突緣叉熱模鍛工藝及模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)值模擬

文/朱越，孫禮賓·上海交大中京鍛壓有限公司

近些年汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，帶動了鍛造行業(yè)的快速發(fā)展，全球每年生產(chǎn)的鍛件中有將近70%是汽車模鍛件。熱模鍛一般是指將金屬坯料加熱到再結(jié)晶溫度以上，利用模具向金屬坯料施加壓力產(chǎn)生塑性變形，從而獲得合格鍛件的精密鍛造方法。圖1是某型號汽車突緣叉零件的毛坯件，鍛件上設(shè)計有許多裝配、運(yùn)動軌跡所需結(jié)構(gòu)，內(nèi)檔部分不加工且允許變形量較小，鍛件的落差大，特別是異型分模，對分模線和切邊后的殘余毛刺要求高，鍛件的材料為40Cr。在鍛件的開發(fā)過程中使用DEFORM軟件對其成形過程進(jìn)行仿真模擬，并根據(jù)模擬的結(jié)果優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，制定合理的生產(chǎn)工藝。

圖1 某型號汽車突緣叉毛坯

突緣叉熱模鍛工藝設(shè)計

該鍛件的總高為81.5mm，厚度最薄處為12.5 mm，鍛件凈重為2.13kg，投影面積為146cm2。采用的工藝是：下料→中頻加熱爐加熱→鐓粗→預(yù)鍛→終鍛→切邊→冷卻→正火→拋丸。毛坯直徑為φ60mm，鍛造設(shè)備為2500t熱模鍛壓力機(jī)。設(shè)計預(yù)鍛飛邊厚度為4mm，終鍛橋部飛邊厚度為3mm。

數(shù)值模擬過程

在實際生產(chǎn)中鍛造的過程十分復(fù)雜，一個合理的鍛造工藝往往需要考慮很多方面，而其中最重要的則是預(yù)鍛的設(shè)計，若預(yù)鍛成形的坯料幾何形狀和尺寸不能滿足后續(xù)工步對材料分配的需求，則會在鍛造的后續(xù)過程中產(chǎn)生折疊或充不足的缺陷。合理運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)則能大幅度地提高產(chǎn)品一次試制的成功率，縮短開發(fā)的周期，降低生產(chǎn)成本。

數(shù)值模擬參數(shù)的設(shè)置

將造型導(dǎo)入DEFORM軟件中，毛坯的屬性設(shè)置為Plastic（塑性體），材料選擇AISI-5140[1450～2200℉(800～1200℃）]，初始加熱溫度設(shè)為1180℃，網(wǎng)格劃分類型為Absolute（絕對的），Min Element Size（最小單元尺寸）設(shè)置為2，Size Ratio（尺寸比）設(shè)置為2，并將所有面設(shè)置為熱交換面；模具屬性設(shè)為Rigid（剛體），上模在Z軸上的運(yùn)動速度設(shè)為500mm/s，最小單元尺寸設(shè)置為2，摩擦系數(shù)0.3，傳熱系數(shù)11N/s/mm/℃。采用Archard磨損模型計算模具的磨損量，其表達(dá)式為ω=∫KPavb/Hc。式中ω為磨損深度，P為模具表面正壓力，v為運(yùn)動速度，a、b取1，c取2，K=2×10-6，H為模具的硬度，H=48HRC。圖2、圖3分別是預(yù)鍛工序和終鍛工序中坯料擺放的示意圖。

圖2 預(yù)鍛工序示意圖

圖3 終鍛工序示意圖

圖4 “一”形開式結(jié)構(gòu)的模具上模示意圖

圖5 模具上模示意圖

預(yù)鍛模具的設(shè)計方案及演變和改善

設(shè)計預(yù)鍛模過程是不斷優(yōu)化的過程，當(dāng)初開始是設(shè)計成“一”形開式結(jié)構(gòu)的模具，如圖4所示。后來設(shè)計演變成圖5所示的模具上模示意圖，圖5(a）是預(yù)鍛模具的形式，為加強(qiáng)預(yù)鍛上模根部的強(qiáng)度所以采用了“X”形模具開式結(jié)構(gòu)，在造型軟件中用鍛件的最大外輪廓曲線試切邊，該種模具結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的鍛件比“一”形開式結(jié)構(gòu)的模具好，錯移和模具壽命有所提高，但是殘留毛刺也很大，還需要打磨的工序，不僅增加了成本，而且延長了產(chǎn)品的交貨期。

