汽車差速內(nèi)齒圈的鍛壓工藝模擬

王傳輝，鄧子玉，李艷娟，劉勁松

(沈陽理工大學材料科學與工程學院，遼寧沈陽110159)

目前，大部分汽車類零件的鍛造工藝還停留在傳統(tǒng)型生產(chǎn)模式，實驗成本較高，設計研發(fā)周期較長，產(chǎn)品研發(fā)效率有待提高［1－2］。本文結合某企業(yè)生產(chǎn)設計需要，利用有限元數(shù)值模擬技術對汽車差速內(nèi)齒圈鍛壓工藝進行模擬，通過鍛壓速度、鍛壓溫度對數(shù)值模擬結果中的加載力、等效應力、等效應變、溫度等分布規(guī)律的分析，確定合理的鍛壓速度、鍛壓溫度，為實際設計提供一定的參考數(shù)據(jù)，同時可判斷企業(yè)現(xiàn)有的生產(chǎn)設備能否滿足生產(chǎn)需要。該鍛壓工藝采用大型有限元數(shù)值模擬軟件 MSC.MARC對不銹鋼(X10CrNiMoTi18_10)鍛壓數(shù)值模擬，通過建立五組鍛壓速度和四組鍛壓溫度對該工藝進行模擬，研究鍛壓過程中鍛壓速度、鍛壓溫度對鍛壓過程中加載力、等效應力、等效應變以及金屬流動的影響規(guī)律。采用有限元技術可以提高模具設計效率，節(jié)約實驗成本。

1 鍛壓工藝

1.1 鍛模的設計

圖1為汽車差速內(nèi)齒圈零件圖。由圖1可知墊片上下成形并不對稱，在鍛壓過程中，環(huán)形坯料上下金屬流動不均，內(nèi)側(cè)金屬向內(nèi)側(cè)流動，墊片內(nèi)邊緣和外邊緣弧度處較難充型，分模面的位置直接影響工件充型性能和組織性能。在鍛壓能力有限的條件下，如何確定合理的分模面，選擇合理的鍛壓溫度和鍛壓速度，以滿足企業(yè)鍛壓設備的鍛壓能力，是設計所要解決的問題。該工藝采用帶有飛邊槽的鍛壓模［3］(如圖2所示)。

圖1 汽車差速內(nèi)齒圈零件圖

圖2 MARC中的建模示意圖

1.2 鍛壓方案

該工藝主要研究鍛壓速度和鍛壓溫度對金屬等效應力、等效應變、金屬流動等方面的影響規(guī)律。利用有限元軟件MSC.MARC進行模擬，由于此零件是軸對稱零件，為節(jié)省模擬計算時間，結合金屬塑性成形原理，可將模型簡化成2D模型進行模擬［4－10］，取二維模型的1/2進行建模。模型示意圖如圖2所示。考慮到鍛壓溫度范圍以及設備的鍛壓能力，制定鍛壓方案:分別在溫度900℃、1000℃、1100℃、1200℃，速度為 5mm/s、10mm/s、15mm/s、20mm/s、25mm/s情況下進行鍛壓工藝模擬。

該鍛壓工藝所采用的材料是不銹鋼(X10CrNiMoTi18-10)，在有限元軟件MSC.MARC 2010的材料庫中對應本構關系模型如圖3所示。

圖3 本構關系模型

2 結果分析

2.1 加載力分析

由金屬塑性成形理論可知，在一定速度范圍內(nèi)，隨著鍛壓速度的增加，加載力逐漸增大;若鍛壓速度繼續(xù)增大則加載力出現(xiàn)了降低，通常降低的程度很小;速度繼續(xù)增大，加載力也增大。從加工硬化的角度分析，在一定速度范圍內(nèi)，隨著鍛壓速度的增加，工件內(nèi)部組織出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象，阻礙金屬變形，為使金屬繼續(xù)變形，必須增大加載力，繼續(xù)增大速度，使溫度在一定范圍內(nèi)增加;溫度增加從而使金屬抵抗變形的能力減小，加載力減小，且溫度增加使金屬內(nèi)部組織出現(xiàn)了回復再結晶現(xiàn)象，在一定程度上也減少了加工硬化;由于加載時間短暫，內(nèi)部組織來不及回復再結晶轉(zhuǎn)化，故這種降低加工硬化的程度較小;而加載力在一定溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的增加而降低。

