑动叉无飞边和小飞边锻造新工艺。有限元模仿研究表白，与开式模锻工艺相比，本文提出无飞边和小飞边闭式模锻新工艺具备锻件精度高、成形质量好、材料运用率高、所需设备吨位小等长处，具备较好工业应用前景。参照文献：1 赵家勤. 滑动叉锻造工艺改进M. 汽车工艺与材料 ，1995 ，(11)：592 E. Doege，R. Bohnsack. Closed die technologies for hot forgingJ. Journal of Materials Processing Technology 98 () ：1651703 T.阿尔坦等. 当代锻造设备、材料和工艺M. 北京：国防工业出版社，19824 张志文. 锻造工艺学M. 西安：西北工业大学出版社，19885 洪深泽. 挤压工艺及模具设计M. 北京：机械工业出版社，19966 Victor Vazquez，Taylan Altan. Die design for Fashless forging of complex partsJ. Journal of Materials Processing Technology 98 () ：81897 T. Takemasu，V. Vazquez，T. Altan. Investigation of metal flow and preform optimization in flashless forging of a connecting rodJ. Journal of materials Processing Technology 1996,(59)：95-105作者简介：谷志飞，清华大学机械工程系级研究生研究生，重要研究锻造工艺CAD/CAE(end)