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发布时间:2023-11-10 23:50:20 阅读: 来源:气泡袋厂家

滑动叉无飞边锻造工艺有限元模拟研究

摘要:滑动叉传统上采用开式模锻工艺生产,飞边大,材料浪费严重且尺寸精度差。为了降低锻件成本,本文针对滑动叉的形状特征,提出一种少无飞边模锻的新工艺,使预制毛坯在封闭的模膛内成形,实现锻件近净成形。根据体积不变原则对计算毛坯进行处理得到预制毛坯。本文应用DEFORM 3D软件模拟研究了滑动叉无飞边和小飞边锻造工艺过程,模拟验证结果表明,新工艺显著地提高了材料利用率和成形质量,降低了锻造载荷。

关键词:滑动叉 闭式无飞边锻造 有限元模拟

1 前言

汽车工业的发展对高品质、低成本锻件的需求不断上升。转向万向节滑动叉(如图1所示)是一个重要的汽车零件,其形状复杂,尺寸精度和形位公差要求构成、汽配、新能源汽车1体化发展高,锻造工艺性差。目前,国内各主要锻造厂主要采用开式模锻工艺进行生产,锻件成形质量差,材料利用率低 [1]。工厂迫切需要一种新的加工工艺,以提高成形质量,减少材料浪费,降低成本。

图1 滑动叉锻件

无飞边锻造工艺是一种先进的锻造工艺,通常用于高品质锻件的生产。如图2所示,与有飞边锻造工艺相比,无飞边锻造工艺中锻件在封闭的模腔内成形,不产生飞边,节省材料,成形精度高,可实现锻件的近净成形或净成形[2]。

如图1所示的滑动叉形状复杂,而且叉杆部截面呈圆形,传统的整体闭式模锻工艺难以实现无飞边锻造。本文在研究传统无飞边锻造工艺[3,4]和挤压工艺[5]的基础上,开发了滑动叉无飞边闭式模锻新工艺,以满足滑动叉的无飞边锻造的要求。

图2 开式与无飞边闭式模锻工艺对比

Fig.2: Compare between open-die forging with flash and closed-die forging without flash

2 无飞边锻模结构设计

针对滑动叉的形状特征,本文设计了一套全新结构的锻模,以满足无飞边锻造的要求。模具由上、下模和冲头三大部分组成,如图3所示。上冲头安装在压力机的滑块上,下冲头固定在底座上。

图3 锻模结构

Fig.3: Structrue of the Dies

图4所示为锻造过程中模具动作顺序,具体动作如下:

i)毛坯1放入下模4的模膛内。

ii)滑块下行,上、下油缸活塞联动,使上模3和下模4相接触,对上下模施加合模力,形成封闭模腔,夹紧预压毛坯1。

iii)滑块继续下行,上、下油缸压力不变,叉部毛坯的金属在上下冲头的作用下发生墩粗挤压变形,直至充满模膛。模具由上、下模和冲头三大部分组成,如图3所示。

图4 模具动作顺序

Fig.4: Tooling movement sequence

3 无飞边锻造过程的有限元分析

3.1 预制毛坯设计

滑动叉大规模生产时,通常采用楔横扎工艺生产预制毛坯。根据体积不变原则,在滑动叉计算毛坯基础上,依据楔横扎模具设计经验,设计得到滑动叉的预制毛坯。图5所示为滑动叉预制毛坯叉部设计。图6所示为在预制毛坯的几何参数。

图5 预制毛坯

Fig 5. Preform

图6 预制毛坯的几何参数

Fig.6: Sketch of perform

3.2 滑动叉成型工艺模拟分析

根市场信心回升据滑动叉的形状和成形的对称特性,选择滑动叉的压实机1/4模型进行模拟分析,1/4有限元模型如图7所示。预制毛坯A处较高(如图5所示),上下模合模时将被夹紧。夹紧分析输入参数如表1所示。表1夹紧工步输入参数

图7 FE分析模型

Fig7: FE Simulation model

图8所示为夹紧后毛坯的等效应变分布图,预制毛坯仅在A处出现很小的变形。图9所为夹紧过程的载荷-行程曲线。由图9可知,夹紧整个预制毛坯大约需要160,000N力。

图8 夹紧工步等效应变分布

Fig.8: Effective Strain Distribution of holding process

图9 夹紧工步载荷行程曲线

Fig.9: Punch force curve of holding process

图10所示为在理想状态下(精密下料、预制毛坯尺寸精确)毛坯变形过程中不同时刻的金属流动状态。

图10 滑动叉锻造过程中金属流动状况

Fig.10: Material flow in forging of a slide fork

由模拟结果可知,在冲头作用下,预制毛坯的叉部首先被镦粗,金属迅速向模膛两侧流动直至接触模膛侧壁,然后随着冲头继续下压,金消泡剂属向流动阻力最小的叉部凸台部分的模膛流动,冲头下面的金属沿模膛侧壁向上流动直至成形完毕。在整个成形过程中,毛坯的变形速度场分布均匀,未出现紊乱,因此整个成形过程不会存在折叠缺陷且成形完全。如图12所示,在冲头下压的过程中,锻件叉部的应变主要集中在叉部及叉口连皮,而在与杆部相连的部位应变很小。

