仇偉,王天舒,梁鶴,張?jiān)?紀(jì)小虎

(合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,合肥230009)

星形套冷態(tài)閉塞式精鍛成形分析

仇偉,王天舒,梁鶴,張?jiān)?紀(jì)小虎

(合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,合肥230009)

目的 提出星形套冷精鍛成形工藝優(yōu)化方案,提高模具使用壽命,對(duì)生產(chǎn)操作進(jìn)行規(guī)范。方法 分析零件結(jié)構(gòu),確定了合理的分模面;運(yùn)用數(shù)值模擬方法,選取不同的沖頭進(jìn)給速度和沖頭形狀,對(duì)星形套冷精鍛成形過程進(jìn)行了模擬分析。結(jié)果 獲得了冷精鍛成形過程中沖頭進(jìn)給速度和沖頭形狀對(duì)溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、金屬速度場(chǎng)、工作載荷和模具壽命的影響。結(jié)論 通過分析沖頭進(jìn)給速度和沖頭形狀對(duì)星形套成形的影響,并對(duì)其進(jìn)行控制和優(yōu)化,得出了最優(yōu)工藝參數(shù)區(qū)間,為實(shí)際生產(chǎn)提供了參考依據(jù)和理論指導(dǎo)。

星形套;冷態(tài)閉塞式精鍛;數(shù)值模擬;工藝優(yōu)化;模具壽命

星形套是車用等速驅(qū)動(dòng)軸的重要組成零件之一,每輛車用2件,市場(chǎng)需求量大。星形套的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,并且對(duì)尺寸精度、表面質(zhì)量、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能要求嚴(yán)格,成形時(shí)充填過程復(fù)雜、材料流動(dòng)性差、產(chǎn)品質(zhì)量與模具壽命不易保證[1—4]。又由于零件結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性,造成星形套鍛件與模具發(fā)生干涉,難以取出,其鍛造難度為A級(jí)[5]。

目前,我國(guó)星形套制造主要采用冷態(tài)閉塞式精鍛技術(shù),但由于加工過程中變形程度大,模具型腔復(fù)雜,模具使用壽命僅為3000次左右,最壞的情況下甚至只有1000次左右,而國(guó)外同種工藝,模具使用壽命接近10 000次,與國(guó)外相比有相當(dāng)大的差距[6—8]。加工時(shí)工藝參數(shù)對(duì)模具使用壽命有很大的影響,但在實(shí)際加工中,工藝參數(shù)的確定主要依靠技術(shù)人員的摸索和反復(fù)的工藝驗(yàn)證,這種方法周期長(zhǎng)、費(fèi)用高,此外冷態(tài)閉塞式精鍛模具是封閉的,試驗(yàn)過程中的隨機(jī)干擾因素較多,難以觀察并得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù),造成資源浪費(fèi)和研制周期加長(zhǎng),而且工藝試驗(yàn)所確定的參數(shù)往往并不是最佳的。針對(duì)這一現(xiàn)狀,采用有限元數(shù)值模擬方法,對(duì)星形套成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬[9],較全面地獲得星形套冷精鍛成形過程中沖頭進(jìn)給速度和沖頭形狀的影響,并對(duì)其進(jìn)行控制和優(yōu)化,為實(shí)際生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

1 工藝分析

某型號(hào)星形套零件圖如圖 1所示,材料為20CrMnTi,由圖1可知,內(nèi)形球道底面(最大截面記為A-A面)與外形球面(最大截面記為B-B面)的最大截面不在同一豎直面上,因此,常規(guī)方法成形時(shí)無論取任何一面為分模面,都會(huì)導(dǎo)致模具與零件發(fā)生干涉而使零件無法出模[10]。

圖1 星形套零件Fig.1 The parts of the starlike sleeve

因滾珠內(nèi)形球道表面不易機(jī)加工,所以為了避免出現(xiàn)模具干涉,應(yīng)在外形球面上設(shè)置工藝補(bǔ)充面,如圖2所示,使外形球面的最大截面積位于A-A面上,然后取A-A面為分模面,成形后內(nèi)外形球面需進(jìn)行切削或磨削加工。

實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)星形套球道后期磨削加工時(shí),會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的磨削燒傷,通過減小磨削余量可有效避免星形套球道部位出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象[11],因此技術(shù)人員在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少包括工藝補(bǔ)充面在內(nèi)的磨削余量。

20CrMnTi材料在常溫下硬度較高,塑性較差,采用球化退火處理可降低硬度,提高塑性,減少成形載荷,提高模具使用壽命。因此零件成形的整個(gè)工藝流程為:坯料→退火+磷化與皂化→閉式冷精鍛→機(jī)加工[12—13]。

