張建新,周 敏,周玉峰

(1.南通福樂達(dá)汽車配件有限公司,江蘇南通226300; 2.合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,合肥230009)

基于有限元法的輪轂成形工藝對(duì)比

張建新1,周 敏1,周玉峰2

(1.南通福樂達(dá)汽車配件有限公司,江蘇南通226300; 2.合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,合肥230009)

目的 對(duì)比某型號(hào)輪轂成形的工藝方案。方法 對(duì)輪轂在不同條件下的成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究,分析成形工藝對(duì)應(yīng)力分布、應(yīng)變分布、金屬流動(dòng)速度場(chǎng)、成形載荷及內(nèi)部組織的影響。結(jié)果 坯料在800℃下采用閉式模鍛所需成形載荷小,模具結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,內(nèi)部組織為粒狀珠光體,力學(xué)性能優(yōu)于其他2種方案下的內(nèi)部組織魏氏體。結(jié)論 閉塞式擠壓和閉式模鍛成形等效應(yīng)力、等效應(yīng)變、金屬流動(dòng)速度場(chǎng)、成形載荷及內(nèi)部組織各不相同。模擬結(jié)果可以指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)中工藝方案的選擇。

有限元;閉式模鍛;閉式擠壓

采用以凈成形或近凈成形為目標(biāo)的精密塑性成形技術(shù),是21世紀(jì)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[1]。近年來,以擠壓和閉塞式模鍛為核心的精密塑性成形技術(shù)在制造業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮重要的作用,大量?jī)?yōu)質(zhì)、高效、少無切削的成形技術(shù)得到發(fā)展[2—3]。

溫鍛成形是近年來在冷塑性成形基礎(chǔ)上迅速發(fā)展起來的一種塑性成形新工藝。它的變形溫度是在室溫以上、再結(jié)晶溫度以下的溫度范圍內(nèi)。該工藝成形的零件精度高、質(zhì)量好,且能成形形狀復(fù)雜的零件[4]。相比熱模鍛,溫鍛成形件表面不會(huì)發(fā)生劇烈氧化作用,很少或沒有氧化皮,尺寸公差小,可直接成形零件的工作表面,幾乎完全省去機(jī)加工工序,且沒有飛邊,節(jié)省原材料,并且可以鍛合金屬內(nèi)部缺陷,改善金屬內(nèi)部組織,使零件具有良好的力學(xué)性能,提高零件使用壽命[5—7]。

閉塞式擠壓技術(shù)是一種高精、高效、優(yōu)質(zhì)低耗的先進(jìn)生產(chǎn)工藝技術(shù),多用于中小型鍛件大批量生產(chǎn)中[2]。閉塞式擠壓擠壓材料利用率可達(dá)80%,大大節(jié)約材料、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。并且在擠壓后金屬內(nèi)部空隙及缺陷大大減少,提高零件力學(xué)性能此外,擠壓工藝可加工復(fù)雜斷面零件并獲得較好的表面粗糙度和尺寸精度。是一種先進(jìn)的少無切削的塑性加工工藝[8]。

文中所研究的輪轂,是汽車空調(diào)離合器上的零件,目前多采用溫鍛與擠壓兩種工藝生產(chǎn)。文中通過對(duì)溫鍛和冷擠壓兩種成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬,對(duì)比兩種不同工藝下的成形載荷、應(yīng)變分布、金屬流動(dòng)速度場(chǎng)及內(nèi)部組織,綜合分析兩種工藝的優(yōu)劣,找出最佳工藝方案。本次結(jié)果對(duì)該輪轂成形工藝方案的選擇具有參考價(jià)值。

1 工藝方案確定

1.1 零件分析

輪轂材料為20Cr,零件圖如圖1所示。底部為圓盤狀,四周分布7個(gè)不同直徑的小孔,中間為空心凸臺(tái),底盤外徑為87 mm,中間凸臺(tái)部分外徑為38 mm,內(nèi)徑為21 mm。

