王 方, 王 輝, 鄧 林, Bernhard ADAMS

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 信息化建設(shè)與發(fā)展中心,安徽 合肥 230009; 2.奧斯納布呂克應(yīng)用科學(xué)大學(xué) 工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，奧斯納布呂克 49076 德國)

0 引 言

伴隨國民經(jīng)濟(jì)與制造技術(shù)的飛速發(fā)展,汽車行業(yè)在我國已逐漸成為工業(yè)化支柱的重要產(chǎn)業(yè)之一[1]。汽車底盤的傳動系統(tǒng)主要保證汽車行駛所需的牽引力、車速及其之間的協(xié)調(diào)變化,以及平衡左、右驅(qū)動輪之間的速度差要求等多種功能,是汽車性能好壞的重要環(huán)節(jié)[2]。萬向節(jié)作為傳動系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)變角動力傳遞的關(guān)鍵零部件,關(guān)于其制造成形工藝的研究對于汽車整體性能的提高尤為重要[3]。

本文所研究的萬向節(jié)鐘形罩內(nèi)部形狀較為復(fù)雜,工作時(shí)6個鋼球都參與傳力,曲線弧度精密度要求較高,對其力學(xué)及物理抗性的要求也很高,因此一般采用鍛造成形工藝[4]。精密鍛造工藝只需少量加工或不再加工就符合零件要求,是汽車、航天航空等行業(yè)中廣泛應(yīng)用的制造工藝之一[5-6]。精鍛工藝作為一種近凈成形技術(shù),具有省材、節(jié)能、降低工時(shí)和成本、減少加工工序和設(shè)備、提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量以及環(huán)保等特點(diǎn)[7-8]。精鍛工藝的數(shù)字化程序設(shè)計(jì)主要以工藝參數(shù)為設(shè)計(jì)變量,以零件形狀或物理性能為函數(shù)目標(biāo),采用有限元算法以實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的自動優(yōu)化[9]。

Simufact是先進(jìn)的有限元分析材料加工及熱處理工藝仿真優(yōu)化的軟件,具有有限元法(finite element method,FEM)和有限體積法(finite volume method,FVM)2種建模求解方法[10-11]。軟件自身具有軟件三維實(shí)體造型功能,同時(shí)兼容各種主流的CAD軟件[12]。

1 鐘形罩成形工藝分析

球籠式等速萬向節(jié)鐘形罩內(nèi)部由多曲面構(gòu)成,是汽車動力輸出的主要零部件,因此對其力度、硬度、抗疲勞性等特征要求高；又因其內(nèi)部結(jié)構(gòu)形狀較為復(fù)雜,反擠壓成形工序變形量及變形抗力大,所以加工工藝要求很高。

溫鍛成形因可用較小噸位的設(shè)備進(jìn)行鍛造,可加工復(fù)雜形狀等優(yōu)勢,而被廣泛應(yīng)用于萬向節(jié)鐘形罩成形工藝。但溫鍛工藝對加熱工藝要求高,且工藝成形力及變形能較大，會導(dǎo)致模具壽命降低；而熱鍛不僅與溫鍛成形一樣可以得到高尺寸精度的鍛件,而且對模具損耗小,加上選擇鍛坯材料自身特性等因素，綜合分析熱鍛可能降低加工成本。為提高鐘形罩成形工藝的精度,得到更好的力學(xué)及抗疲勞性能,使鐘形罩具有承載能力強(qiáng)、磨損小、壽命長等特點(diǎn),在適應(yīng)市場需求、降低加工成本的同時(shí)得到質(zhì)量優(yōu)等的產(chǎn)品,因此本研究采用熱精密模鍛。

鐘形罩成形工藝一般由正向擠壓、墩粗壓頭、反向擠壓、冷精整4個步驟組成,本研究主要著眼于前3步熱成形部分,其工藝過程如圖1所示。圖1a所示為CAD制圖軟件CATIA繪制的鍛壓機(jī)鍛造過程,圖1b所示為鍛件加工過程。

圖1 萬向節(jié)鐘形罩熱精密模鍛成形工藝

鐘形罩熱精鍛成形主要分為3個階段:① 通過沖頭作用將直徑為42 mm、長度為81 mm的Ck67彈簧鋼鍛坯正向擠壓,擠出部分直徑30 mm;② 墩粗壓頭,將正擠壓成形件上端粗頭部分墩粗至直徑63 mm,同時(shí)壓頭,為反擠壓成形準(zhǔn)備坯料;③ 反擠壓成形。