圖2 工藝補(bǔ)充面Fig.2 Addendum surface of the die

2 有限元模型建立

在3D繪圖軟件中,將坯料、上下沖頭、上下模按圖3所示進(jìn)行組裝。運(yùn)用有限元軟件,采用剛塑性有限元法[14],對(duì)星形套成形進(jìn)行仿真模擬。有限元模型中除坯料設(shè)為塑性體外,模具均設(shè)為剛性體。坯料材料選擇DIN-20MnCr5,磨削余量設(shè)為0.5 mm。成形溫度設(shè)為20℃,凸模下行速度為5 mm/s。

根據(jù)體積不變?cè)韀15],對(duì)星形套進(jìn)行體積計(jì)算,坯料直徑為30 mm時(shí),所需圓柱形坯料高度為53.5 mm。由于星形套幾何形狀的復(fù)雜性,故采用四面體網(wǎng)格劃分,并對(duì)材料的主要變形區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格局部細(xì)化,使得齒腔形狀更好地逼近模具型腔。

圖3 模具裝配示意圖Fig.3 Schematic diagram of themold assembly

3 模擬結(jié)果分析

3.1 沖頭進(jìn)給速度的影響

3.1.1 沖頭進(jìn)給速度對(duì)溫度場(chǎng)的影響

沖頭進(jìn)給速度的不同導(dǎo)致了金屬質(zhì)點(diǎn)間速度場(chǎng)分布的不同。塑性變形時(shí),金屬質(zhì)點(diǎn)相互運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦,進(jìn)而造成零件內(nèi)溫度場(chǎng)分布的不均勻,對(duì)零件質(zhì)量、模具壽命有很大影響。在其他參數(shù)不變的情況下,選取沖頭進(jìn)給速度為5,10,15 mm/s,分別模擬不同進(jìn)給速度下星形套成形所產(chǎn)生的溫度場(chǎng),圖4為鍛后溫度場(chǎng)。

圖4 進(jìn)給速度與溫度場(chǎng)的關(guān)系Fig.4 Relationship between the feed rate and the temperature field

從圖4可知,沖頭進(jìn)給速度較小時(shí),閉式模鍛成形過程所需的時(shí)間長(zhǎng),坯料通過熱傳導(dǎo)散失的熱量越多,鍛件散熱充分。進(jìn)給速度較大時(shí),成形時(shí)間短,坯料來不及進(jìn)行散熱,鍛件高溫區(qū)較大,局部區(qū)域因溫度過高甚至出現(xiàn)過燒現(xiàn)象,嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。另一方面,對(duì)冷擠壓過程而言,提高坯料溫度有利于金屬流動(dòng),使材料變形更容易,但同時(shí)要避免出現(xiàn)過燒現(xiàn)象。

3.1.2 沖頭進(jìn)給速度對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響

控制其他因素不變,分別模擬沖頭的不同進(jìn)給速度對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響。當(dāng)沖頭進(jìn)給速度為5 mm/s時(shí),最大載荷為661 MPa;當(dāng)進(jìn)給速度為10 mm/s時(shí),最大載荷為639 MPa;當(dāng)進(jìn)給速度為15 mm/s時(shí),最大載荷為691 MPa。由此可知,沖頭進(jìn)給速度的不同對(duì)成形載荷大小的影響不明顯,但由圖5可知,沖頭進(jìn)給速度對(duì)應(yīng)力的分布有明顯影響。

圖5 沖頭進(jìn)給速度與應(yīng)力場(chǎng)的關(guān)系Fig.5 The relationship between the punch feeding speed and the stress field

在進(jìn)給量相同的情況下,沖頭進(jìn)給速度為5 mm/ s和15 mm/s時(shí)不同區(qū)域的應(yīng)力差別較大,應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯;進(jìn)給速度為10 mm/s時(shí)應(yīng)力集中得到改善,組織結(jié)構(gòu)和模具壽命也得到均勻提高。所以綜合考慮溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng),選用沖頭進(jìn)給速度為10 mm/s較為合理。

3.2 沖頭形狀的影響

沖頭形狀直接決定金屬的流動(dòng)狀況,其他參數(shù)不變的情況下,改變上下沖頭形狀,進(jìn)行A,B,C三組對(duì)比試驗(yàn)。圖6為數(shù)值模擬所得速度場(chǎng)矢量圖。

圖6 沖頭形狀與金屬速度場(chǎng)的關(guān)系Fig.6 The relationship between the punch shape and the metal velocity field