图11 锻造过程中滑动叉的速度分布图

Fig.11: Velocity distribution in the forging of a slide fork

图12 叉部应变分布

Fig.12:永济 Effective Strain Distribution in fork section

成形质量的关键在于在整个成形过程中,应严格控制金属流动,尽量保证金属只沿厚向和径向流动,在轴向上没有位移或位移极小。该工艺的实现必须保证精确下料,预制毛坯的长度精度要求较高,坯料放入模腔时在长度方向已经被准确定位,合模夹紧后进一步限制了材料的轴向流动。

图13所示为锻造过程的载荷-行程曲线。由载荷-行程曲线可知,半个滑动叉锻造所需载荷约为7.4MN,即15MN压力机即可满足整个滑动叉锻造成形要求。

图13 滑动叉锻造载荷曲线

Fig.13: Punch force curve of forging a slide fork

4 小飞边闭式模锻工艺模拟

滑动叉闭式无飞边模锻工艺具有极高的材料利用率,但该工艺采用的预制毛坯体积精度要求极高,致使预制毛坯加工费用较高。为了降低预制毛坯的加工费用、提高材料利用率,本文还设计了滑动叉小飞边闭式模锻工艺。

4.1 小飞边锻模结构设计

在滑动叉无飞边模锻工艺的基础上,本文还提出了小飞边模锻工艺(飞边约占清洗设备毛坯体积的2%)。小飞边锻模的结构与无飞边锻模的结构相同,只是在上下模叉口底侧中间分模位置增加了一个小飞边结构,如图14所示。模具的动作与无飞边锻模相同。

图14 飞边结构

Fig.14: Flash Structure/div

4.2 小飞边模锻工艺模拟分析

预制毛坯体积比图6所示毛坯体积增欧盟新法规的实行大1%。图15所示为滑动叉叉部分析1/4有限元分析模型。

图15有限元分析模型

Fig.15: FE simulation model

图16所示为成型过程中金属流动状况。由图16可知,小飞边锻造工艺中金属的流动状况与无飞边锻造工艺中相似,当冲头下行26mm时,叉口底部靠近飞边桥部的金属受足够大的压力,开式向飞边桥部运动,形成飞边。金属充满型腔完毕后,随着冲头继续下行,多余的金属通过飞边桥部流向仓部。

图16 叉部成我们和客户共同合作以改良其产品的设计、生产、市场吸引力和性能型过程中金属流动状况

Fig.16: Material flow in fork section

图17 叉部等效应变分布

Fig.17: Effective Strain in fork section

图18所示为小飞边锻造过程中锻造载荷-行程曲线。由图可知为了保证毛坯成型完整,飞边桥部高度较低,金属向飞边桥部流动阻力较大,致使滑动叉成型所需载荷稍稍增大,整个滑动叉成型所需载荷达到17.2MN。

图18 滑动叉锻造载荷行程曲线

Fig.18: force curve of forging a slide fork

作为对比,计算了该滑动叉开式模锻所需载荷。滑动叉锻件长度L件为21cm,水平投影面积(含叉口连皮和飞边的面积)为340cm2,即换算直径D件和平均宽度B均分别为20.8cm和16.3cm,查相应图表得值为65N/mm2。

根据锤上模锻吨位经验计算公式[4]:

计算得G=24930N,即此滑动叉锻件开式模锻需要25MN压力机。

5 结束语

本文根据滑动叉的形状特点,在传统整体闭式模锻的基础上,结合挤压工艺的优点,成功的开发了一套滑动叉无飞边和小飞边锻造新工艺。有限元模拟研究表明,与开式模锻工艺相比,本文提出的无飞边和小飞边闭式模锻新工艺具有锻件精度高、成形质量好、材料利用率高、所需设备吨位小等优点,具有很好的工业应用前景。

参考文献:

[1] 赵家勤. 滑动叉锻造工艺改进[M]. 汽车工艺与材料 , 1995 , (11):5~9

[2] E. Doege, R. Bohnsack. Closed die technologies for hot forging[J]. Journal of Materials Processing Technology 98 (2000) :165-170

[3] T.阿尔坦等. 现代锻造设备、材料和工艺[M]. 北京:国防工业出版社,1982

[4] 张志文. 锻造工艺学[M]. 西安:西北工业大学出版社,1988

[5] 洪深泽. 挤压工艺及模具设计[M]. 北京:机械工业出版社,1996

[6] Victor Vazquez, Taylan Altan. Die design for Fashless forging of complex parts[J]. Journal of Materials Processing Technology 98 (2000) :81-89

[7] T. Takemasu, V. Vazquez, T. Altan. Investigation of metal flow and preform optimization in flashless forging of a connecting rod[J]. Journal of materials Processing Technology 1996,(59):

作者简介:谷志飞,清华大学机械工程系2002级硕士研究生,主要研究锻造工艺CAD/CAE(end)

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