設(shè)定未指定型號的鍛壓機(jī)作為仿真模擬工作環(huán)境,通過有限元分析軟件得出模擬成形過程的鍛造溫度場、所需鍛壓力、等效應(yīng)力以及等效應(yīng)變的分布規(guī)律。

2 有限元仿真數(shù)字化精鍛程序設(shè)計(jì)

有限元仿真數(shù)字化精鍛成形技術(shù)是新材料、模具、計(jì)算機(jī)以及精密測量技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)成形工藝方法的綜合性技術(shù)平臺,程序設(shè)計(jì)思路基于有限元仿真模擬技術(shù)。

采用數(shù)字化精鍛成形技術(shù)正向模擬思路,分析鐘形罩熱精密模鍛成形工藝,設(shè)計(jì)相應(yīng)的程序框圖,如圖2所示。

圖2 有限元仿真數(shù)字化精鍛正向模擬程序框圖

程序框圖主要由計(jì)算機(jī)三維造型與仿真模擬、實(shí)驗(yàn)環(huán)境測試及投入正式生產(chǎn)3個部分組成。利用計(jì)算機(jī)三維造型軟件以及有限元仿真模擬軟件,快速有效地設(shè)計(jì)出圖1b所示的鐘形罩零件及模具形狀。

采用Simufact FormingGP軟件結(jié)合工藝方案與真實(shí)環(huán)境構(gòu)建仿真模擬模型,依據(jù)仿真數(shù)據(jù)分析方案可行性,結(jié)合仿真模擬數(shù)據(jù),在真實(shí)環(huán)境下測試得出萬向節(jié)精鍛樣品,根據(jù)樣品的尺寸精度及質(zhì)量檢測反饋驗(yàn)證精鍛工藝的合理性，并驗(yàn)證精鍛工藝過程中鍛件成形以及模具壽命受損等問題,從而快速有效地找到優(yōu)化方案。通過反復(fù)模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,最終得到最優(yōu)方案并投入實(shí)際生產(chǎn)。

3 有限元建模

3.1 建?；緟?shù)設(shè)置

在Simufact FormingGP軟件中將沖頭及模具定義為可傳熱剛性體,默認(rèn)材料為H13模具鋼,并設(shè)定其初始溫度為200 ℃。由Simufact FormingGP傳熱接觸參數(shù)數(shù)據(jù)庫設(shè)置熱鍛沖頭與環(huán)境間接觸換熱系數(shù)為30 W/(m2·K)。傳熱工藝環(huán)境設(shè)置為熱成形工藝,并設(shè)定測試環(huán)境溫度為室溫25 ℃,系統(tǒng)自動定義熱鍛工藝下表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為0.35。參考真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境所用螺旋壓力機(jī),設(shè)置三級熱精鍛成形的正向、反向擠壓速度為600 mm/s,鍛壓速度為250 mm/s。鐘形罩鍛坯選用Ck67彈簧鋼,其有效熱鍛溫度范圍為700～1 000 ℃,設(shè)置鍛坯為塑性體,始鍛溫度為950 ℃,摩擦系數(shù)為0.2。Ck67彈簧鋼的物理及力學(xué)性能參數(shù)見表1所列。

表1 Ck67彈簧鋼性能參數(shù)

3.2 仿真模擬工序建模

在Simufact FormingGP中建立三級熱精密模鍛工藝過程的有限元仿真模型。因?yàn)檎驍D壓和墩粗壓頭工序坯料及得到的工件為規(guī)則圓柱體,可以在軟件中簡單使用2D中心軸對稱建模分析方式,設(shè)置對應(yīng)的模具、沖頭以及邊界條件。而反向擠壓工序得到的鐘形罩內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,但仍具有對稱性,所以結(jié)合CATIA制圖軟件導(dǎo)入反擠壓工序沖頭模型3D建模,依據(jù)工件對稱性選取1/12作為最小建模單元,以大幅減少有限元劃分網(wǎng)格工作量,優(yōu)化計(jì)算效率,快速有效地得到計(jì)算結(jié)果。

對模擬的鍛坯進(jìn)行網(wǎng)格劃分,得到正向擠壓、墩粗壓頭以及反向擠壓工序的網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù),分別為752 、1 100、4 096個網(wǎng)格。

