文/秦威，張科，張來(lái)星，張?bào)w學(xué)·山東神力索具有限公司

T形連接件是鐵路接觸網(wǎng)中廣泛應(yīng)用的產(chǎn)品，但在鍛造生產(chǎn)過(guò)程中，由于此T形連接件截面面積突然變大，采用空氣錘自由鍛預(yù)鍛制坯需要拔長(zhǎng)坯料長(zhǎng)度的80%，而剩余的長(zhǎng)度火鉗難以?shī)A持。因此改進(jìn)預(yù)鍛工藝，對(duì)坯料先進(jìn)行軸向鐓粗，然后再通過(guò)二次預(yù)鍛和精鍛最終得到鍛件成品，并借助于金屬塑性成形模擬軟件Deform進(jìn)行鍛造過(guò)程數(shù)值模擬，然后進(jìn)行小批量生產(chǎn)以驗(yàn)證模擬結(jié)果，研究此種成形工藝的可行性。采用合理的鐓粗徑長(zhǎng)比將圓柱坯料軸向鐓粗可以獲得較為理想的二次預(yù)鍛制坯形狀；二次預(yù)鍛工序合理的增大模膛內(nèi)凸圓角，可以讓預(yù)鍛坯料盡可能地水平置于精鍛模膛內(nèi)，避免零件歪頭產(chǎn)生折疊和缺料。確定前期產(chǎn)品成形模具設(shè)計(jì)的可靠性，確保產(chǎn)品安全可靠，以達(dá)到縮短研發(fā)設(shè)計(jì)周期、節(jié)約研發(fā)成本的目的。

零件幾何尺寸及成形工藝

本文選取山東神力索具有限公司SLR-716規(guī)格T形連接件作為本次研究的對(duì)象，產(chǎn)品零件如圖1所示。此件基本形狀一端是40mm×30mm×10.3mm的板狀體，另一端是φ44.8mm×8mm和φ25mm×8mm的兩個(gè)圓餅形臺(tái)階。在現(xiàn)有工藝中，材料直徑大、長(zhǎng)度短，需要下料后工人手持夾鉗自由鍛拔長(zhǎng)，再將坯料放入模具中進(jìn)行鍛造，由于可加持部位長(zhǎng)度僅為16mm，難以操作，且拔長(zhǎng)前后的理想階梯軸的兩個(gè)直徑比值較大，所以提出將自由鍛拔長(zhǎng)改為模鍛鐓粗的方案。由于產(chǎn)品一端為平板形狀，且中間有凹窩，鐓粗后為圓錐形的坯料再經(jīng)二次預(yù)鍛（壓扁），以便更好的精鍛成形。所以，最終確定的成形工藝為：軸向鐓粗→二次預(yù)鍛（壓扁）→精鍛成形。

圖1 產(chǎn)品零件圖

成形工藝的模具設(shè)計(jì)

根據(jù)零件形狀和工藝，零件的材料利用率應(yīng)在80%以上，在三維建模軟件中建立產(chǎn)品模型后得到體積VC=26162mm3，質(zhì)量為0.205kg，除以利用率得到所需坯料體積VM=32702.5mm3，質(zhì)量為0.256kg。

軸向鐓粗型腔設(shè)計(jì)和坯料尺寸確定

由于平板部分的形狀為軸向鐓粗后二次預(yù)鍛（壓扁）而來(lái)，所以坯料的直徑選擇應(yīng)接近于軸向鐓粗中模腔的直徑，平板部分截面面積為S1=30×10.3=309mm2，加上估算的飛邊面積20mm(飛邊寬）×2mm(飛邊厚）×2(兩側(cè)均有飛邊）=80mm2，平板面積共389mm2，則前一工序的鐓粗中圓截面面積與之相等或稍大均可。389mm2圓截面面積的半徑為11.13mm，按照直徑22mm取值計(jì)算坯料為φ22mm×86mm，此鐓粗徑長(zhǎng)比為1∶3.91，不利于鐓粗，因此改用加大坯料直徑，選直徑24mm坯料，尺寸取φ24mm×72mm，經(jīng)計(jì)算鐓粗徑長(zhǎng)比為1∶3，利于鐓粗，可以接受。

