汽車(chē)盤(pán)體零件小飛邊模鍛成形工藝開(kāi)發(fā)及數(shù)值分析

萬(wàn) 軼，陳 林

(1.南京曉莊學(xué)院 環(huán)境科學(xué)學(xué)院，南京 211171； 2.江蘇神通閥門(mén)股份有限公司，江蘇 南通 226232)

隨著疫情逐漸得到控制，汽車(chē)市場(chǎng)整體復(fù)蘇，對(duì)汽車(chē)零件的需求也在不斷提高，但同時(shí)原材料價(jià)格、人工成本、制造成本、運(yùn)輸成本等同樣在提高，因此企業(yè)要想提升自身的競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)盈利，生產(chǎn)的產(chǎn)品就必須做到高產(chǎn)能、高質(zhì)量、低成本。本文研究的汽車(chē)盤(pán)體零件過(guò)去采用的是機(jī)加工成形或經(jīng)兩步鍛造成形，其中機(jī)加工方式，生產(chǎn)效率較低、零件質(zhì)量穩(wěn)定性較差、精度低，并且材料使用率僅為26.9%，而兩步鍛造成形，設(shè)備及模具成本較高,在當(dāng)前的形勢(shì)下，顯然無(wú)法取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

Deform-3D是一種集建模、變形、熱傳遞等于一體的工藝模擬工具[1]，在擠壓、沖壓、鍛造、軋制、旋壓、楔橫軋等塑性成形領(lǐng)域應(yīng)用頗多[2-6]，能夠按用戶(hù)的不同設(shè)置、不同需求獲取不同信息，例如材料流動(dòng)、載荷變化、溫度變化、晶粒度變化、模具磨損、應(yīng)力應(yīng)變情況、回彈情況、缺陷產(chǎn)生過(guò)程等許多有價(jià)值的數(shù)據(jù)，及時(shí)反映出工藝的不足，實(shí)現(xiàn)缺陷的可預(yù)測(cè)[7-9]，從而有目標(biāo)的改進(jìn)工藝，避免了大量的試驗(yàn)成本。

基于上述分析，本文提出了一種小飛邊模鍛成形工藝，并通過(guò)Deform-3D有限元數(shù)值分析進(jìn)行研究，通過(guò)仿真進(jìn)行缺陷預(yù)測(cè)從而改進(jìn)工藝，并將模擬試驗(yàn)與生產(chǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，以期能有效地提升工藝開(kāi)發(fā)效率和工藝的可靠性。

1 汽車(chē)盤(pán)體零件結(jié)構(gòu)及工藝分析

本文研究的汽車(chē)盤(pán)體零件的結(jié)構(gòu)及尺寸如圖1所示，屬于回轉(zhuǎn)體零件，上部為階梯型盲孔結(jié)構(gòu)，盲孔底部存在環(huán)形凸臺(tái)，凸臺(tái)高度6 mm;中部為法蘭結(jié)構(gòu)，直徑為160 mm，厚度為10 mm;下部存在錐形盲孔結(jié)構(gòu)，屬于復(fù)雜類(lèi)零件。鍛造時(shí)，上、下兩端難成形區(qū)域極易產(chǎn)生鍛不足缺陷，若采用閉式鍛造[10-11]，能顯著提高零件的性能和材料使用率，并能避免鍛不足缺陷，但模具負(fù)載較大，導(dǎo)致模具壽命較低，因此綜合分析后，采用小飛邊模鍛工藝。

圖1 汽車(chē)盤(pán)體零件結(jié)構(gòu)及尺寸(單位：mm)Fig.1 Structure and dimensions of automobile disc parts: (a) disc part model; (b) dimensions

小飛邊模鍛與閉式模鍛相比，同樣能有效提高零件質(zhì)量、生產(chǎn)效率和材料使用率，同時(shí)由于飛邊槽的存在，模具負(fù)載相對(duì)要小，模具壽命較高。但是飛邊槽結(jié)構(gòu)的選擇非常關(guān)鍵，設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)影響阻流效果[12-13]，仍會(huì)產(chǎn)生鍛不足缺陷，或者無(wú)法達(dá)到模具降負(fù)的目的，因此必須通過(guò)Deform-3D有限元數(shù)值分析進(jìn)行檢驗(yàn)，提前預(yù)判零件的成形效果，以便進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。研究中使用的3種飛邊槽結(jié)構(gòu)如圖2所示，分別為普通結(jié)構(gòu)(圖2(a))、溝式結(jié)構(gòu)(圖2(b))及墻式結(jié)構(gòu)(圖2(c))，按阻流能力大小排列為：墻式結(jié)構(gòu)>溝式結(jié)構(gòu)>普通結(jié)構(gòu)。

