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(jī)集團(tuán)富成鍛造有限公司

王培吉·內(nèi)蒙古科技大學(xué)理學(xué)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(jī)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(yù)測模具的填充效果、鍛造負(fù)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(yù)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(jìn)，這樣一種不斷試錯的研發(fā)模式，并達(dá)到預(yù)期效果，圖紙尺寸、表面質(zhì)量、機(jī)械性能等各項技術(shù)指標(biāo)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(jī)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(dāng)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(jī)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(fù)雜，細(xì)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(jìn)措施

⑴增加制坯、預(yù)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(yù)鍛將材料在終鍛前進(jìn)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(yù)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(jī)上生產(chǎn)，增加制坯→預(yù)鍛工序，滿足四工步的生產(chǎn)，增加預(yù)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(yù)鍛工序和模具，而增加預(yù)鍛工序后，在80kJ 設(shè)備上則需要進(jìn)行換模生產(chǎn)，影響生產(chǎn)效率。考慮到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(xì)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(yù)鍛、終鍛進(jìn)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(yù)鍛模、終鍛模)，并通過Deform 模擬軟件進(jìn)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(jìn)行力學(xué)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(jìn)后方案的最大打擊力1960t(圖6)。通過模擬計算結(jié)果分析，認(rèn)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(jìn)后的工藝合理且可行。

我公司通過差速器殼體工藝改進(jìn)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)。