一种连接传动件的锻造工艺仿真及优化_陈保山.pdf

第 48 卷 第 3 期Vol.48 No.3FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 3 月Mar.2023一种连接传动件的锻造工艺仿真及优化陈保山1,逯云杰2(1.濮阳职业技术学院 机电与汽车工程学院,河南 濮阳 457000;2.河南大学濮阳工学院,河南 濮阳 457000)摘要:以一种连接传动件为研究对象,针对现有工艺锻造产品质量差、使用期限短的问题,通过 Deform11.0 对锻件的成形工艺进行了仿真研究。结果显示,锻件外形虽成形完整,但在预锻工序中出现了金属对流现象,导致了折叠缺陷的产生,从而影响锻件的成形质量。为此,对预锻件的形状进行改进,设计了两种方案,分别进行了预锻、终锻的成形模拟验证,并比较了两道工序的锻造成形力。研究表明:改进后的方案能够改善金属的流动情况,解决对流引起的折叠缺陷;此外,方案 2 需要的锻造成形力更小,能够减小模具的负载。最终基于方案 2 进行了锻造试验,得到的连接传动件的成形外观好、切断截面锻造流线连续、无金属折叠缺陷、各尺寸检验合格,达到了工艺要求。关键词:连接传动件;金属对流;折叠缺陷;预锻;终锻;锻造成形力DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.03.003中图分类号:TG316.3 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)03-0020-07Simulation and improvement on forging process for a connecting transmission partChen Baoshan1,Lu Yunjie2(1.School of Mechatronics and Automotive Engineering,Puyang Vocational and Technical College,Puyang 457000,China;2.Puyang Institute of Technology,Henan University,Puyang 457000,China)Abstract:For a connecting transmission part,aiming at the problems of poor quality and short service life for product forged by curvent process,the forming process of forging was simulated by Deform 11.0.The results show that although the formging shape of forgings is complete,the metal convection phenomenon appeares in the pre-forging process,resulting in the formation of folding defects,which af-fectes the forming quality of forgings.For this reason,the shape of pre-forgings was improved,and two schemes were designed.Then,the forming simulation verification of pre-forging and final forging were carried out respectively,and the forging forces of the two processes were compared.The research shows that the improved scheme can improve the metal flow and solve the folding problem caused by convec-tion.In addition,scheme 2 requires less forging force and can reduce the load of mold.Finally,the forging test was carried out based on scheme 2.The forming appearance of the obtained connecting transmission part is good,the