圖1 零件示意圖Fig.1 Part diagram of wheel

1.2 輪轂成形過程

該輪轂以棒料為毛坯,經(jīng)制坯工藝后沖孔成形。制坯采用2種不同方案成形,分別為400℃閉塞式擠壓、400℃閉式模鍛。2種方案的幾何模型如圖2所示。溫?cái)D壓時(shí),上沖頭下行,金屬由中心向四周流動(dòng),充滿型腔后完成成形。溫鍛時(shí)坯料中心金屬反擠完成凸臺(tái)部分的充型,四周金屬在沖頭作用下被鐓粗完成底盤部分的成形。

圖2 模具坯料幾何模型Fig.2 Geometric model of blank

2 有限元模擬

運(yùn)用DEFORM-3D有限元軟件,采用剛塑性本構(gòu)模型,對(duì)輪轂成形過程進(jìn)行仿真模擬。定義坯料為塑性體,坯料材料 20Cr,模具為剛性體,網(wǎng)格總數(shù)50 000。成形參數(shù)為:溫度為400℃,沖頭速度為20 mm/s,摩擦因數(shù)為0.2,閉塞式擠壓的坯料尺寸為φ20 mm×36 mm,閉式模鍛的坯料尺寸為φ30 mm×24 mm。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 等效應(yīng)力分析

圖3、圖4分別為閉塞式擠壓和閉式模鍛成形過程的等效應(yīng)力分布云圖。由圖3和4可知:兩者存在顯著差異,閉塞式擠壓時(shí),最大應(yīng)力集中在零件底部凸臺(tái)部分;閉式模鍛最大應(yīng)力則集中在底部圓盤部分。

閉塞式擠壓在成形前期時(shí)是靠沖頭擠壓坯料凸臺(tái)部分完成圓盤部分成形,在充填底部圓盤部分時(shí)凸臺(tái)部分在沖頭作用下僅僅發(fā)生剛性平移,而在底部受到較大應(yīng)力由中心向四周流動(dòng),因此底部圓盤應(yīng)力大于凸臺(tái)部分應(yīng)力,在成形末期充填死角時(shí),凸臺(tái)部分流動(dòng)阻力變大,應(yīng)力大于底部圓盤部分應(yīng)力。應(yīng)力呈軸向旋轉(zhuǎn)堆成分布,且越靠近中心部分,等效應(yīng)力越大。

閉式模鍛在成形時(shí)靠上模給坯料施加壓力完成成形,受力區(qū)域則集中于與上模接觸的部分,由于坯料四周在模具施加的載荷下開始沿徑向流動(dòng)充型,中心金屬并未受到來自模具的載荷,僅僅發(fā)生剛性平移,因此中心部分應(yīng)力小于與模具接觸部分。應(yīng)力呈軸向旋轉(zhuǎn)堆成分布,且越靠近中心部分,等效應(yīng)力越小。

圖3 閉塞式擠壓等效應(yīng)力分布Fig.3 Equivalent stress distribution during closed extrusion

圖4 閉式模鍛等效應(yīng)力分布Fig.4 Stress distribution during closed die forging

3.2 等效應(yīng)變場(chǎng)分析

圖5、圖6分別為閉塞式擠壓、閉式模鍛成形過程等效應(yīng)變分布云圖。由圖5、圖6可知:閉塞式擠壓應(yīng)變集中在零件底部,而閉式模鍛應(yīng)變則集中在零件底部圓盤部分。二者應(yīng)力分布存在較大差異。

圖5 閉塞式擠壓等效應(yīng)變分布Fig.5 Equivalent strain distribution during closed extrusion

圖6 閉式模鍛等效應(yīng)變分布Fig.6 Equivalent strain distribution during closed die forging

