滑动叉无飞边锻造工艺有限元模拟研究剪切机

滑动叉无飞边锻造工艺有限元模拟研究

滑动叉无飞边锻造工艺有限元模拟研究 2011： 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。关键词：滑动叉 闭式无飞边锻造 有限元模拟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(end)

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