基于數(shù)值模擬技術(shù)的內(nèi)齒圈鍛造工藝優(yōu)化

文／郭家雄，沈軍艦，沈鵬，蘭芳·武漢新威奇科技有限公司

在鍛造成形領(lǐng)域，有限元數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)成為新產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的重要手段之一，越來(lái)越多的企業(yè)也要求技術(shù)人員熟練掌握和使用有限元數(shù)值模擬方法。在與一些同行交流的時(shí)候我們發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)企業(yè)的技術(shù)人員都能熟練地操作數(shù)值模擬軟件，但是利用軟件來(lái)指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)的效果卻并不理想。

鍛造企業(yè)采用有限元數(shù)值模擬方法主要有兩大需求：一是在接到新產(chǎn)品時(shí)采用模擬仿真軟件計(jì)算鍛造成形力、成形能量，以此來(lái)評(píng)估現(xiàn)有設(shè)備能否滿足生產(chǎn)；二是在新產(chǎn)品模具設(shè)計(jì)時(shí)采用模擬仿真軟件，分析鍛件成形過(guò)程中的應(yīng)力分布狀況和折疊風(fēng)險(xiǎn)趨勢(shì)，為工藝參數(shù)和模具形狀的修改提供理論依據(jù)。在實(shí)際生產(chǎn)中尤其是在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，往往會(huì)出現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)不符的情況，當(dāng)這種情況出現(xiàn)時(shí)，我們?cè)撊绾纹平獠⑿拚撬屑夹g(shù)人員面臨的一個(gè)重大難題。本文以內(nèi)齒圈鍛件的工藝開(kāi)發(fā)為例，探究數(shù)值模擬技術(shù)與實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證相結(jié)合的鍛造工藝優(yōu)化方法，為數(shù)值模擬技術(shù)服務(wù)于新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供指導(dǎo)建議。

鍛件工藝分析

內(nèi)齒圈屬于工程機(jī)械鍛件，如圖1 所示。鍛件材料采用40Cr 鋼，鍛件上部碗口外輪廓直徑φ386mm，碗底外輪廓直徑φ147mm，鍛件總高146mm，鍛件重量46.3kg。鍛件型腔較深，底部壁厚小于20mm，復(fù)雜系數(shù)為0.34，等級(jí)為S2，成形具有一定難度。另外，該鍛件底部中心有一直徑φ95mm 的圓孔，需要熱沖孔成形。

圖1 鍛件模型

根據(jù)以往回轉(zhuǎn)體鍛件的鍛造經(jīng)驗(yàn)，該鍛件的鍛造工藝路線制定為：下料→加熱→鐓粗→成形→沖孔。

工藝數(shù)值模擬

鍛造工藝路線制定后，采用Deform 有限元軟件對(duì)鍛件鐓粗、成形工序進(jìn)行模擬分析，并參照模擬結(jié)果制定鍛造工藝參數(shù)。

建立模型

根據(jù)已制定的工藝路線，分別建立鍛件平板鐓粗模型(圖2)和閉式鍛造模型(圖3)。

圖2 鐓粗模型

圖3 成形模型

模擬參數(shù)設(shè)定

設(shè)定坯料加熱溫度為1160℃，模具溫度為250℃。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式P=k×A(P 為鍛件成形力，k 為鍛件難易程度系數(shù)，A 為鍛件投影面積)，大致估算出所需鐓粗力P1 ≈14000kN，終鍛成形力P2 ≈60000kN。因此，運(yùn)動(dòng)參數(shù)中鐓粗工序選用2000t 液壓機(jī)，成形工序選用J58K-4000 型電動(dòng)螺旋壓力機(jī)。液壓機(jī)最終壓制速度為75mm/s，電動(dòng)螺旋壓力機(jī)打擊速度為600mm/s。

模擬結(jié)果分析

將直徑φ170mm、高度280mm的棒料壓制成厚度為65mm 的圓餅，如圖4 所示。鐓粗過(guò)程中未見(jiàn)坯料彎折，鐓粗后鍛件形狀圓潤(rùn)，材料分布均勻。成形過(guò)程中鍛件充型能力較好，且無(wú)折疊現(xiàn)象發(fā)生，最終成形結(jié)果如圖5 所示，模擬結(jié)果中設(shè)備成形力及設(shè)備成形參數(shù)均在所選用設(shè)備參數(shù)范圍之內(nèi)，鍛造風(fēng)險(xiǎn)小，成功率比較高。

圖4 鐓粗結(jié)果

圖5 成形結(jié)果

成形模具設(shè)計(jì)

考慮到模具體積較大，制作成本較高，模具各部分失效情況也不盡相同，將模具設(shè)計(jì)為分體結(jié)構(gòu)，如圖6 所示，以達(dá)到降低模具成本的目的。

圖6 模具結(jié)構(gòu)圖

模具做分體結(jié)構(gòu)主要遵循的原則：⑴磨損情況不一致處作分體；⑵容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的位置做分體；⑶應(yīng)力突變處做分體；⑷排氣不暢處做分體。

