長桿類差速器閉式熱擠壓工藝研究應(yīng)用

文/韓海河，王麗霞·內(nèi)蒙古一機集團富成鍛造有限公司

鍛造過程是一個復(fù)雜的三維非穩(wěn)態(tài)過程。傳統(tǒng)的鍛造設(shè)計方法借助經(jīng)驗和設(shè)計手冊，輔以工藝試驗來完成，設(shè)計時間長，費用高。近年來，隨著有限元模擬技術(shù)的發(fā)展，其在鍛造設(shè)計中的應(yīng)用越來越成熟。有的提取了工件的幾個關(guān)鍵截面進行了二維模擬，根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化了飛邊；有的應(yīng)用DEFORM2-3D對連桿的閉式鍛造進行了模擬和優(yōu)化，實現(xiàn)了凈成形；還有的應(yīng)用SUPERFORM對連桿的輥鍛制坯過程進行了模擬，得到了鍛件變形過程中的應(yīng)力、應(yīng)變和溫度分布等參數(shù)，以此用來預(yù)測鍛件晶粒尺寸。以上研究分別應(yīng)用不同的有限元商業(yè)軟件對復(fù)雜鍛件成形過程進行模擬，指導(dǎo)鍛造工藝和模具設(shè)計，取得了良好的效果。

差速器殼體是汽車上的重要零件之一，鍛造質(zhì)量將影響后續(xù)裝配精度及使用壽命。圖1為某車型上需求的長桿類差速器殼體。

圖1 差速器殼體粗加工3D實體造型

差速器殼體傳統(tǒng)鍛造方式為80kJ電液錘開式模鍛，鍛造過程存在以下問題：

⑴由于終鍛毛坯截面變化很大，故鍛造過程必須添加輥鍛制坯如圖2所示，生產(chǎn)效率很低。

⑵由于制坯過程中的人為控制及設(shè)備等不穩(wěn)定因素，輥鍛毛坯狀態(tài)差別很大，產(chǎn)品的整體質(zhì)量難以保證，經(jīng)常出現(xiàn)殼體內(nèi)部缺陷及桿部充型不完全的情況。

⑶傳統(tǒng)工藝毛坯余量很大，因此，產(chǎn)品熱處理前必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)拇旨庸すば?，增加了運輸及加工成本。

為了滿足客戶要求及降低成本，工藝組借助有限元分析軟件(DEFORM2-3D)對此項產(chǎn)品進行了分析，重新設(shè)計了合理的鍛件毛坯形狀，制定了相應(yīng)的閉式擠壓工藝。

圖2 開式鍛造工藝輥鍛毛坯及終鍛毛坯

鍛造工藝分析

鍛件終鍛毛坯確定

圖3 閉式擠壓終鍛毛坯

合理的閉式鍛造毛坯會減少鍛造成形難度，并且均勻的機加余量可以縮短后續(xù)的加工周期，減少加工消耗。考慮到燒損量，最終毛坯確定如圖3所示。

下料

坯料的尺寸決定了終鍛成形后是否存在成形不完全或者殘余毛刺等問題。因此，我們利用Pro-e實體成形軟件進行了精確的質(zhì)量計算，確定了坯料尺寸，并利用數(shù)控帶鋸進行下料，進一步限制了坯料長度的波動范圍。

加熱方式

閉式擠壓對坯料的表面質(zhì)量要求較高，傳統(tǒng)的室式爐加熱方式會產(chǎn)生較厚的氧化層，嚴(yán)重影響毛坯的成形質(zhì)量，因此，工藝組確定了中頻加熱方式，設(shè)備選用為200kW中頻加熱爐。

有限元分析

考慮到鍛件截面變化比較大，制定了制坯、預(yù)鍛及終鍛三工步成形的方案。

為了保證終鍛的成形質(zhì)量，閉式模鍛前兩道工序設(shè)計必須滿足以下條件：

⑴坯料分配到位，防止鍛造缺陷的產(chǎn)生。

⑵制坯毛坯與預(yù)鍛模膛，預(yù)鍛毛坯與終鍛模膛必須能夠精確定位，用以保證鍛造過程的穩(wěn)定。

⑶盡量減少成形應(yīng)力，保證模具壽命。

確定工藝前，我們設(shè)計了兩種方案并進行了仿真分析，詳細如圖4、5所示，制坯過程有限元分析參數(shù)見表1。

表1 制坯過程有限元分析參數(shù)

