王傳輝，鄧子玉，李艷娟，劉勁松

(沈陽理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽110159)

目前，大部分汽車類零件的鍛造工藝還停留在傳統(tǒng)型生產(chǎn)模式，實(shí)驗(yàn)成本較高，設(shè)計(jì)研發(fā)周期較長，產(chǎn)品研發(fā)效率有待提高［1－2］。本文結(jié)合某企業(yè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)需要，利用有限元數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)汽車差速內(nèi)齒圈鍛壓工藝進(jìn)行模擬，通過鍛壓速度、鍛壓溫度對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果中的加載力、等效應(yīng)力、等效應(yīng)變、溫度等分布規(guī)律的分析，確定合理的鍛壓速度、鍛壓溫度，為實(shí)際設(shè)計(jì)提供一定的參考數(shù)據(jù)，同時(shí)可判斷企業(yè)現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備能否滿足生產(chǎn)需要。該鍛壓工藝采用大型有限元數(shù)值模擬軟件 MSC.MARC對(duì)不銹鋼(X10CrNiMoTi18_10)鍛壓數(shù)值模擬，通過建立五組鍛壓速度和四組鍛壓溫度對(duì)該工藝進(jìn)行模擬，研究鍛壓過程中鍛壓速度、鍛壓溫度對(duì)鍛壓過程中加載力、等效應(yīng)力、等效應(yīng)變以及金屬流動(dòng)的影響規(guī)律。采用有限元技術(shù)可以提高模具設(shè)計(jì)效率，節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本。

1 鍛壓工藝

1.1 鍛模的設(shè)計(jì)

圖1為汽車差速內(nèi)齒圈零件圖。由圖1可知墊片上下成形并不對(duì)稱，在鍛壓過程中，環(huán)形坯料上下金屬流動(dòng)不均，內(nèi)側(cè)金屬向內(nèi)側(cè)流動(dòng)，墊片內(nèi)邊緣和外邊緣弧度處較難充型，分模面的位置直接影響工件充型性能和組織性能。在鍛壓能力有限的條件下，如何確定合理的分模面，選擇合理的鍛壓溫度和鍛壓速度，以滿足企業(yè)鍛壓設(shè)備的鍛壓能力，是設(shè)計(jì)所要解決的問題。該工藝采用帶有飛邊槽的鍛壓模［3］(如圖2所示)。

圖1 汽車差速內(nèi)齒圈零件圖

圖2 MARC中的建模示意圖

1.2 鍛壓方案

該工藝主要研究鍛壓速度和鍛壓溫度對(duì)金屬等效應(yīng)力、等效應(yīng)變、金屬流動(dòng)等方面的影響規(guī)律。利用有限元軟件MSC.MARC進(jìn)行模擬，由于此零件是軸對(duì)稱零件，為節(jié)省模擬計(jì)算時(shí)間，結(jié)合金屬塑性成形原理，可將模型簡(jiǎn)化成2D模型進(jìn)行模擬［4－10］，取二維模型的1/2進(jìn)行建模。模型示意圖如圖2所示。考慮到鍛壓溫度范圍以及設(shè)備的鍛壓能力，制定鍛壓方案:分別在溫度900℃、1000℃、1100℃、1200℃，速度為 5mm/s、10mm/s、15mm/s、20mm/s、25mm/s情況下進(jìn)行鍛壓工藝模擬。

該鍛壓工藝所采用的材料是不銹鋼(X10CrNiMoTi18-10)，在有限元軟件MSC.MARC 2010的材料庫中對(duì)應(yīng)本構(gòu)關(guān)系模型如圖3所示。

圖3 本構(gòu)關(guān)系模型

2 結(jié)果分析

2.1 加載力分析

由金屬塑性成形理論可知，在一定速度范圍內(nèi)，隨著鍛壓速度的增加，加載力逐漸增大;若鍛壓速度繼續(xù)增大則加載力出現(xiàn)了降低，通常降低的程度很小;速度繼續(xù)增大，加載力也增大。從加工硬化的角度分析，在一定速度范圍內(nèi)，隨著鍛壓速度的增加，工件內(nèi)部組織出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象，阻礙金屬變形，為使金屬繼續(xù)變形，必須增大加載力，繼續(xù)增大速度，使溫度在一定范圍內(nèi)增加;溫度增加從而使金屬抵抗變形的能力減小，加載力減小，且溫度增加使金屬內(nèi)部組織出現(xiàn)了回復(fù)再結(jié)晶現(xiàn)象，在一定程度上也減少了加工硬化;由于加載時(shí)間短暫，內(nèi)部組織來不及回復(fù)再結(jié)晶轉(zhuǎn)化，故這種降低加工硬化的程度較小;而加載力在一定溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的增加而降低。