改善后使用“一”形模具框式結(jié)構(gòu)，如圖5(b）所示，該種模具結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的鍛件切邊后殘留飛邊小、切邊帶質(zhì)量好、鍛件錯移小，提高模具壽命。圖6為兩種模具形式鍛件切邊后產(chǎn)生的毛刺對比，圖6(a）中紅圈圈住的是突緣叉?zhèn)让娴臍埩麸w邊、毛刺，圖6(b）中則幾乎無飛邊、毛刺的殘留。但是“一”形結(jié)構(gòu)的模具壽命低，上模根部容易發(fā)生斷裂，在采用了框式結(jié)構(gòu)后可以大幅度增加上模的強(qiáng)度，提高模具的使用壽命。

圖6 兩種模具形式鍛件切邊后產(chǎn)生的毛刺對比

數(shù)值模擬結(jié)果的分析

圖7是該產(chǎn)品數(shù)值模擬的結(jié)果，預(yù)鍛過程中金屬流動合理，預(yù)鍛到終鍛的金屬流動均勻，坯料在該始鍛溫度下充型良好，符合設(shè)計尺寸，無缺陷產(chǎn)生；從該產(chǎn)品的等效應(yīng)力分布云圖上可以看到，應(yīng)力分布均勻，飛邊處的應(yīng)力較大，無明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大的等效應(yīng)力約為363MPa。該產(chǎn)品的載荷-行程曲線如圖8所示，預(yù)鍛變形量大，因此噸位大，約為2150t；終鍛的噸位為1880t。

該產(chǎn)品在實際生產(chǎn)中終鍛上模根部經(jīng)常開裂，壽命不足700件。經(jīng)過再次模擬分析終鍛上模的受力狀態(tài)，終鍛上模根部存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大的等效應(yīng)力達(dá)到3670MPa，如圖9所示。需要對預(yù)鍛模此處進(jìn)行修改，以改善模具應(yīng)力集中的情況，提高模具的使用壽命。

圖7 終鍛等效應(yīng)力分布云圖

圖8 載荷-行程曲線

預(yù)鍛模具的改善與驗證

預(yù)鍛模具改善

造成終鍛上模根部應(yīng)力集中的主要原因為：預(yù)鍛到終鍛的變形量大；預(yù)鍛多余的料從橋部之間溢出，因此根部受到強(qiáng)大的扭矩。

根據(jù)以上兩點降低預(yù)鍛上模型腔的深度以減少變形量；增大根部方向上模塊的厚度以減小扭矩的影響。經(jīng)過改善后終鍛載荷-行程曲線如圖10所示，終鍛的最大噸位約為1440t，與改善前相比明顯降低了成形力。進(jìn)一步分析終鍛上模的等效應(yīng)力分布云圖可知，最大的等效應(yīng)力為3190MPa，根部的應(yīng)力集中現(xiàn)象仍然存在，模具出現(xiàn)裂紋的情況依舊會出現(xiàn)，但已經(jīng)獲得可觀的改善，如圖11所示。

改善后的驗證

在不斷優(yōu)化設(shè)計預(yù)鍛模的過程中，從“一”形開式結(jié)構(gòu)的模具，向“X”形開式結(jié)構(gòu)的模具轉(zhuǎn)化，逐步演變成為“一”形框式結(jié)構(gòu)的模具，根據(jù)改善的方案進(jìn)行生產(chǎn)驗證，產(chǎn)品各處充填良好，尺寸符合圖紙要求，模具的壽命提高了一倍。模具失效時仍然是終鍛上模根部開裂，這進(jìn)一步說明數(shù)值模擬的結(jié)果是可靠的。

圖9 終鍛上模等效應(yīng)力分布云圖

圖10 改善后載荷-行程曲線

圖11 改善后終鍛上模等效應(yīng)力分布云圖

結(jié)論

(1)本文提出的“一”形框式結(jié)構(gòu)的模具比“X”形開式結(jié)構(gòu)的模具合理，模具壽命提高，鍛件錯移也符合產(chǎn)品要求，切邊后鍛件殘余毛刺基本不用打磨。

(2)本文提出的“X”形開式結(jié)構(gòu)的模具比“一”形開式結(jié)構(gòu)的模具合理，模具壽命有所提高，鍛件錯移也符合產(chǎn)品要求，切邊后鍛件殘余毛刺還需要打磨。

(3)本文提出的通過調(diào)整預(yù)鍛模型腔深度，以減少變形量來改善終鍛載荷-行程曲線，明顯降低了終鍛成形力，提高了終鍛模的模具壽命。

(4)落差大的突緣叉類產(chǎn)品可以通過增加根部方向的模塊厚度、減少預(yù)鍛到終鍛的變形量來提高模具壽命。

(5)數(shù)值模擬的結(jié)果是可靠的，可以為實際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。