第一次生產(chǎn)驗(yàn)證

實(shí)際生產(chǎn)中，采用圓盤鋸下料，中頻感應(yīng)加熱爐加熱，采用2000t 液壓機(jī)進(jìn)行平板鐓粗，J58K-4000型電動(dòng)螺旋壓力機(jī)進(jìn)行終鍛成形，500t 閉式單點(diǎn)壓力機(jī)沖孔。生產(chǎn)驗(yàn)證內(nèi)齒圈鍛造后試件如圖7 和圖8所示。

圖7 鐓粗后試件

圖8 終鍛成形試件

從圖7 中可以看出，內(nèi)齒圈坯料在平板鐓粗后材料分布極不均勻(見(jiàn)圖7 中黃線區(qū)域)，盡管在實(shí)際鐓粗過(guò)程中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的模具失穩(wěn)現(xiàn)象，但是鐓粗后的鍛件并沒(méi)有呈現(xiàn)預(yù)期的圓餅狀，而是類橢圓形，且橢圓形的最大直徑φ380mm，最小直徑僅有φ360mm。從圖8 中可以看出，終鍛成形后鍛件碗口邊緣左側(cè)出現(xiàn)毛刺而右側(cè)出現(xiàn)未充滿的現(xiàn)象(圖8 中黃線區(qū)域)。

上述實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證與數(shù)值模擬結(jié)果差異較大，大家一般都會(huì)認(rèn)為，這是由于鍛造過(guò)程是一種復(fù)雜的變形過(guò)程，簡(jiǎn)單的數(shù)值模擬軟件計(jì)算精度本來(lái)就不高，其模擬結(jié)果對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)缺乏指導(dǎo)意義。因此，很多技術(shù)人員放棄了采用數(shù)值模擬軟件作為指導(dǎo)工具，轉(zhuǎn)而采用傳統(tǒng)的“人工試錯(cuò)法”來(lái)調(diào)整試模方案，但是這種方法耗時(shí)費(fèi)力，并不能提高新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)效率。

驗(yàn)證結(jié)果討論

當(dāng)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果出現(xiàn)較大偏差的時(shí)候，需要進(jìn)行正向和逆向?qū)Ρ确治觥?/p>

正向分析

從數(shù)值模擬角度出發(fā)，檢查模擬時(shí)選用的材料參數(shù)、加熱溫度、模具溫度、環(huán)境溫度、傳熱系數(shù)、潤(rùn)滑條件等邊界條件，以及需要考慮所選用的力學(xué)模型是否合適。

逆向分析

從實(shí)際生產(chǎn)因素出發(fā)，檢查實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的參數(shù)是否達(dá)到了模擬中所設(shè)置的條件，加熱溫度是否合適，加熱溫度的均勻性是否合格，模具的溫度是否合格等各種條件。

經(jīng)過(guò)仔細(xì)檢查和對(duì)比分析后，我們得出的結(jié)論是由于中頻感應(yīng)加熱爐在加熱時(shí)棒料上下兩端溫差及心表溫差不均勻，材料的變形速率不一致，從而導(dǎo)致平板鐓粗后鍛件形狀失穩(wěn)。在實(shí)際鐓粗后肉眼也見(jiàn)到鍛件的上下部位有明顯的溫度顏色差異，實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)鍛件上下部位溫差大于100℃。但是，在實(shí)際生產(chǎn)中所采用的中頻感應(yīng)加熱爐短期內(nèi)無(wú)法整改到滿足要求，因此我們需要采用其他方法來(lái)保證鍛件的順利生產(chǎn)。

工藝方案優(yōu)化

為了解決鐓粗后鍛件形狀失穩(wěn)的問(wèn)題，我們對(duì)鐓粗模具進(jìn)行了優(yōu)化，即將平板鐓粗改進(jìn)為半閉式鐓粗。為了縮減鐓粗模具的設(shè)計(jì)時(shí)間，同樣采用Deform 軟件進(jìn)行模擬仿真，經(jīng)過(guò)多次分析后確定了半閉式鐓粗模具的最優(yōu)方案。其他工藝參數(shù)和工藝路徑保持不變。優(yōu)化后鐓粗模具結(jié)構(gòu)如圖9 所示。

圖9 半閉式鐓粗模具結(jié)構(gòu)

優(yōu)化后生產(chǎn)驗(yàn)證

采用半閉式鐓粗模具成形可以將鐓粗后鍛件形狀進(jìn)行規(guī)整，同時(shí)克服了采用閉式鐓粗時(shí)鐓粗力過(guò)大的弊端。優(yōu)化模具方案后，生產(chǎn)的鍛件符合圖紙的設(shè)計(jì)要求，終鍛成形后的合格鍛件如圖10 所示，鍛件碗口邊緣圓角全部充滿且無(wú)任何毛刺。

圖10 合格鍛件