forging streamline of cut-off section is contin-uous,there is no metal folding defect,and the inspection of each dimension is qualified,which meets the process requirements.Key words:connecting transmission part;metal convection;folding defect;pre-forging;final forging;forging force收稿日期:2022-03-10;修订日期:2022-06-08作者简介:陈保山(1983-),男,硕士,讲师E-mail:baoshan198302 通信作者:逯云杰(1980-),男,学士,副教授E-mail:330809737 锻造工艺仿真指利用有限元模拟技术对指定工艺下的锻件进行虚拟成形1-3,从而实现各阶段成形过程的分解及可视化,不仅能够起到工艺检查、缺陷预测的作用4-5,还能够对锻造设备的确定、模具结构的设计与改进等提供理论依据,充分保证了后续实际锻造生产风险的可控性,是今后锻造工艺研发的主流思想,能够最大化地减少资源浪费,节约成本,因此,在锻造领域具有非常大的推广价值6-7。本文以一种连接传动件为例,针对现有锻造工艺制造产品质量差、使用期限短的问题,借助有限元仿真软件 Deform11.0 进行研究,根据仿真结果对工艺进行合理改进,以达到清除缺陷、提高连接传动件质量的目的,并基于锻造试验证明了改进结果的正确性,该研究对一些锻件的原有工艺改进或新工艺开发均可起到借鉴作用。1 锻件及初始工艺介绍连接传动件的锻件图见 1a,Solidworks 三维建模见 1b。锻件结构主要由 3 部分组成,上部是直径为 70 mm、高度为 15 mm 的带凹槽圆盘结构,中部是锥度为 3、高度为 25 mm 的圆台结构,下部是图 1 连接传动件零件图(a)锻件图(b)三维建模Fig.1 Drawings of connecting transmission part(a)Forging drawing(b)3D modeling对边尺寸为 36 mm、高度为 15 mm 的带锥孔六角结构。锻件材料选择 35CrMo 合金钢,其具有较高的强度和抗冲击韧性,适用于生产受负载大、冲击大、转矩大的传动零件,但该材料在冷态下的可塑性一般,并且由于锻件结构相对比较复杂,成形前后材料变形较为严重,通过冷锻成形极易出现零件锻裂的现象,因此,目前该零件采用 3 工位热锻成形,成形工步图如图 2 所示。但经采购商反馈,该产品的使用期限较短、质量不稳定,上部圆盘开裂情况较多,因此针对该问题,利用 Deform11.0 对现有工艺进行模拟检验,详细了解锻件成形中金属流动是否出现异常,以查明原因,寻求改进方法。图 2 连接传动件成形工步图Fig.2 Forming step drawing of connecting transmission part2 数值建模分析与改进2.1 建立有限元模型因连接传动件为轴对称零件,为方便观察模拟过程中的金属流动情况,取 1/2 模型为模拟对象8-9。通过 Solidworks 分别完成镦粗、预锻、终锻的模具结构建模并确定相互位置完成装配,然后分阶段导入 Deform11.0 进行有限元建模,如图 3 所示。有限元模型中,坯料为塑性体,坯料的初始温度为 1000,采用四面体网格进行划分,数量为 65000个,由于软件材料库中不存在 35CrMo 合金钢材料,因此,为确保模拟的准确性,必须建立 35CrMo 合金钢的本构模型以反映热变形状态下的流变行为,该数据可通过对 35CrMo 合金钢进行高温压缩试验获得,本文根据胡希磊等10的研究,选择软件流动应力库中的阿伦尼斯模型,具体方程如式(1)所示;模具材料为 4Cr5MoSiV1 模具钢,忽略锻造过程中模具的微小变形,选为刚体,模具初始温度为 300,同样采用四面体网格进行划分,数量为 30000 个,上模的下压速度恒定,为 20 mms-1,下模固定。=1.11768 1014sinh(0.0097)5.525056exp-368925RT()(1)式中:为应变速率,s-1;为材料的流变应力,MPa;R 为摩尔气体常数,为 8.314 J(molK)-1;12第 3 期陈保山等:一种连接传动件的锻造工艺仿真及优化 T 为热力学温度,K。由于实际锻造中坯料的转移和锻造存在热交换现象,因此,将除对称面外的其他面作为传热面,并设定与环境和模具之间的换热系数分别为0.02 和 5.00 N(smm)-1;实际锻造中采用耐高温的石墨乳液进行喷涂润滑,遵循剪切摩擦模型,摩擦因数取为 0.3。