當溫度為900℃和1200℃時，加載力隨著鍛壓速度的增加出現(xiàn)先增加后降低的趨勢，但在900℃時，這種變化幅度較小，在1200℃時這種變化趨勢較為顯著，表明在較高溫度下鍛壓時，加工硬化較小;當溫度為1000℃和1100℃時，加載力隨著鍛壓速度的增加出現(xiàn)了先增加再降低最后再增加的趨勢，且溫度為1100℃時，這種現(xiàn)象更顯著，其變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 鍛壓速度與加載力的關系圖

2.2 等效應力分析

在鍛壓過程中，坯料內(nèi)部所受到的應力狀態(tài)為三向壓應力狀態(tài)。在一定鍛壓速度范圍內(nèi)，隨著鍛壓速度的增加等效應力逐漸減小，鍛壓速度越大，三向壓應力狀態(tài)較接近，致等效應力越小。保持鍛壓速度不變，隨著鍛壓溫度的增加，等效應力逐漸減小;鍛壓溫度增加，使變形抗力減小，致各向應力均勻，使等效應力減小。其變化趨勢如圖5所示。

圖5 等效應力的關系圖

2.3 等效應變分析

等效應變的數(shù)據(jù)處理方法和等效應力的處理方法相同，進行數(shù)據(jù)導出，節(jié)點路徑方向的等效應變先增加后減小再增加再減小，基本上以最中間節(jié)點為對稱軸，上下對稱。選擇沿Y方向位移最大的數(shù)據(jù)進行分析，對應各鍛壓溫度，隨著鍛壓速度的增加總體趨勢是等效應變逐漸減小，而在鍛壓溫度為1100℃和1200℃時，在較大鍛壓速度下等效應變出現(xiàn)了回升;保持鍛壓速度不變，隨著鍛壓溫度的增加，等效應變逐漸減小，其變化趨勢如圖6所示。

圖6 等效應變的關系圖

2.4 金屬流動分析

根據(jù)金屬流動規(guī)律，金屬總是向最小阻力方向流動。該鍛壓工藝首先以上下模具壓著內(nèi)側(cè)金屬，使其向內(nèi)側(cè)流動，此時外側(cè)金屬阻礙金屬向外側(cè)流動。由于該汽車差速內(nèi)齒圈上下不對稱，與上模具接觸的坯料，在軸向鍛壓力作用下，沿徑向往內(nèi)外流動，由于外側(cè)金屬對內(nèi)側(cè)金屬向外流動形成一定程度的阻礙，坯料內(nèi)側(cè)阻礙較小，金屬更多流向內(nèi)側(cè);內(nèi)側(cè)在軸向較大作用力的情況下，出現(xiàn)了較大的金屬流動，在分模面處出現(xiàn)了毛刺。與下模具接觸處的金屬沿徑向流動規(guī)律和與上模具接觸處的金屬流動規(guī)律基本相同;沿軸向的金屬流動，由于下模具固定，對內(nèi)側(cè)金屬流動阻礙較大，故內(nèi)側(cè)金屬軸向流動較小，外側(cè)軸向阻礙較小，故外側(cè)金屬流動較大。金屬流動云圖如圖7所示。

圖7 金屬流動云圖

某企業(yè)實際生產(chǎn)所用的是500t的液壓機?？紤]該鍛壓工藝中工件處于三向壓應力狀態(tài)，較小的等效應力和等效應變可以得到較好組織性能，較高鍛壓溫度、鍛壓速度的等效應力和等效應變較小，此時可選擇較高鍛壓溫度和較大鍛壓速度，同時，較大的鍛壓速度可提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。在1100℃和1200℃下鍛壓，組織性能相差不大，高溫增加生產(chǎn)成本，故取鍛壓溫度1100℃，鍛壓速度20～25mm/s。

3 結論

1)鍛壓速度的影響規(guī)律:在一定鍛壓速度范圍內(nèi)，隨著鍛壓速度的增加，加載力總體趨勢先增加后降低;等效應力和等效應變均緩慢減小;金屬逐漸易于流動。在鍛壓速度為20～25mm/s的范圍內(nèi)較適于鍛壓生產(chǎn)。

2)鍛壓溫度的影響規(guī)律:隨著鍛壓溫度的增加，等效應力和等效應變均逐漸減小;在鍛壓速度為20～25mm/s、鍛壓溫度1100℃時，能在500t液壓機上生產(chǎn)。

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