文/韓海河，王麗霞·內蒙古一機集團富成鍛造有限公司

鍛造過程是一個復雜的三維非穩(wěn)態(tài)過程。傳統的鍛造設計方法借助經驗和設計手冊，輔以工藝試驗來完成，設計時間長，費用高。近年來，隨著有限元模擬技術的發(fā)展，其在鍛造設計中的應用越來越成熟。有的提取了工件的幾個關鍵截面進行了二維模擬，根據模擬結果優(yōu)化了飛邊；有的應用DEFORM2-3D對連桿的閉式鍛造進行了模擬和優(yōu)化，實現了凈成形；還有的應用SUPERFORM對連桿的輥鍛制坯過程進行了模擬，得到了鍛件變形過程中的應力、應變和溫度分布等參數，以此用來預測鍛件晶粒尺寸。以上研究分別應用不同的有限元商業(yè)軟件對復雜鍛件成形過程進行模擬，指導鍛造工藝和模具設計，取得了良好的效果。

差速器殼體是汽車上的重要零件之一，鍛造質量將影響后續(xù)裝配精度及使用壽命。圖1為某車型上需求的長桿類差速器殼體。

圖1 差速器殼體粗加工3D實體造型

差速器殼體傳統鍛造方式為80kJ電液錘開式模鍛，鍛造過程存在以下問題：

⑴由于終鍛毛坯截面變化很大，故鍛造過程必須添加輥鍛制坯如圖2所示，生產效率很低。

⑵由于制坯過程中的人為控制及設備等不穩(wěn)定因素，輥鍛毛坯狀態(tài)差別很大，產品的整體質量難以保證，經常出現殼體內部缺陷及桿部充型不完全的情況。

⑶傳統工藝毛坯余量很大，因此，產品熱處理前必須經過適當的粗加工工序，增加了運輸及加工成本。

為了滿足客戶要求及降低成本，工藝組借助有限元分析軟件(DEFORM2-3D)對此項產品進行了分析，重新設計了合理的鍛件毛坯形狀，制定了相應的閉式擠壓工藝。

圖2 開式鍛造工藝輥鍛毛坯及終鍛毛坯

鍛造工藝分析

鍛件終鍛毛坯確定

圖3 閉式擠壓終鍛毛坯

合理的閉式鍛造毛坯會減少鍛造成形難度，并且均勻的機加余量可以縮短后續(xù)的加工周期，減少加工消耗?？紤]到燒損量，最終毛坯確定如圖3所示。

下料

坯料的尺寸決定了終鍛成形后是否存在成形不完全或者殘余毛刺等問題。因此，我們利用Pro-e實體成形軟件進行了精確的質量計算，確定了坯料尺寸，并利用數控帶鋸進行下料，進一步限制了坯料長度的波動范圍。

加熱方式

閉式擠壓對坯料的表面質量要求較高，傳統的室式爐加熱方式會產生較厚的氧化層，嚴重影響毛坯的成形質量，因此，工藝組確定了中頻加熱方式，設備選用為200kW中頻加熱爐。

有限元分析

考慮到鍛件截面變化比較大，制定了制坯、預鍛及終鍛三工步成形的方案。

為了保證終鍛的成形質量，閉式模鍛前兩道工序設計必須滿足以下條件：

⑴坯料分配到位，防止鍛造缺陷的產生。

⑵制坯毛坯與預鍛模膛，預鍛毛坯與終鍛模膛必須能夠精確定位，用以保證鍛造過程的穩(wěn)定。

⑶盡量減少成形應力，保證模具壽命。

確定工藝前，我們設計了兩種方案并進行了仿真分析，詳細如圖4、5所示，制坯過程有限元分析參數見表1。

表1 制坯過程有限元分析參數

方案一：采用閉式擠壓方式制坯，制坯過程將上下部坯料分配完全，預鍛過程進一步將毛坯成形。此種方案的優(yōu)點是，各工步成形力均較小，如圖4中a、b所示，制坯成形力為865t，預鍛成形力為825t。

圖4 工藝方案一

圖5 工藝方案二

方案二：采用開式模鍛方式制坯，制坯工步僅將鍛件上部基本成形，制坯后將毛坯翻轉180°置于預鍛模膛，通過預鍛模膛的設計對坯料進行上下分配(制坯過程通過調整打擊行程避免橫向毛邊的產生)。此種方案的優(yōu)點為，坯料在制坯模中擺放非常穩(wěn)定(制坯模底部尺寸與坯料尺寸相當)，并且由于采用的是開式制坯方式，制坯過程可以進一步清除毛坯表面的加熱氧化層，制坯和預鍛過程將坯料分配已趨近均勻，終鍛模壽命將大幅度提高。如圖5所示，此方案制坯成形力為978t，預鍛成形力為1920t。

工藝組在進行對比時發(fā)現，如按方案一執(zhí)行鍛造工藝，由于采用的是熱模鍛生產，上下模模具必定存在一定的間隙，由圖4中制坯工步模擬成形結果可知，制坯邊緣(上下模間隙)毛刺的產生是不可避免的，在隨后的預鍛及終鍛的過程中，這部分毛刺極可能形成鍛件的內部缺陷，造成廢品。因此，工藝組決定采用方案二來完成此項產品的技術改造。終鍛模擬結果如圖6所示，最大打擊力為2380t。

圖6 終鍛件形狀（左）及模具載荷（右）

確定工藝

由模擬結果可知，鍛造整體過程打擊力均維持在2500t以下，富成鍛造公司的2500t高能螺旋壓力機通用模架可完成三工步鍛造，設備相關主要參數有，最大打擊能量1000kJ，最大打擊力為4000t，合理打擊力為3500t。由上可知采用2500t壓力機適合此項產品的生產。

最終確定的生產工藝為：數控高速帶鋸下料→200kW中頻爐加熱→2500t高能螺旋壓力機鍛造。

試制

參照模擬結果，完善了鍛模設計，并在2500t高能螺旋壓力機上進行工藝試驗和試生產。改進后，在現場控制得當的情況下，充型效果非常好，表面質量也得到了大幅度提升，并且不會再因內部缺陷而造成廢品，生產效率也得到大幅度提升。結果表明，設計符合生產要求，目前該工藝已穩(wěn)定用于生產。原毛坯與改進后毛坯對比如圖7a、b所示。

改進前后相關數據對比見表2。

表2 改進前后相關數據對比

圖7 毛坯改進前后對比

結束語

本文對差速器殼的鍛造工藝進行了改進，將預、終鍛工序改進為無飛邊閉式模鍛，同時設計了合理的制坯工步，在螺旋壓力機上實現了復雜鍛件的鍛造生產，提高了材料利用率和鍛件質量，試驗驗證了其正確性。對于類似鍛件的鍛造生產，這種開式模鍛制坯與閉式模鍛相結合的工藝方法有很好的借鑒意義。

本文結合實際的鍛造條件，采用合適的有限元模型，進行了差速器殼鍛造過程數值模擬。結合塑性成形理論對模擬結果進行了分析，并基于模擬結果進行了鍛造工藝模具設計。這種分析方法可以有效地用于復雜鍛件的鍛造工藝模具設計。