當(dāng)溫度為900℃和1200℃時(shí)，加載力隨著鍛壓速度的增加出現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，但在900℃時(shí)，這種變化幅度較小，在1200℃時(shí)這種變化趨勢(shì)較為顯著，表明在較高溫度下鍛壓時(shí)，加工硬化較小;當(dāng)溫度為1000℃和1100℃時(shí)，加載力隨著鍛壓速度的增加出現(xiàn)了先增加再降低最后再增加的趨勢(shì)，且溫度為1100℃時(shí)，這種現(xiàn)象更顯著，其變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 鍛壓速度與加載力的關(guān)系圖

2.2 等效應(yīng)力分析

在鍛壓過程中，坯料內(nèi)部所受到的應(yīng)力狀態(tài)為三向壓應(yīng)力狀態(tài)。在一定鍛壓速度范圍內(nèi)，隨著鍛壓速度的增加等效應(yīng)力逐漸減小，鍛壓速度越大，三向壓應(yīng)力狀態(tài)較接近，致等效應(yīng)力越小。保持鍛壓速度不變，隨著鍛壓溫度的增加，等效應(yīng)力逐漸減小;鍛壓溫度增加，使變形抗力減小，致各向應(yīng)力均勻，使等效應(yīng)力減小。其變化趨勢(shì)如圖5所示。

圖5 等效應(yīng)力的關(guān)系圖

2.3 等效應(yīng)變分析

等效應(yīng)變的數(shù)據(jù)處理方法和等效應(yīng)力的處理方法相同，進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)出，節(jié)點(diǎn)路徑方向的等效應(yīng)變先增加后減小再增加再減小，基本上以最中間節(jié)點(diǎn)為對(duì)稱軸，上下對(duì)稱。選擇沿Y方向位移最大的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)應(yīng)各鍛壓溫度，隨著鍛壓速度的增加總體趨勢(shì)是等效應(yīng)變逐漸減小，而在鍛壓溫度為1100℃和1200℃時(shí)，在較大鍛壓速度下等效應(yīng)變出現(xiàn)了回升;保持鍛壓速度不變，隨著鍛壓溫度的增加，等效應(yīng)變逐漸減小，其變化趨勢(shì)如圖6所示。

圖6 等效應(yīng)變的關(guān)系圖

2.4 金屬流動(dòng)分析

根據(jù)金屬流動(dòng)規(guī)律，金屬總是向最小阻力方向流動(dòng)。該鍛壓工藝首先以上下模具壓著內(nèi)側(cè)金屬，使其向內(nèi)側(cè)流動(dòng)，此時(shí)外側(cè)金屬阻礙金屬向外側(cè)流動(dòng)。由于該汽車差速內(nèi)齒圈上下不對(duì)稱，與上模具接觸的坯料，在軸向鍛壓力作用下，沿徑向往內(nèi)外流動(dòng)，由于外側(cè)金屬對(duì)內(nèi)側(cè)金屬向外流動(dòng)形成一定程度的阻礙，坯料內(nèi)側(cè)阻礙較小，金屬更多流向內(nèi)側(cè);內(nèi)側(cè)在軸向較大作用力的情況下，出現(xiàn)了較大的金屬流動(dòng)，在分模面處出現(xiàn)了毛刺。與下模具接觸處的金屬沿徑向流動(dòng)規(guī)律和與上模具接觸處的金屬流動(dòng)規(guī)律基本相同;沿軸向的金屬流動(dòng)，由于下模具固定，對(duì)內(nèi)側(cè)金屬流動(dòng)阻礙較大，故內(nèi)側(cè)金屬軸向流動(dòng)較小，外側(cè)軸向阻礙較小，故外側(cè)金屬流動(dòng)較大。金屬流動(dòng)云圖如圖7所示。

圖7 金屬流動(dòng)云圖

某企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)所用的是500t的液壓機(jī)。考慮該鍛壓工藝中工件處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，較小的等效應(yīng)力和等效應(yīng)變可以得到較好組織性能，較高鍛壓溫度、鍛壓速度的等效應(yīng)力和等效應(yīng)變較小，此時(shí)可選擇較高鍛壓溫度和較大鍛壓速度，同時(shí)，較大的鍛壓速度可提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。在1100℃和1200℃下鍛壓，組織性能相差不大，高溫增加生產(chǎn)成本，故取鍛壓溫度1100℃，鍛壓速度20～25mm/s。

3 結(jié)論

1)鍛壓速度的影響規(guī)律:在一定鍛壓速度范圍內(nèi)，隨著鍛壓速度的增加，加載力總體趨勢(shì)先增加后降低;等效應(yīng)力和等效應(yīng)變均緩慢減小;金屬逐漸易于流動(dòng)。在鍛壓速度為20～25mm/s的范圍內(nèi)較適于鍛壓生產(chǎn)。

2)鍛壓溫度的影響規(guī)律:隨著鍛壓溫度的增加，等效應(yīng)力和等效應(yīng)變均逐漸減小;在鍛壓速度為20～25mm/s、鍛壓溫度1100℃時(shí)，能在500t液壓機(jī)上生產(chǎn)。

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