在閉塞式擠壓過程中,坯料在沖頭的作用下由中心向四周流動(dòng)開始充型,因此在成形過程中零件凸臺(tái)部分僅僅發(fā)生剛性平移,并未參與變形,而零件底部圓盤部分在成形過程中發(fā)生較大變形。成形完成時(shí)應(yīng)變場(chǎng)呈中心對(duì)稱分布,越靠近下方,應(yīng)變?cè)酱蟆?/p>

在閉式模鍛的成形過程中,坯料在上模的壓力下充填型腔,坯料四周金屬在上模的作用力下向四周流動(dòng),發(fā)生應(yīng)變,中心部分則僅僅發(fā)生剛性平移,應(yīng)變接近于0。成形完成時(shí)閉式模鍛的應(yīng)變場(chǎng)沿軸向呈旋轉(zhuǎn)對(duì)稱分布,越靠近對(duì)稱軸,應(yīng)變?cè)叫　?/p>

圖7 閉塞式擠壓速度場(chǎng)Fig.7 Velocity field of closed extrusion

圖8 閉式模鍛速度場(chǎng)Fig.8 Velocity field of closed die forging

3.3 金屬流動(dòng)場(chǎng)分析

圖7、圖8分別為閉塞式擠壓、閉式模鍛的斷面金屬流動(dòng)速度場(chǎng)。由圖7、圖8可知,二者的速度場(chǎng)分布存在明顯差異。

在閉塞式擠壓過程中,零件在沖頭的壓力下開始由中心向底部鋪展開來充型底部圓盤部分,而在成形末期充填死角過程中,底部邊緣金屬開始出現(xiàn)回流充填死角,坯料與沖頭接觸的部分也開始向上流動(dòng)產(chǎn)生飛邊,整個(gè)過程坯料中部始終未出現(xiàn)明顯的分流面。并且坯料內(nèi)部金屬流動(dòng)速度大于金屬外部流動(dòng)速度。

閉式模鍛在成形開始后,金屬在上模的壓力下開始充型,坯料四周金屬向四周流動(dòng),中間部分則并未發(fā)生相對(duì)流動(dòng),僅僅在相鄰金屬作用下產(chǎn)生剛性平移,在成形末期凸臺(tái)與上模接觸部分則向下流動(dòng)完成底部圓盤部分死角的充填,在金屬斷面上可以看到明顯的分流面。并且坯料內(nèi)部金屬流動(dòng)速度小于坯料外部金屬流動(dòng)速度。

3.4 成形載荷分析

圖9為閉塞式擠壓和閉式模鍛兩種工藝的成形載荷曲線,由圖可知二者曲線走勢(shì)有明顯不同。閉塞式擠壓件成形過程中在A時(shí)刻以前載荷上升較快,此過程中坯料在型腔中處于兩向受壓狀態(tài),載荷急劇增大;AB階段金屬由中心向四周流動(dòng),充滿型腔,此時(shí)坯料四周處于單向應(yīng)力狀態(tài)載荷基本不變;BC階段坯料開始接觸到模具四周側(cè)壁,開始出現(xiàn)回流,充填死角,受力面積增大,載荷增加明顯。

閉式模鍛件在B'時(shí)刻以前載荷上升較慢,此過程中模具凸臺(tái)部分尚未開始成形,坯料處于局部加載狀態(tài),坯料四周被墩粗開始向四周流動(dòng)充型底部圓盤部分。B'C'階段坯料載荷上升較快,此過程中坯料上端開始與上模接觸,完成凸臺(tái)部分成形,此時(shí)坯料與模具接觸面積急劇增大,載荷上升很快。

圖9 成形過程時(shí)間-載荷曲線Fig.9 Time-load curve of forming

3.5 工藝改進(jìn)