從圖6可知,不同的沖頭形狀在成形后期,其金屬流動(dòng)的速度場(chǎng)存在很大差異。對(duì)比A組(上、下均為圓角)和B組(上圓角,下斜邊)的速度矢量圖,可以發(fā)現(xiàn)在下沖頭處,圓形沖頭周邊金屬的速度矢量趨于分散,甚至接近水平方向;而斜邊沖頭周圍金屬的速度矢量整齊地沿著沖頭表面向下流動(dòng),下沖頭劈開金屬,使金屬流動(dòng)均勻合理,利于填充未充滿的部分。同理,對(duì)比A組(上、下均為圓角)和C組(上斜角、下圓角)也能得到相同結(jié)論。

當(dāng)上、下沖頭都是斜邊結(jié)構(gòu)時(shí),金屬的速度場(chǎng)更加合理,速度矢量大小均勻,不存在明顯的積聚、渦旋等部位。并且嚴(yán)重磨損區(qū)由價(jià)格昂貴的模具轉(zhuǎn)移到相對(duì)廉價(jià)的沖頭,從而保護(hù)模具,提高其使用壽命,所以沖頭形狀設(shè)置為斜邊結(jié)構(gòu)更加合理。

3.3 模擬工藝優(yōu)化成果

結(jié)合以上分析,選取坯料直徑30 mm,沖頭速度10 mm/s,上、下沖頭形狀為斜角結(jié)構(gòu)的工藝優(yōu)化方案進(jìn)行模擬分析,所得結(jié)果如圖7所示。

圖7 改進(jìn)后的有限元模擬數(shù)據(jù)Fig.7 The improved finite element simulation data

從結(jié)果中可以看出模具應(yīng)力有明顯的降低,從原先的661 MPa降為現(xiàn)在的518 MPa,減少了143 MPa,約為原來值的21.63%;根據(jù)疲勞破壞的經(jīng)驗(yàn)公式,應(yīng)力降低10%,疲勞壽命可提高1倍左右,故模具疲勞壽命提高了2倍多;從應(yīng)力的分布來看,應(yīng)力分布比較均勻,基本消除了應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

4 工藝驗(yàn)證

在10 000 kN液壓機(jī)上進(jìn)行星形套冷態(tài)閉塞式精鍛成形工藝試驗(yàn),坯料材料為20CrMnTi,工藝參數(shù)和試驗(yàn)方案與模擬實(shí)驗(yàn)相同。試驗(yàn)得到星形套樣件與模擬的結(jié)果基本吻合,如圖8所示?？梢钥闯?成形效果較好,各處均填充飽滿,表面成形質(zhì)量良好,達(dá)到了后期切削加工的要求。

圖8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Experimental results

5 結(jié)論

1)根據(jù)星形套的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),確定冷精鍛分模面,并對(duì)星形套冷精鍛成形過程進(jìn)行了有限元分析。通過數(shù)值模擬方法,研究了沖頭進(jìn)給速度和沖頭形狀對(duì)星形套成形的影響。

2)沖頭進(jìn)給速度越大、金屬局部產(chǎn)熱越多,造成溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分布不均勻,沖頭進(jìn)給速度越小越有利于散熱,但過小會(huì)影響生產(chǎn)效率。

3)沖頭存在斜邊結(jié)構(gòu)時(shí),金屬速度場(chǎng)更加均勻合理,并且使成形載荷大大降低,所以沖頭設(shè)計(jì)成斜角結(jié)構(gòu)更有利于提高模具使用壽命。

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Analysis on the Process of Cold Enclosed Precision Forging of Starlike Sleeve

QIUWei,WANG Tian-shu,LIANG He,ZHANG Yuan-heng,JIXiao-hu
(School of Materials Science&Engineering,Hefei University of Technology,Hefei230009,China)

This research proposed the process scheme for optimizing cold precision forging of starlike sleeve so as to extend the service life and standardize the production and operation process.The structure of the partwas analyzed to determine the reasonable parting surface and the finite elementmethod was applied to simulate the cold precision forging process with various extrusion velocities and punch shapes.The effect of extrusion velocity and punch shape was obtained on temperature distribution,stress field,metal velocity field,working load and service life of dies in the cold precision forging process.By controlling and normalizing the extrusion velocity and the punch shape and analyzing the effectof these two parameters on forming of starlike sleeve,the research proposed an optimized parameter interval,which provided reference and rhetorical guidance formanufacturing operation.

starlike sleeve;cold enclosed precision forging;numerical simulation;process optimization;die life

10.3969/j.issn.1674-6457.2015.04.010

TG316

:A

:1674-6457(2015)04-0048-05

2015-06-04

仇偉(1994—),男,哈爾濱人,本科生,主攻材料成形及控制工程。

紀(jì)小虎(1986—),男,安徽人,博士,主要研究方向?yàn)椴牧铣尚渭翱刂乒こ獭?/p>