基于摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)軸套坯鍛造模擬的有限元分析

盧 杰

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶401331）

0 引言

最近幾年，摩托車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的情況下，企業(yè)必須控制產(chǎn)品成本，從而提高產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。軸套是摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件，它的質(zhì)量好壞直接要影響發(fā)動(dòng)機(jī)能否正常高速旋轉(zhuǎn)。因此嚴(yán)格監(jiān)控軸套生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)提高整車質(zhì)量具有重要的意義。目前大多數(shù)廠商設(shè)計(jì)和生產(chǎn)軸套都還存在一定的問題。首先，依靠工作經(jīng)驗(yàn)或手冊(cè)來(lái)設(shè)計(jì)軸套，不能完全滿足客戶的要求。其次，大多數(shù)生產(chǎn)廠商用鋼棒材料來(lái)生產(chǎn)軸套，成本較高，影響產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。為了降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率，本文探討利用鍛造加工工藝生產(chǎn)軸套的方法。鍛造加工包括開式模鍛和閉式模鍛兩種加工方法，兩種加工方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。使用開式模鍛加工方法，能夠生產(chǎn)形狀復(fù)雜、尺寸較大的鍛件，但是材料利用率較低，飛邊損失較大，鍛件尺寸精確度低。使用閉式模鍛加工方法，能夠生產(chǎn)形狀穩(wěn)定的鍛件，鍛件尺寸的精確度高，材料消耗低，但是成形力大，對(duì)模具和設(shè)備的性能要求高[1]。本文選擇閉式模鍛加工方法來(lái)研究軸套的設(shè)計(jì)和制造方法。

1 軸套模鍛工藝

使用閉式模鍛加工工藝，軸套坯生產(chǎn)過程包括下料、預(yù)鍛、終鍛、沖孔四個(gè)環(huán)節(jié)。本文以一檔軸套坯作為加工對(duì)象，其毛坯設(shè)計(jì)如圖1所示。利用有限元軟件DEFORM-2D工具，模擬軸套坯的成形過程，以觀察鍛件是否均勻變形、成形力是否小于工藝要求、鍛件充形是否飽滿等。其鍛件設(shè)計(jì)如圖2所示，該零件是一個(gè)具有兩個(gè)臺(tái)階且上端面帶有輪輻的回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)件。

圖1 軸套坯鍛件圖

圖2 軸套坯工藝流程圖

2 有限元建模及模擬結(jié)果分析

軸套坯鍛件是回轉(zhuǎn)體，為了減少模擬時(shí)間，只截取二分之一的坯料進(jìn)行分析。先運(yùn)用Aoto CAD軟件進(jìn)行建模，再運(yùn)用模擬軟件DEFORM-2D進(jìn)行有限元模擬，分析其鍛造過程中模具應(yīng)力的分布情況以及鍛件與模具承受的成形力情況，這個(gè)分析結(jié)果是分析制造工藝是否可行的依據(jù)。設(shè)置的有限元模擬參數(shù)如下：坯料材料為20GrMo（其應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示），溫度為1150℃，模具材料為H13，溫度為25℃，坯料與模具的網(wǎng)格數(shù)為3 000。摩擦系數(shù)為0.3，上模速度設(shè)為600mm/s。細(xì)化材料流動(dòng)劇烈的地方進(jìn)行細(xì)化，摩擦條件為剪切摩擦。

圖3 20GrMo材料的應(yīng)力曲線

2.1 有限元預(yù)鍛模擬及結(jié)果分析

將坯料置于預(yù)鍛模具中，并進(jìn)行模擬。預(yù)鍛的目的是更好地分配坯料，降低終鍛過程中產(chǎn)生的變形量，提高終鍛件質(zhì)量和模具壽命[2]，其有限元模型如圖4所示。通過有限元模擬后，其坯料變形網(wǎng)格變化如圖5所示，模具載荷變化曲線如圖6所示，上下模具的最大應(yīng)力分布如圖7所示。

圖4 預(yù)鍛有限元模型

圖5 預(yù)鍛成形網(wǎng)格變化圖

圖6 模具載荷隨行程變化曲線圖

圖7 模具最大應(yīng)力分布圖

從圖5可以看出，預(yù)鍛后發(fā)生了劇烈的變化，但其流線分布合理，網(wǎng)格沒有發(fā)生畸變，成型良好。從圖6的預(yù)鍛載荷分布曲線可以看出，在成形的最后階段，由于加大了充型難度，以充滿型腔，導(dǎo)致成形力上升較快，最大成形力達(dá)到了2390JN，需要進(jìn)行優(yōu)化。從圖7上下模具的最大應(yīng)力曲線看出，應(yīng)力相對(duì)分散，模具的最大主應(yīng)力為1830Mpz[3]。

2.2 有限元終鍛模擬及結(jié)果分析

在預(yù)鍛之后，將預(yù)鍛件置入終鍛模具中，并進(jìn)行模擬，其有限元模型如圖8所示。通過有限元模擬后，其坯料變形網(wǎng)格變化如圖9所示，上下模具的最大應(yīng)力分布如圖10所示。

圖8 終鍛有限元模型

圖9 終鍛成形網(wǎng)格變化圖

從圖9和圖10可以看出，在終鍛成形過程中，網(wǎng)格沒有發(fā)生畸變，說(shuō)明成形良好，終鍛時(shí)最大載荷上升到2936KN，模具的最大主應(yīng)力為1960Mpa。因此終鍛對(duì)設(shè)備和模具要求較高，編制生產(chǎn)工藝時(shí)，可設(shè)計(jì)預(yù)鍛工序來(lái)改善終鍛成形過程中的載荷分布和降低模具應(yīng)力，從而提高模具使用壽命。

圖10 終鍛模具最大應(yīng)力分布圖

3 結(jié)語(yǔ)

（1）利用有限元軟件DEFORM-3D來(lái)對(duì)軸套毛坯成形過程進(jìn)行模擬，并能發(fā)現(xiàn)整個(gè)成形過程中網(wǎng)格、載荷、模具應(yīng)力的變化及分布狀況。

（2）通過有限元模擬表明，軸套毛坯的網(wǎng)格沒有發(fā)生變化，模具應(yīng)力分布分散，毛坯成型良好、穩(wěn)定。

[1]中國(guó)齒輪專業(yè)協(xié)會(huì).中國(guó)齒輪工業(yè)年鑒[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2010.

[2]張發(fā)廷，趙慧穎.大圓錐齒輪鍛件半閉式模鍛工藝研究[J].熱加工工藝，2010，39（15）：90-91;95.

[3]胡于進(jìn)，王璋奇.有限元分析及應(yīng)用有限元分析及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.