圖2 不同的飛邊槽結(jié)構(gòu)及尺寸(單位：mm)Fig.2 Structure and dimensions of different flash groove : (a) common; (b) ditch; (c) wall

2 建模和數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

2.1 Deform-3D參數(shù)設(shè)置及模型建立

利用UG完成各飛邊槽結(jié)構(gòu)的模具造型，并與坯料完成裝配，其中坯料體積為零件體積、飛邊體積與燒損體積之和。盤(pán)體零件材料為45鋼，選擇坯料屬性為塑性體；模具材料為SKD61模具鋼，選擇模具屬性為剛性體。同時(shí)，將坯料及模具離散化為四面體網(wǎng)格單元，并對(duì)微小特征做局部的細(xì)化以提高模擬的精度[14]。以圖3溝式飛邊槽結(jié)構(gòu)為例，溝槽尺寸相對(duì)較小，若不細(xì)化，無(wú)法顯示該特征，使模擬結(jié)果失去參考價(jià)值，圖中建立的是1/4結(jié)構(gòu)，能有效地提升數(shù)值計(jì)算速度。3種結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)置及模擬條件保持一致，關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1所示。

圖3 溝式飛邊槽結(jié)構(gòu)的有限元模型Fig.3 Finite element model of ditch flash groove structure

表1 鍛造關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置Table 1 Forging parameters setting

2.2 模擬結(jié)果對(duì)比分析

2.2.1 零件填充質(zhì)量對(duì)比

圖4所示為普通飛邊槽結(jié)構(gòu)下零件的成形過(guò)程圖，圖中顯示節(jié)點(diǎn)的部位表示該部位與模具接觸(與上模接觸為綠色節(jié)點(diǎn)，與下模接觸為藍(lán)色節(jié)點(diǎn)，無(wú)接觸不顯示節(jié)點(diǎn))。圖4(a)坯料在上模的施壓下產(chǎn)生變形，材料大部分向下端流動(dòng)，以填充下部錐形盲孔結(jié)構(gòu)為主。隨著坯料與下模接觸的部分越來(lái)越大，導(dǎo)致阻力變大，材料向下流動(dòng)量減小，材料更多的向阻力較小的上部和水平方向流動(dòng)(圖4(b))，開(kāi)始填充上部階梯型盲孔和中部法蘭。隨后坯料與上模接觸的部分也越來(lái)越大，材料填充難度增加，材料以水平流動(dòng)為主，并充滿(mǎn)水平型腔，多余的金屬開(kāi)始流入飛邊槽，見(jiàn)圖4(c)所示。受到飛邊槽作用后，水平方向流動(dòng)阻力增加，促使材料繼續(xù)往上下兩端填充，最終成形結(jié)果見(jiàn)圖4(d)所示，零件下部充填完整，而圖中上部圈出薄壁部位依舊出現(xiàn)了未充滿(mǎn)的現(xiàn)象，說(shuō)明普通飛邊槽結(jié)構(gòu)無(wú)法提供足夠的飛邊槽阻力，導(dǎo)致過(guò)多材料外流出現(xiàn)缺料。

圖4 普通飛邊槽結(jié)構(gòu)下零件的成形過(guò)程Fig.4 Forming process of parts with common flash groove structure: (a) forming 30%; (b) forming 60%; (c) forming 92%; (d) forming 100%

在溝式飛邊槽結(jié)構(gòu)和墻式飛邊槽結(jié)構(gòu)下，零件的成形過(guò)程與普通飛邊槽結(jié)構(gòu)的成形過(guò)程完全相同，區(qū)別在于成形最后階段提供的阻力大小不同，圖5所示為溝式飛邊槽結(jié)構(gòu)及墻式飛邊槽結(jié)構(gòu)下的零件填充結(jié)果，可明顯看出兩種結(jié)構(gòu)均能解決上部薄壁部位未充滿(mǎn)的問(wèn)題。

圖5 溝式和墻式飛邊槽結(jié)構(gòu)下的零件填充結(jié)果Fig.5 Part filling results under ditch and wall flash groove structures: (a) ditch; (b) wall

