差速器殼體工藝優(yōu)化與改進

文／李云飛，趙玉琳，姬剛，車奇楠，霍威，許勝，呂文鶴，高鑫·內(nèi)蒙古一機集團富成鍛造有限公司

王培吉·內(nèi)蒙古科技大學理學院

為了提高汽車差速器殼體成形質(zhì)量與模具壽命，本文針對差速器殼體成形質(zhì)量難題，采用CAE 軟件Deform 開展仿真研究，通過計算機軟件模擬差速器殼體鍛造金屬塑性成形過程從而代替試模，可以預測模具的填充效果、鍛造負荷、鍛造過程中產(chǎn)生的缺陷，在研發(fā)中優(yōu)化模具設(shè)計。不僅可以在模具制造前預測產(chǎn)品整個成形過程，幫助研判潛在的缺陷問題，而且還提供了從產(chǎn)品設(shè)計到生產(chǎn)的完整解決方案，極大縮短了研發(fā)周期，降低了研發(fā)及生產(chǎn)成本，避免以前設(shè)計人員由主觀設(shè)計模具，然后多次試制、改進，這樣一種不斷試錯的研發(fā)模式，并達到預期效果，圖紙尺寸、表面質(zhì)量、機械性能等各項技術(shù)指標均滿足設(shè)計要求。

產(chǎn)品現(xiàn)狀

差速器殼體(圖1)是我公司在80kJ 設(shè)備上生產(chǎn)的一項材料為40Cr 的主干產(chǎn)品，但產(chǎn)品質(zhì)量一直不穩(wěn)定，模具壽命比較低，只有700 件左右，而且在模具壽命后期由于模具磨損變形，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，在鍛件花瓣處出現(xiàn)折疊傷(圖2)，機加工時內(nèi)部球面留有黑皮形成廢品，因此產(chǎn)品生產(chǎn)成本一直居高不下，通過優(yōu)化工藝提高模具壽命和產(chǎn)品質(zhì)量已經(jīng)刻不容緩。

圖1 鍛件實體

圖2 鍛件折疊傷部位

原因分析

⑴80kJ 設(shè)備只能布置兩工步生產(chǎn)，無法實現(xiàn)多工步生產(chǎn)，制坯工序簡單粗糙，當坯料長度不同或端面不平時，制得的坯料差異較大，制坯件不能和終鍛模膛很好地配合。

⑵該產(chǎn)品有多處花瓣，且制坯分料不均勻，造成成形力不均、錯移大(外表面與球腔內(nèi)部不同軸)，機加工時球腔內(nèi)留有黑皮。

⑶原設(shè)備工作臺面只可以設(shè)置兩道生產(chǎn)工序：鐓粗→終鍛成形。而該項產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復雜，細高筋、凸臺較多，金屬流動劇烈，所有成形力都集中在終鍛模具，造成模具壽命較低。Deform 模擬成形過程中載荷-行程曲線見圖3，最大打擊力為3610t。

圖3 載荷-行程曲線

改進措施

⑴增加制坯、預鍛工序，每個工序過程增加定位結(jié)構(gòu)后可使每一步分料均勻，通過預鍛將材料在終鍛前進行一個很好地分配(圖4)，降低終鍛時材料的流動量和位移，從而降低終鍛模膛的磨損，提高模具壽命。

圖4 生產(chǎn)工序成形模擬

⑵預鍛模、終鍛模增加圓形鎖扣，通過模具鎖扣來抵消錯移力，模具3D 實體造型見圖5。

圖5 模具3D 實體造型

⑶重新設(shè)計鍛件的終鍛結(jié)構(gòu)，對外圓余量減小，對內(nèi)腔余量增大，減小模鍛斜度，在保證產(chǎn)品鍛重不增加的前提下，增大加工留黑皮部位余量。

⑷調(diào)整設(shè)備及生產(chǎn)工序，由在80kJ 設(shè)備上生產(chǎn)改為在2500t 壓力機上生產(chǎn)，增加制坯→預鍛工序，滿足四工步的生產(chǎn)，增加預鍛工序可有效地分料及初部成形，極大地提高了終鍛模具的壽命。

⑸使用激光熔覆手段，提高模具表面質(zhì)量和硬度，提高模具壽命。

實施過程

⑴總方案確定：經(jīng)過分析需增加預鍛工序和模具，而增加預鍛工序后，在80kJ 設(shè)備上則需要進行換模生產(chǎn)，影響生產(chǎn)效率?？紤]到80kJ 設(shè)備的軍品生產(chǎn)任務(wù)繁重，存在產(chǎn)能不足，將生產(chǎn)由在80kJ 設(shè)備上更改為在2500t 設(shè)備上，2500t 設(shè)備成形方式與80kJ設(shè)備不同，2500t 設(shè)備為擠壓一次成形，對各個工序的要求較高，需細化成形過程：各個工序增加定位結(jié)構(gòu)，優(yōu)化每個工序之間的配合，將制坯、預鍛、終鍛進行力量與材料分解，降低終鍛成形力，提升模具壽命。

⑵工藝方案設(shè)計與模擬：如表1 所示，根據(jù)總方案要求，以及《模具設(shè)計手冊》內(nèi)的設(shè)計內(nèi)容及技術(shù)條件，重新設(shè)計鍛造模具(制坯模、預鍛模、終鍛模)，并通過Deform 模擬軟件進行成形分析，結(jié)果顯示成形情況良好且毛邊均勻。

表1 模擬參數(shù)的設(shè)置

通過Deform 模擬軟件對原成形過程以及現(xiàn)有成形過程進行力學分析，通過分析計算得出原工藝方案成形需要的最大打擊力為3610t，改進后方案的最大打擊力1960t(圖6)。通過模擬計算結(jié)果分析，認為該方案可行。

圖6 現(xiàn)工藝方案載荷-行程曲線

結(jié)論

經(jīng)過10000 件批量驗證性生產(chǎn)，鍛件折疊裂紋得以解決；鍛件余量均勻，加工后無黑皮件；模具平均壽命提升到2500 件，廢品率降低至1%以下。綜上所述，改進后的工藝合理且可行。

我公司通過差速器殼體工藝改進與優(yōu)化，不僅積累了一種新類型鍛件的生產(chǎn)經(jīng)驗，從中應(yīng)用并掌握了高精度模具制造、有限元模擬技術(shù)等一系列手段，為以后同類鍛件的生產(chǎn)奠定了良好的基礎(chǔ)。