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滑动叉无飞边锻造工艺有限元模拟研究

2008-5-29 15:03:03
来源：金属加工在线
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关键词：滑动叉,,闭式无飞边锻造,,有限元模拟
文献摘要：滑动叉传统上采用开式模锻工艺生产，飞边大，材料浪费严重且尺寸精度差。为了降低锻件成本，本文针对滑动叉的形状特征，提出一种少无飞边模锻的新工艺，使预制毛坯在封闭的模膛内成形，实现锻件近净成形。根据体积不变原则对计算毛坯进行处理得到预制毛坯。本文应用DEFORM 3D软件模拟研究了滑动叉无飞边和小飞边锻造工艺过程，模拟验证结果表明，新工艺显著地提高了材料利用率和成形质量，降低了锻造载荷。

1 前言

汽车工业的发展对高品质、低成本锻件的需求不断上升。转向万向节滑动叉（如图1所示）是一个重要的汽车零件，其形状复杂，尺寸精度和形位公差要求高，锻造工艺性差。目前，国内各主要锻造厂主要采用开式模锻工艺进行生产，锻件成形质量差，材料利用率低 [1]。工厂迫切需要一种新的加工工艺，以提高成形质量，减少材料浪费，降低成本。

图1 滑动叉锻件

无飞边锻造工艺是一种先进的锻造工艺，通常用于高品质锻件的生产。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的模腔内成形，不产生飞边，节省材料，成形精度高，可实现锻件的近净成形或净成形［2］。

如图1所示的滑动叉形状复杂，而且叉杆部截面呈圆形，传统的整体闭式模锻工艺难以实现无飞边锻造。本文在研究传统无飞边锻造工艺[3,4]和挤压工艺[5]的基础上，开发了滑动叉无飞边闭式模锻新工艺，以满足滑动叉的无飞边锻造的要求。

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 flash

2 无飞边锻模结构设计

针对滑动叉的形状特征，本文设计了一套全新结构的锻模，以满足无飞边锻造的要求。模具由上、下模和冲头三大部分组成，如图3所示。上冲头安装在压力机的滑块上，下冲头固定在底座上。

图3 锻模结构
Fig.3: Structrue of the Dies

图4所示为锻造过程中模具动作顺序，具体动作如下：

i）毛坯1放入下模4的模膛内。
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，叉部毛坯的金属在上下冲头的作用下发生墩粗挤压变形，直至充满模膛。模具由上、下模和冲头三大部分组成，如图3所示。

图4 模具动作顺序
Fig.4: Tooling movement sequence

3 无飞边锻造过程的有限元分析

3.1 预制毛坯设计

滑动叉大规模生产时，通常采用楔横扎工艺生产预制毛坯。根据体积不变原则，在滑动叉计算毛坯基础上，依据楔横扎模具设计经验，设计得到滑动叉的预制毛坯。图5所示为滑动叉预制毛坯叉部设计。图6所示为在预制毛坯的几何参数。

图5 预制毛坯
Fig 5. Preform

图6 预制毛坯的几何参数
Fig.6: Sketch of perform

3.2 滑动叉成型工艺模拟分析

根据滑动叉的形状和成形的对称特性，选择滑动叉的1/4模型进行模拟分析，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所示为夹紧后毛坯的等效应变分布图，预制毛坯仅在A处出现很小的变形。图9所为夹紧过程的载荷－行程曲线。由图9可知，夹紧整个预制毛坯大约需要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所示为在理想状态下（精密下料、预制毛坯尺寸精确）毛坯变形过程中不同时刻的金属流动状态。

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

由模拟结果可知，在冲头作用下，预制毛坯的叉部首先被镦粗，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的叉部凸台部分的模膛流动，冲头下面的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，毛坯的变形速度场分布均匀，未出现紊乱，因此整个成形过程不会存在折叠缺陷且成形完全。如图12所示，在冲头下压的过程中，锻件叉部的应变主要集中在叉部及叉口连皮，而在与杆部相连的部位应变很小。

图11 锻造过程中滑动叉的速度分布图
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

成形质量的关键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。该工艺的实现必须保证精确下料，预制毛坯的长度精度要求较高，坯料放入模腔时在长度方向已经被准确定位，合模夹紧后进一步限制了材料的轴向流动。

图13所示为锻造过程的载荷－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造成形要求。

图13 滑动叉锻造载荷曲线
Fig.13: Punch force curve of forging a slide fork

4 小飞边闭式模锻工艺模拟

滑动叉闭式无飞边模锻工艺具有极高的材料利用率，但该工艺采用的预制毛坯体积精度要求极高，致使预制毛坯加工费用较高。为了降低预制毛坯的加工费用、提高材料利用率，本文还设计了滑动叉小飞边闭式模锻工艺。

4.1 小飞边锻模结构设计

在滑动叉无飞边模锻工艺的基础上，本文还提出了小飞边模锻工艺（飞边约占毛坯体积的2％）。小飞边锻模的结构与无飞边锻模的结构相同，只是在上下模叉口底侧中间分模位置增加了一个小飞边结构，如图14所示。模具的动作与无飞边锻模相同。

图14 飞边结构
Fig.14: Flash Structure/div

4.2 小飞边模锻工艺模拟分析

预制毛坯体积比图6所示毛坯体积增大1％。图15所示为滑动叉叉部分析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的流动状况与无飞边锻造工艺中相似，当冲头下行26mm时，叉口底部靠近飞边桥部的金属受足够大的压力，开式向飞边桥部运动，形成飞边。金属充满型腔完毕后，随着冲头继续下行，多余的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（含叉口连皮和飞边的面积）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。

根据锤上模锻吨位经验计算公式[4]：

计算得G＝24930N，即此滑动叉锻件开式模锻需要25MN压力机。

5 结束语

本文根据滑动叉的形状特点，在传统整体闭式模锻的基础上，结合挤压工艺的优点，成功的开发了一套滑动叉无飞边和小飞边锻造新工艺。有限元模拟研究表明，与开式模锻工艺相比，本文提出的无飞边和小飞边闭式模锻新工艺具有锻件精度高、成形质量好、材料利用率高、所需设备吨位小等优点，具有很好的工业应用前景。

参考文献：
[1] 赵家勤. 滑动叉锻造工艺改进［M］. 汽车工艺与材料 , 1995 , (11)：5~9
[2] E. Doege, R. Bohnsack. Closed die technologies for hot forging［J］. Journal of Materials Processing Technology 98 (2000) ：165－170
[3] T.阿尔坦等. 现代锻造设备、材料和工艺［M］. 北京：国防工业出版社，1982
[4] 张志文. 锻造工艺学［M］. 西安：西北工业大学出版社，1988
[5] 洪深泽. 挤压工艺及模具设计［M］. 北京：机械工业出版社，1996
[6] Victor Vazquez, Taylan Altan. Die design for Fashless forging of complex parts［J］. Journal of Materials Processing Technology 98 (2000) ：81－89
[7] T. Takemasu, V. Vazquez, T. Altan. Investigation of metal flow and preform optimization in flashless forging of a connecting rod［J］. 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2002级硕士研究生，主要研究锻造工艺CAD/CAE

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