2.2.2 鍛造成形力分析

圖6所示分別為普通飛邊槽結(jié)構(gòu)、溝式飛邊槽結(jié)構(gòu)以及墻式飛邊槽結(jié)構(gòu)下鍛造成形力的曲線變化圖。在材料進(jìn)入飛邊槽之前，3種結(jié)構(gòu)的鍛造成形力增長(zhǎng)速度和大小差別不大，見(jiàn)圖中點(diǎn)A1、B1、C1所示，分別為1.116×106、1.120×106和1.134×106N；而材料進(jìn)入飛邊槽之后，鍛造成形力需要克服飛邊槽的阻力幫助材料流動(dòng)，因此開(kāi)始迅速增長(zhǎng)，到零件完全填充成形時(shí)，3種結(jié)構(gòu)的最大成形力分別為5.950×106、7.574×106以及1.195×107N，見(jiàn)圖中A2、B2、C2所示。顯然，普通飛邊槽的限流作用明顯小于溝式及墻式飛邊槽，也導(dǎo)致了圖4中最終出現(xiàn)的充不滿(mǎn)缺陷；墻式飛邊槽結(jié)構(gòu)的限流能力最強(qiáng)，需要更大的成形力才能將多余材料排除，與溝式相比，成形力增加了57.8%。但是，從上述成形結(jié)果分析來(lái)看，溝式結(jié)構(gòu)完全能達(dá)到成形目的，而相比于溝式結(jié)構(gòu)，墻式結(jié)構(gòu)對(duì)模具、設(shè)備的要求更高，不利于降低成本。

圖6 鍛造成形力的曲線變化情況Fig.6 Curve of forging forming force: (a) common; (b) ditch; (c) wall

2.2.3 鍛模磨損對(duì)比

圖7分別給出了普通飛邊槽結(jié)構(gòu)、溝式飛邊槽結(jié)構(gòu)及墻式飛邊槽結(jié)構(gòu)下鍛模各部位的磨損情況。

圖7 上下模磨損深度分布情況Fig.7 Wear depth distribution of upper and lower die: (a) upper die (common); (b) lower die (common); (c) upper die (ditch); (d) lower die (ditch); (e) upper die (wall); (f) lower die (wall)

從圖中可見(jiàn)，溝式結(jié)構(gòu)上模磨損深度最大部位在圖7(c)中L3處，在填充上部階梯型盲孔時(shí)，該部位與坯料存在劇烈摩擦，深度最大達(dá)到5.04×10-6mm；溝式結(jié)構(gòu)下模磨損深度最大部位在圖7(d)中L4處，該部位率先與坯料接觸，并長(zhǎng)期處于劇烈磨損中，深度最大達(dá)到5.40×10-6mm。墻式結(jié)構(gòu)上模磨損深度最大部位在圖7(e)中L5處，受飛邊槽阻力的影響，加劇了坯料與法蘭型腔處的摩擦，深度最大達(dá)到6.23×10-6mm；墻式結(jié)構(gòu)下模磨損深度最大部位在圖7(f)中L6處，該拐角部位對(duì)材料流動(dòng)起到了主要的限制作用，與坯料摩擦非常劇烈，深度最大達(dá)到7.08×10-6mm。很顯然，采用溝式飛邊槽結(jié)構(gòu)，上、下模受到的磨損更小，處于同等條件中，模具使用壽命能提高20%～30%。普通飛邊槽結(jié)構(gòu)的上模及下模最大磨損部位分別見(jiàn)圖7(a)中L1處和圖7(b)中L2處，最大磨深分別為4.62×10-6和5.29×10-6mm，其磨損均要小于溝式及墻式飛邊槽，模具壽命雖然長(zhǎng)，但無(wú)法成形飽滿(mǎn)的零件。