方案一：采用閉式擠壓方式制坯，制坯過程將上下部坯料分配完全，預(yù)鍛過程進一步將毛坯成形。此種方案的優(yōu)點是，各工步成形力均較小，如圖4中a、b所示，制坯成形力為865t，預(yù)鍛成形力為825t。

圖4 工藝方案一

圖5 工藝方案二

方案二：采用開式模鍛方式制坯，制坯工步僅將鍛件上部基本成形，制坯后將毛坯翻轉(zhuǎn)180°置于預(yù)鍛模膛，通過預(yù)鍛模膛的設(shè)計對坯料進行上下分配(制坯過程通過調(diào)整打擊行程避免橫向毛邊的產(chǎn)生)。此種方案的優(yōu)點為，坯料在制坯模中擺放非常穩(wěn)定(制坯模底部尺寸與坯料尺寸相當(dāng))，并且由于采用的是開式制坯方式，制坯過程可以進一步清除毛坯表面的加熱氧化層，制坯和預(yù)鍛過程將坯料分配已趨近均勻，終鍛模壽命將大幅度提高。如圖5所示，此方案制坯成形力為978t，預(yù)鍛成形力為1920t。

工藝組在進行對比時發(fā)現(xiàn)，如按方案一執(zhí)行鍛造工藝，由于采用的是熱模鍛生產(chǎn)，上下模模具必定存在一定的間隙，由圖4中制坯工步模擬成形結(jié)果可知，制坯邊緣(上下模間隙)毛刺的產(chǎn)生是不可避免的，在隨后的預(yù)鍛及終鍛的過程中，這部分毛刺極可能形成鍛件的內(nèi)部缺陷，造成廢品。因此，工藝組決定采用方案二來完成此項產(chǎn)品的技術(shù)改造。終鍛模擬結(jié)果如圖6所示，最大打擊力為2380t。

圖6 終鍛件形狀（左）及模具載荷（右）

確定工藝

由模擬結(jié)果可知，鍛造整體過程打擊力均維持在2500t以下，富成鍛造公司的2500t高能螺旋壓力機通用模架可完成三工步鍛造，設(shè)備相關(guān)主要參數(shù)有，最大打擊能量1000kJ，最大打擊力為4000t，合理打擊力為3500t。由上可知采用2500t壓力機適合此項產(chǎn)品的生產(chǎn)。

最終確定的生產(chǎn)工藝為：數(shù)控高速帶鋸下料→200kW中頻爐加熱→2500t高能螺旋壓力機鍛造。

試制

參照模擬結(jié)果，完善了鍛模設(shè)計，并在2500t高能螺旋壓力機上進行工藝試驗和試生產(chǎn)。改進后，在現(xiàn)場控制得當(dāng)?shù)那闆r下，充型效果非常好，表面質(zhì)量也得到了大幅度提升，并且不會再因內(nèi)部缺陷而造成廢品，生產(chǎn)效率也得到大幅度提升。結(jié)果表明，設(shè)計符合生產(chǎn)要求，目前該工藝已穩(wěn)定用于生產(chǎn)。原毛坯與改進后毛坯對比如圖7a、b所示。

改進前后相關(guān)數(shù)據(jù)對比見表2。

表2 改進前后相關(guān)數(shù)據(jù)對比

圖7 毛坯改進前后對比

結(jié)束語

本文對差速器殼的鍛造工藝進行了改進，將預(yù)、終鍛工序改進為無飛邊閉式模鍛，同時設(shè)計了合理的制坯工步，在螺旋壓力機上實現(xiàn)了復(fù)雜鍛件的鍛造生產(chǎn)，提高了材料利用率和鍛件質(zhì)量，試驗驗證了其正確性。對于類似鍛件的鍛造生產(chǎn)，這種開式模鍛制坯與閉式模鍛相結(jié)合的工藝方法有很好的借鑒意義。

本文結(jié)合實際的鍛造條件，采用合適的有限元模型，進行了差速器殼鍛造過程數(shù)值模擬。結(jié)合塑性成形理論對模擬結(jié)果進行了分析，并基于模擬結(jié)果進行了鍛造工藝模具設(shè)計。這種分析方法可以有效地用于復(fù)雜鍛件的鍛造工藝模具設(shè)計。