4 有限元仿真結(jié)果分析

4.1 仿真模擬數(shù)值結(jié)果分析

依據(jù)球籠式等速萬向節(jié)鐘形罩的熱精密模鍛成形工藝，建立有限元仿真模型,使用Simufact FormingGP有限元分析軟件對所建立的模型設(shè)置相關(guān)工序參數(shù)，并進(jìn)行有限元仿真模擬,得出下文的模擬分析結(jié)果。

萬向節(jié)鐘形罩三級熱精鍛各工序的鍛壓力隨沖頭下壓成形,各級工序所需的鍛壓力隨著級數(shù)的增加而增大。

各工序鍛壓力分布如圖3所示。

由圖3的模擬結(jié)果可得,正向擠壓工序所需的最大鍛壓力為550 kN,墩粗壓頭工序所需的最大鍛壓力為2 045 kN,反向擠壓工序所需的最大鍛壓力為591 kN。

上述鍛壓力參數(shù)分析可以作為優(yōu)化鍛壓機(jī)型號選取的重要依據(jù)。

圖3 萬向節(jié)鐘形罩熱精密模鍛鍛造壓力分布

萬向節(jié)鐘形罩熱精密模鍛工藝仿真模擬得到的溫度場、等效應(yīng)力以及等效應(yīng)變的參數(shù)分布情況如圖4～圖6所示。

圖4所示為工藝仿真過程中的溫度場分布。從圖4可以看出:正向擠壓工序加工過程中鍛坯中心鍛壓溫度最高為960.58 ℃,最低溫度產(chǎn)生在鍛坯大頭頂部外緣表面;墩粗壓頭過程中,最低溫度為799.41 ℃,產(chǎn)生在鍛件小頭底部及過渡圓角部位;反擠壓工序鍛件中心鍛壓溫度最高達(dá)到956.93 ℃,而鍛件表面外部過渡圓角處溫度則降低到750 ℃左右。鍛造過程中,鍛件中心最高溫度比初始溫度略高,一方面是由于鍛壓成形區(qū)域鍛坯變形量大,摩擦產(chǎn)生熱量較高進(jìn)而導(dǎo)致鍛件局部溫度升高;另一方面是模具與鍛坯間熱量交換所導(dǎo)致。

圖5所示為工藝仿真過程中的等效應(yīng)力分布。由圖5可知,隨著熱精鍛各工序的進(jìn)行,每一次沖頭鍛壓的過程中鍛坯等效應(yīng)力均逐漸增大,其影響分布區(qū)域也隨之?dāng)U大。正向擠壓工序的最大等效應(yīng)力為232.53 MPa,主要集中分布在鍛坯大頭頂部外緣；墩粗壓頭工序的最大等效應(yīng)力為199.44 MPa,主要作用于大頭與小頭過渡部位外緣的圓角處；正向擠壓過程中反向擠壓工序的最大等效應(yīng)力為167.67 MPa,主要分布在小頭底部外緣以及大頭至小頭中間過渡部分的圓角處。等效應(yīng)力集中區(qū)域與鍛造溫度場分布情況基本一致。其中,墩粗壓頭工序雖然鍛件變形量小,且等效應(yīng)力集中區(qū)域較小,主要集中分布在鍛件過渡曲面部位的過渡圓角處,但所需鍛壓力及等效應(yīng)力參數(shù)均為最大,頂部受擠壓力大且成形難,易在頂部大圓環(huán)表面以及過渡圓角處形成缺陷。

圖4 萬向節(jié)鐘形罩熱精密模鍛工藝仿真溫度場分布

圖5 萬向節(jié)鐘形罩熱精密模鍛工藝仿真等效應(yīng)力分布

圖6 萬向節(jié)鐘形罩熱精密模鍛工藝仿真等效應(yīng)變分布

圖6為工藝仿真過程中的等效應(yīng)變分布。從圖6可以看出，每道工序過程中鍛坯總體等效應(yīng)變的分布及各部位的最大值。伴隨熱精鍛變形過程的進(jìn)行,鍛坯的局部應(yīng)變逐漸增大,極少部位等效應(yīng)變增至2.0以上,但整體應(yīng)變分布及大小都在可允許的范圍之內(nèi)。正向擠壓工序的等效應(yīng)變主要分布在擠出成形部分,分布情況較均勻；墩粗壓頭工序僅大頭墩粗部分產(chǎn)生應(yīng)變,最大應(yīng)變發(fā)生在壓頭中心點(diǎn)；反向擠壓工序成形擠出壁部分等效應(yīng)變較大,其中鋼球溝槽最底端應(yīng)變最大,中心點(diǎn)處等效應(yīng)變已達(dá)到2.29,但由于分布范圍極小,且不排除與有限元網(wǎng)格劃分在曲面產(chǎn)生畸變有關(guān),因此可以忽略此處等效應(yīng)變的劇烈變化。

