滑动叉无飞边锻造基本工艺有限元模拟研究应用.doc

滑动叉无飞边锻造工艺有限元模仿研究

作者：清华大学机械系 谷志飞 吴伯杰

摘要：滑动叉老式上采用开式模锻工艺生产，飞边大，材料挥霍严重且尺寸精度差。为了减少锻件成本，本文针对滑动叉形状特性，提出一种少无飞边模锻新工艺，使预制毛坯在封闭模膛内成形，实现锻件近净成形。依照体积不变原则对计算毛坯进行解决得到预制毛坯。本文应用DEFORM 3D软件模仿研究了滑动叉无飞边和小飞边锻造工艺过程，模仿验证成果表白，新工艺明显地提高了材料运用率和成形质量，减少了锻造载荷。
核心词：滑动叉 闭式无飞边锻造 有限元模仿

1 前言

汽车工业发展对高品质、低成本锻件需求不断上升。转向万向节滑动叉（如图1所示）是一种重要汽车零件，其形状复杂，尺寸精度和形位公差规定高，锻造工艺性差。当前，国内各重要锻造厂重要采用开式模锻工艺进行生产，锻件成形质量差，材料运用率低 [1]。工厂迫切需要一种新加工工艺，以提高成形质量，减少材料挥霍，减少成本。

图1 滑动叉锻件
无飞边锻造工艺是一种先进锻造工艺，通惯用于高品质锻件生产。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模腔内成形，不产生飞边，节约材料，成形精度高，可实现锻件近净成形或净成形［2］。

如图1所示滑动叉形状复杂，并且叉杆部截面呈圆形，老式整体闭式模锻工艺难以实现无飞边锻造。本文在研究老式无飞边锻造工艺[3,4]和挤压工艺[5]基本上，开发了滑动叉无飞边闭式模锻新工艺，以满足滑动叉无飞边锻造规定。

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 无飞边锻模构造设计

针对滑动叉形状特性，本文设计了一套全新构造锻模，以满足无飞边锻造规定。模具由上、下模和冲头三大某些构成，如图3所示。上冲头安装在压力机滑块上，下冲头固定在底座上。

图3 锻模构造
Fig.3：Structrue of the Dies
图4所示为锻造过程中模具动作顺序，详细动作如下：

i）毛坯1放入下模4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，叉部毛坯金属在上下冲头作用下发生墩粗挤压变形，直至布满模膛。模具由上、下模和冲头三大某些构成，如图3所示。

图4 模具动作顺序
Fig.4：Tooling movement sequence
3 无飞边锻造过程有限元分析

3.1 预制毛坯设计

滑动叉大规模生产时，普通采用楔横扎工艺生产预制毛坯。依照体积不变原则，在滑动叉计算毛坯基本上，根据楔横扎模具设计经验，设计得到滑动叉预制毛坯。图5所示为滑动叉预制毛坯叉部设计。图6所示为在预制毛坯几何参数。

图5 预制毛坯
Fig 5. Preform

图6 预制毛坯几何参数
Fig.6：Sketch of perform
3.2 滑动叉成型工艺模仿分析

依照滑动叉形状和成形对称特性，选取滑动叉1/4模型进行模仿分析，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所示为夹紧后毛坯等效应变分布图，预制毛坯仅在A处浮现很小变形。图9所为夹紧过程载荷－行程曲线。由图9可知，夹紧整个预制毛坯大概需要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所示为在抱负状态下（精密下料、预制毛坯尺寸精准）毛坯变形过程中不同步刻金属流动状态。

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
由模仿成果可知，在冲头作用下，预制毛坯叉部一方面被镦粗，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，金属向流动阻力最小叉部凸台某些模膛流动，冲头下面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，毛坯变形速度场分布均匀，未浮现紊乱，因而整个成形过程不会存在折叠缺陷且成形完全。如图12所示，在冲头下压过程中，锻件叉部应变重要集中在叉部及叉口连皮，而在与杆部相连部位应变很小。

图11 锻造过程中滑动叉速度分布图
Fig.11：Velocity distribution in the forging of a slide fork

图12 叉部应变分布
Fig.12：Effective Strain Distribution in fork section
成形质量核心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。该工艺实现必要保证精准下料，预制毛坯长度精度规定较高，坯料放入模腔时在长度方向已经被准拟定位，合模夹紧后进一步限制了材料轴向流动。

图13所示为锻造过程载荷－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导致形规定。

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仿

滑动叉闭式无飞边模锻工艺具备极高材料运用率，但该工艺采用预制毛坯体积精度规定极高，致使预制毛坯加工费用较高。为了减少预制毛坯加工费用、提高材料运用率，本文还设计了滑动叉小飞边闭式模锻工艺。

4.1 小飞边锻模构造设计

在滑动叉无飞边模锻工艺基本上，本文还提出了小飞边模锻工艺（飞边约占毛坯体积2％）。小飞边锻模构造与无飞边锻模构造相似，只是在上下模叉口底侧中间分模位置增长了一种小飞边构造，如图14所示。模具动作与无飞边锻模相似。

图14 飞边构造
Fig.14：Flash Structure/div
4.2 小飞边模锻工艺模仿分析

预制毛坯体积比图6所示毛坯体积增大1％。图15所示为滑动叉叉某些析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，叉口底部接近飞边桥部金属受足够大压力，开式向飞边桥部运动，形成飞边。金属布满型腔完毕后，随着冲头继续下行，多余金属通过飞边桥部流向仓部。

图16 叉部成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。

依照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

本文依照滑动叉形状特点，在老式整体闭式模锻基本上，结合挤压工艺长处，成功开发了一套滑动叉无飞边和小飞边锻造新工艺。有限元模仿研究表白，与开式模锻工艺相比，本文提出无飞边和小飞边闭式模锻新工艺具备锻件精度高、成形质量好、材料运用率高、所需设备吨位小等长处，具备较好工业应用前景。

参照文献：
[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 () ：165－170
[3] T.阿尔坦等. 当代锻造设备、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 () ：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)：95-105

作者简介：谷志飞，清华大学机械工程系级研究生研究生，重要研究锻造工艺CAD/CAE(end)