以上模为对象,设定每步的位移量及总行程,生成文件进行模拟计算。2.2 初始工艺模拟结果分析完成模拟后可知,在终锻过程中金属流动正常、模腔填充完整、锻件成形良好,但在预锻过程中金属流动异常,详细成形过程如图 4 所示。因金属向下流动的阻力过大,金属向下充填缓慢,横向及反向充填较快,成形进行至第 260 步时,金属流动均正常;而至第 388 步时,反向流动的金属受上模圆凸台的影响,开始向斜上方流动并迅速与上模底部端面接触后开始向下回流,此时上模圆凸台周边已经形成较大的空腔,而横向流动的金属与下模上端型腔内壁接触后开始向上流动,两股金属对流交汇11,形成折叠缺陷,见图 4d 中 P1 处;至第 448 步时,受上模作用,折叠缺陷逐渐被挤压融合,见图 4e 中 P2 处;至第 523 步时,折叠缺陷完全消失,同时上端型腔充填完成后,金属被迫流入下端型腔,完成整个锻件的成形。由此可知,现有工艺虽能成形外形完整的连接传动件,但内部存在的折叠缺陷是影响锻件质量的直接原因,使用中容易产生疲劳裂纹,引起上部圆盘开裂。图 3 有限元建模及仿真流程图Fig.3 Finite element modeling and simulation flow chart图 4 初始工艺预锻成形过程(a)第 1 步(b)第 140 步(c)第 260 步(d)第 388 步(e)第 448 步(f)第 523 步Fig.4 Pre-forging process of initial process(a)Step 1(b)Step 140(c)Step 260(d)Step 388(e)Step 448(f)Step 52322锻压技术 第 48 卷2.3 预锻件形状改进根据上述分析可知,上模圆凸台的存在不仅改变了原来金属的流向,同时形成了较大的空腔,最终引起折叠现象,因此,需对该结构进行改进,考虑将圆盘凹槽通过后续终锻成形。根据该思路,对预锻件的形状进行了改进,设计了如图 5 所示的两种方案,并重新设计了预锻模具结构,完成建模装配后,再次通过 Deform11.0 进行了模拟检验。图 5 改进前后预锻件形状(a)原方案(b)方案 1(c)方案 2Fig.5 Shapes of pre-forgings before and after improvement(a)Original scheme(b)Scheme 1(c)Scheme 2 方案1 的预锻、终锻成形过程如图 6 所示,预锻过程中的金属变形规律与原方案相同,向下充填缓慢,横向及反向充填较快,首先成形锻件上端,然后成形下端。上模圆凸台改为图 6a 中的斜面凸台后,沿该结构表面流动的金属与上模底部端面接触后,凸台周边形成的空腔极小(图6c),回流的金属能够迅速完成充填,然后横向流动与向上流动的金属一起充填右上方角隙,因此,未出现对流现象引起的折叠。由图 6e 可知,预锻件在终锻下模中定位方便,由于预锻型腔与终锻型腔较为接近,因此,材料的变形量较小,零件上部分成形较快,由图6f、图6g 可知,圆盘凹槽在终锻上模挤压下能够顺利成形,最后金属仅能向下流动充填带锥孔六角结构,金属流动正常,无折叠趋势。从图6h可以看出,最终锻件的成形性较好,型腔充填饱满。图 6 方案 1 锻件成形过程(a)预锻,第 1 步(b)预锻,第 236 步(c)预锻,第 380 步(d)预锻,第 450 步(e)终锻,第 1 步(f)终锻,第 55 步(g)终锻,第 88 步(h)终锻,第 104 步Fig.6 Forming process of forgings in scheme 1(a)Pre-forging,step 1(b)Pre-forging,step 236(c)Pre-forging,step 380(d)Pre-forging,step 450(e)Final forging,step 1(f)Final forging,step 55(g)Final forging,step 88(h)Final forging,step 10432第 3 期陈保山等:一种连接传动件的锻造工艺仿真及优化 方案 2 的预锻、终锻成形过程如图 7 所示,由图7a 可知,预锻上模与原方案和方案1 的区别是直接取消了凸台结构,预锻过程中金属向下流动受阻后,除横向流动的金属外,部分金属沿预锻上模表面向上流动直至接触上模底部端面(图 7b),然后也转为横向流动,充填圆盘型腔,见图 7c,不存在金属对流现象,也没有空腔产生,因此,无折叠缺陷。终锻过程中预锻件定位方便,锻件成形过程与方案 1 基本相同,圆盘凹槽、带锥孔六角等特征先后成形,金属流动合理、型腔充填完整、无折叠缺陷产生。