4.2 精鍛工藝實(shí)驗(yàn)與精度質(zhì)量檢測

實(shí)驗(yàn)用材料為Ck67彈簧鋼,坯料采用容積為41 L、最高加熱溫度為1 280 ℃的16 kW電動箱式爐加熱至950 ℃。精鍛加工后，工件加熱區(qū)域在沒有空氣進(jìn)入的情況下冷卻至小于600 ℃,因此成形后的二次收縮對尺寸影響不大。

實(shí)驗(yàn)采用PSS225直驅(qū)式電動螺旋壓力機(jī),其基本參數(shù)見表2所列。

表2 PSS225直驅(qū)式電動螺旋壓力機(jī)基本參數(shù)

根據(jù)有限元分析軟件得出的結(jié)論,結(jié)合實(shí)際環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)。

依據(jù)溫度和材料考慮鍛件的冷卻收縮量,對熱鍛模具及沖頭尺寸做相應(yīng)擴(kuò)張。在950 ℃熱鍛情況下,Ck67彈簧鋼熱膨脹系數(shù)約為1.3×105/℃,考慮其0.75%的收縮量設(shè)計(jì)模具,得到的鐘形罩樣品如圖7所示。

圖7 真實(shí)環(huán)境模擬成形

通過計(jì)算機(jī)測量系統(tǒng)得到鍛造壓力,與有限元仿真情況進(jìn)行對比，結(jié)果如圖8所示。

從圖8可以看出,實(shí)驗(yàn)環(huán)境下鍛造壓力曲線與有限元模擬結(jié)果參數(shù)數(shù)值雖有不同,但總體趨勢基本一致,且數(shù)值誤差基本在8%范圍以內(nèi),數(shù)值趨勢呈略大于模擬值狀態(tài)。造成這種情況的主要原因可能是有限元分析中未充分考慮鍛坯與環(huán)境接觸時(shí)間,或仿真模擬設(shè)置沖頭與坯料定位與實(shí)驗(yàn)環(huán)境有差別導(dǎo)致。

圖8 各工序鍛造壓力模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

鐘形罩6個鋼球溝槽是重要接觸面,其尺寸對鐘形罩成形質(zhì)量影響至關(guān)重要,因此重點(diǎn)測量樣品溝槽內(nèi)徑以及鐘形罩內(nèi)外圓直徑尺寸。

樣品尺寸測量值與設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)值的對比見表3所列。

表3 樣品尺寸與設(shè)計(jì)尺寸的對比 單位：mm

測試樣品顯示,鐘形罩尺寸基本達(dá)到熱鍛工藝要求,與模擬仿真結(jié)果基本吻合,表面無明顯縮松或縮孔缺陷,無明顯飛邊。

5 結(jié) 論

本文采用數(shù)字化精鍛成形技術(shù)正向模擬成形工藝程序框圖,并結(jié)合Simufact FormingGP有限元仿真軟件,對 Ck67彈簧鋼球籠式等速萬向節(jié)鐘形罩的熱精密模鍛過程進(jìn)行了模擬分析。通過對有限元建模仿真模擬結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)環(huán)境測試所得零件樣品的對比,實(shí)現(xiàn)了直觀地觀察并分析鐘形罩熱模鍛成形工藝的成形過程,縮短工藝設(shè)計(jì)時(shí)間,降低設(shè)計(jì)成本。

鐘形罩熱模鍛仿真模型也為后續(xù)深入研究鍛坯預(yù)熱工藝提供了分析依據(jù),如鍛壓力與鍛壓溫度場分布情況對鍛件表面碳化的影響以及等效應(yīng)力、等效應(yīng)變的分布對鍛件熱鍛工藝?yán)鋮s收縮率的影響,從而進(jìn)一步改善鍛件表面氧化及脫碳等問題。

針對鐘形罩熱精密模鍛成形工藝的研究仍然還有很多探索工作,如鍛壓工藝參數(shù)分析、沖頭及模具壽命分析、對仿真模型以及真實(shí)環(huán)境的工藝細(xì)節(jié)優(yōu)化等,通過仿真模擬預(yù)先發(fā)現(xiàn)成形工藝缺陷的發(fā)生部位與形成原因,增加工藝的可靠性,以達(dá)到減少實(shí)驗(yàn)周期和實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)、降低設(shè)計(jì)成本的目的。