2.2.4 零件成形質(zhì)量分析

圖8給出了溝式飛邊槽結(jié)構(gòu)下成形零件的等效應(yīng)力分布圖和溫度分布圖。圖8(a)中可以看出，階梯型盲孔結(jié)構(gòu)的端部應(yīng)力較大，最大應(yīng)力為400 MPa，這是因?yàn)槎瞬孔铍y成形，是最易出現(xiàn)充不滿(mǎn)缺陷的部位，而飛邊槽對(duì)材料的約束促進(jìn)了材料向最難填充的端部流動(dòng)，因此端部應(yīng)力較大，說(shuō)明該部位材料與上模已完全接觸，受到了上模型腔的約束而無(wú)法流動(dòng)，表明材料已充滿(mǎn)型腔，階梯型盲孔結(jié)構(gòu)完全成形；其次，零件內(nèi)部等效應(yīng)力分布均勻度情況良好，能有效降低內(nèi)部缺陷產(chǎn)生的概率，從而保證了零件的質(zhì)量。從圖8(b)中可以看出，成形末期，多余材料需要從飛邊槽排出，該處材料變形最為劇烈，溫升顯著，因此飛邊處溫度最高，達(dá)到1 070 ℃。而零件內(nèi)部溫度相對(duì)較高是由于不與空氣、模具直接接觸熱交換慢造成的，與實(shí)際情況一致。其他部位越早與模具接觸，溫度損失越快，階梯型盲孔端部最晚成形，溫度較其他部位要高。除飛邊外，零件鍛后溫度主要分布在770～990 ℃區(qū)域內(nèi)，內(nèi)外溫差較小，溫度分布較為合理。鍛件冷卻時(shí)，因鍛件表面溫度與內(nèi)部溫度冷卻速率不一致，會(huì)引起溫度應(yīng)力，主要表現(xiàn)為前期表面受拉應(yīng)力，內(nèi)部受壓應(yīng)力，到末期表面受壓應(yīng)力，內(nèi)部受拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致裂紋缺陷的產(chǎn)生。但零件表層和內(nèi)部冷卻速差較小，因此產(chǎn)生的溫度應(yīng)力較小，不會(huì)超過(guò)材料的強(qiáng)度極限，出現(xiàn)開(kāi)裂缺陷的可能性較低。

圖8 溝式飛邊槽結(jié)構(gòu)下的零件成形情況Fig.8 Part forming under ditch flash groove structure: (a) equivalent stress distribution; (b) temperature distribution

3 鍛件生產(chǎn)驗(yàn)證

根據(jù)上述分析結(jié)果，采用溝式飛邊槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行模具的制造生產(chǎn)，并通過(guò)1000T模鍛設(shè)備進(jìn)行樣件的生產(chǎn)，潤(rùn)滑液選擇水基石墨乳，飛邊切除和表面處理后，得到的汽車(chē)盤(pán)體零件樣件如圖9所示，外表面沒(méi)有細(xì)小裂紋等缺陷。經(jīng)檢驗(yàn)驗(yàn)證，零件上端頂部外徑為Φ89.98 mm，內(nèi)徑為Φ80.03 mm，階梯盲孔直徑為Φ68.01 mm，階梯盲孔深度分別為12.02和17.99 mm，下端底部外徑為Φ67.50 mm，內(nèi)徑為Φ50.03 mm，下端盲孔深度為37.98 mm，均在尺寸公差范圍內(nèi)。表明上、下兩端難成形部位均能完全充填，實(shí)現(xiàn)完整成形，其余參數(shù)也能達(dá)到指標(biāo)。與機(jī)加工成形相比，材料使用率從26.9%增長(zhǎng)到了89.8%， 降低了材料成本；與兩步鍛造成形相比，降低了模具成本，目前已進(jìn)行批量生產(chǎn)。鍛模經(jīng)大量鍛造后，隨著磨損的累積，后期鍛件的超差率會(huì)明顯上升，以此為界，統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)鍛件數(shù)作為鍛模壽命，并取多套模具的壽命作為平均值，從而確定鍛模壽命在23 800件左右。

圖9 汽車(chē)盤(pán)體零件試制件Fig.9 Trial production of automobile disc parts: (a) upper end of part; (b) lower end of part

4 結(jié) 論

1)針對(duì)汽車(chē)盤(pán)體零件目前生產(chǎn)工藝成本高、效率低的問(wèn)題，提出了一種小飛邊模鍛工藝，并通過(guò)Deform-3D模擬及物理試驗(yàn)對(duì)該工藝的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證。

2)對(duì)比了3種飛邊槽結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明：采用普通結(jié)構(gòu)，零件上端會(huì)出現(xiàn)缺料現(xiàn)象，而采用溝式結(jié)構(gòu)和墻式結(jié)構(gòu)，均能獲得填充完整的零件，但溝式結(jié)構(gòu)需要的鍛造成形力更小，對(duì)模具及設(shè)備的要求更低；其次鍛模磨損也更小，鍛模使用壽命能提高20%～30%。

3)溝式飛邊槽結(jié)構(gòu)成形的零件內(nèi)部等效應(yīng)力分布均勻度較好，鍛后溫度區(qū)間770～990 ℃，內(nèi)外溫差較小，溫度分布較為合理，有效降低了內(nèi)部缺陷產(chǎn)生的概率。