图 7 方案 2 锻件成形过程(a)预锻,第 1 步(b)预锻,第 220 步(c)预锻,第 380 步(d)预锻,第 456 步(e)终锻,第 1 步(f)终锻,第 48 步(g)终锻,第 90 步(h)终锻,第 102 步Fig.7 Forming process of forgings in scheme 2(a)Pre-forging,step 1(b)Pre-forging,step 220(c)Pre-forging,step 380(d)Pre-forging,step 456(e)Final forging,step 1(f)Final forging,step 48(g)Final forging,step 90(h)Final forging,step 102图 8 方案 1 锻造成形力变化曲线(a)预锻(b)终锻Fig.8 Forging force variation curves of scheme 1(a)Pre-forging(b)Final forging2.4 改进后方案的锻造成形力对比以上分析表明改进后的两种方案均能够解决原方案中对流引起的折叠问题,因此,对两种方案的锻造成形力进行比较,以减小模具负载为目标进行择优12。两种方案的锻造成形力的变化曲线分别如图 8 和图 9 所示,可以看出两种方案的锻造成形力在各阶段的变化趋势基本一致。无论预锻还是终锻,初期主要成形圆盘,坯料与上、下42锻压技术 第 48 卷图 9 方案 2 锻造成形力变化曲线(a)预锻(b)终锻Fig.9 Forging force variation curves of scheme 2(a)Pre-forging(b)Final forging模表面接触较少,因此,受摩擦阻力的影响较小,锻造成形力主要随着材料变形程度的增加而增大,该阶段锻造成形力增长比较缓慢;而后期,随着圆盘的成形,坯料与上、下模表面接触较多,成形锻件底部时受到的摩擦阻力较大,同时材料的变形抗力也在不断增长,因此,该阶段锻造成形力的增长速度极快。根据图 8 可知,方案 1 中预锻、终锻的最大锻造成形力分别为 389 和 464 kN;而方案2 中预锻、终锻的最大锻造成形力分别为 354 和417 kN,如图 9 所示,明显方案 2 两道工序的最大锻造成形力更小些,能够减小模具的负载,延长使用周期。3 生产试验采用方案 2 预锻件形状进行锻模设计与制造,并通过企业资源对改进后工艺进行连接传动件的试制验证。主要流程包括:下料、加热、镦粗、预锻、终锻、热处理、抛丸、检验。下料设备采用高速圆盘锯,锻件材料为 35CrMo 合金钢,锯料直径为35 mm,长度为 80 mm;加热设备采用中频感应炉,能改善材料的内部组织、提高塑性、降低抗力,加热温度为1000;镦粗设备采用曲柄压力机,主要起到方便后续工序的零件定位、去氧化皮的作用;预锻及终锻设备采用 J53-100T 摩擦压力机;润滑剂采用耐高温的石墨乳液。试验结果如图 10a、图 10b 所示,与模拟结果相同,预锻件、终锻件的外形完整,端面整齐、表面光滑无毛刺;锻件切开后如图 10c、图 10d所示,金属流线完整无断裂,不存在金属折叠等问题,对试制锻件进行检验后发现,各尺寸合格,设计工艺能够满足企业要求,产品得到了客户认可,有效解决了原方案下锻件质量差、使用期限短的问题。4 结论(1)针对现有工艺方案下生产的连接传动件表现出的 质 量 差、使 用 期 限 短 的 问 题,通 过 De-form11.0 对现有工艺进行了模拟检验,结果发现出现该问题的原因为预锻过程中出现了金属对流现象,从而导致锻件内部产生了折叠缺陷。(2)对预锻件成形中引起金属对流的原因进行了分析,并提出了改进思路,设计了两种改进方案:一种是将预锻上模的圆凸台结构改为斜面凸台结构;另一种是直接取消凸台结构。结果表明取消凸台结构不仅能够解决折叠问题,也能够减小模具的负载,延长模具的使用周期。(3)根据有限元分析结果对改进后方案进行了生产试验,获得了充填饱满、尺寸合格的连接传动件,表明该研究方法具有极高的借鉴价值,能够极大地降低试模成本。参考文献:1 刘晓红,黄东英,张磊,等.7075 铝合金多向锻造工艺的数值模拟与试验 J.热加工工艺,2022,51(5):76-79.Liu X H,Huang D Y,Zhang L,et al.Numerical simulation and experiment of multi-directional forging process of 7075 alumi-num alloy J.Hot Working 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