輪轂的主要工作面為底部圓盤部分,在成形過程中圓盤部分發(fā)生的應(yīng)變?cè)酱?越有利于延長(zhǎng)零件使用壽命,并且成形載荷越小,成本越低[9]。由應(yīng)變場(chǎng)及成形載荷分析知閉塞式擠壓優(yōu)于閉式模鍛。但在生產(chǎn)中閉塞式擠壓需要單獨(dú)設(shè)計(jì)鎖模結(jié)構(gòu)來保證成形的順利進(jìn)行,在普通單動(dòng)液壓機(jī)上難以實(shí)現(xiàn)。而閉式模鍛模具結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn),成本較低[10],因此采用閉式模鍛更合適,在實(shí)際生產(chǎn)中可適當(dāng)提高閉式模鍛的成形溫度來降低成形載荷[11]。

圖10為閉式模鍛件的成形時(shí)間-載荷曲線,此時(shí)800℃下成形載荷相比溫鍛件載荷明顯減少,輪轂可采用此種工藝生產(chǎn)。

圖10 閉式模鍛成形過程時(shí)間-載荷曲線Fig.10 Time-load curve of closed die forging process

4 試驗(yàn)

分別生產(chǎn)出形狀符合要求的工件后,將400℃與800℃下成形的兩個(gè)閉式模鍛件從中軸線切開,磨平拋光后酸腐蝕。在金相顯微鏡下即可觀察到零件內(nèi)部組織。

圖11為擠壓件與溫鍛件金屬內(nèi)部組織金相圖。圖11a為400℃閉式模鍛件的內(nèi)部組織金相照片,由于該零件在400℃下成形,因此內(nèi)部組織仍保留坯料原始組織,可以看出金屬基體被片狀晶粒切割,主要是滲碳體魏氏組織。魏氏組織是鋼的一種缺陷組織,它會(huì)使鋼的力學(xué)性能,特別是沖擊韌性和塑性顯著降低,并提高鋼的脆性轉(zhuǎn)折溫度,因而使鋼容易發(fā)生脆性斷裂,降低零件使用壽命[12—15]。圖11b為800℃閉式模鍛件內(nèi)部組織,該零件在800℃下采用閉式模鍛成形,在成形過程中發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,圖中斷面上的粒狀滲碳體均勻分布在鐵素體基體上,形成粒狀珠光體組織,具有較高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度,強(qiáng)韌性較好,可以有效提高零件的機(jī)械性能及使用壽命[5]。

圖11 零件內(nèi)部組織Fig.11 Internal organization of parts

5 結(jié)論

1)輪轂在閉塞式擠壓和閉式模鍛兩種工藝下成形應(yīng)力應(yīng)變、速度場(chǎng)分布各不相同。

2)輪轂采用800℃下閉式模鍛成形方案成形所需載荷不大,模具結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。

3)輪轂采用800℃下閉式模鍛成形方案所得輪轂組織明顯優(yōu)于其他兩種成形方案所得到的輪轂組織,采用該方案成形更有利于提高零件機(jī)械性能。

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Com parison of Hub Form ing Process Based on the Finite Element Method

ZHANG Jian-xin1,ZHOU Min1,ZHOU Yu-feng2
(1.Nantong Fuleda Vehicle Accessory Component Co.Ltd.,Nangtong 226300,China; 2.School of Materials Science and Engineering,Hefei University of Technology,Hefei230009,China)

This experiment compared processing plans for forming of a certain type of hub.The numerical simulation and the experimental research of the forming process of hub were conducted under different conditions to analyze the influence of the forming process on stress distribution,strain distribution,metal flow velocity,forming load and internal organization.The results showed that the forming load for workpieces at 800℃ by closed die forging was low,and under this condition,the internal organization was granular pearlite,themould structure was simple and themechanical properties of the internal organization were better than those of the widmanstatten under the conditions in the other two processing plans. In conclusion,the closed die extrusion and the closed die forging have differences in the equivalent stress,the equivalent strain,themetal flow velocity and the internal organization.The simulation result is instructive for the choice of the actual production process.

finite element;closed die forging;closed extrusion

10.3969/j.issn.1674-6457.2015.04.009

TG302

:A

:1674-6457(2015)04-0042-06

2015-05-26

張建新(1963—),男,江蘇南通人,主要研究方向?yàn)樾龎撼尚巍?/p>