為了能更精確計(jì)算出鐓粗型腔下模的形狀，我們?cè)谌S圖中將零件分為兩部分計(jì)算。零件平板部分的體積可直接測(cè)出占產(chǎn)品總體積的40.8%，那么所需的成形體積為V1=VM×0.408=13343mm3。由以上直徑和體積可以設(shè)計(jì)出鐓粗下模的形狀，直徑為24mm、拔模角為5°、深度為25.5mm的凹窩，如圖2所示（圖2使用反向布爾運(yùn)算方便讀者觀察形狀）。

圖2 鐓粗型腔下模示意圖

大圓餅部分需要的體積為V2=VM-V1=19359.5 mm3，按照下一工步為軸向鐓粗的理念，大頭鐓粗成形后的圓餅直徑應(yīng)大于44.8mm。當(dāng)直徑為44.8mm時(shí)，厚度為12.13mm，為使直徑大于45mm，應(yīng)取厚度小于12.13mm，取整數(shù)數(shù)值11mm，鐓粗的直徑為47.35mm。考慮到鐓粗工序不可以有飛邊，且非封閉鍛造，所以上模凹窩直徑設(shè)計(jì)應(yīng)大于47.35mm，因此直徑取55mm、深度取11mm，至此軸向鐓粗型腔確定。

二次預(yù)鍛（壓扁）型腔設(shè)計(jì)

二次預(yù)鍛（壓扁）型腔和精鍛成形型腔相近，為便于終鍛成形和利于出模，二次預(yù)鍛型腔在設(shè)計(jì)中去掉平板部分的圓臺(tái)，增加模具上凸圓角半徑。坯料在二次預(yù)鍛制坯后，要確保放入精鍛腔時(shí)的姿態(tài)不可以歪頭傾斜，否則精鍛成形時(shí)，上模會(huì)削去坯料高點(diǎn)的材料，造成缺材。經(jīng)過(guò)計(jì)算與Adams軟件模擬，在二次預(yù)鍛型腔中，把產(chǎn)品原R2處弧的型腔，設(shè)計(jì)做成R3.5，這樣可以確保二次預(yù)鍛的料放到精鍛腔中保持水平，歪頭和水平效果如圖3和圖4所示。

圖3 調(diào)整前的效果

圖4 調(diào)整后的效果

精鍛成形型腔

精鍛腔與最終產(chǎn)品（圖1）一致，產(chǎn)品模布局如圖5所示（左側(cè)為上模，右側(cè)為下模），效果圖中下部分圓形凹窩為鐓粗腔，三個(gè)并列型腔的中間為二次預(yù)鍛（壓扁）腔，兩邊均為精鍛腔，這樣設(shè)計(jì)的好處，可以將鍛造模具的使用壽命提高1.5倍以上。

成形工藝數(shù)值模擬

軸向鐓粗成形

(1)軸向鐓粗參數(shù)設(shè)置。在Deform模擬系統(tǒng)中，由于Deform軟件不能直接讀取三維軟件的格式，需要將三維軟件中的模具及坯料導(dǎo)出至中間格式方可以被Deform讀取。軸向鐓粗和后面的二次預(yù)鍛（壓扁）以及精鍛成形前處理設(shè)置均使用Deform-2D/3D preprocessor模式，此模式對(duì)模擬參數(shù)設(shè)置順序有較大的自由度，并能靈活修改，單位為IS，設(shè)置模擬文件名稱(chēng)和保存路徑后自動(dòng)啟動(dòng)前處理模塊。

設(shè)置外界環(huán)境20℃，導(dǎo)入上下模具后均設(shè)為剛體，導(dǎo)入坯料后設(shè)置為塑性體，坯料溫度為1150℃，坯料材料為steel里面接近合金鋼，金屬再結(jié)晶溫度為850～1200℃的AISI-8620材料。由于三維造型軟件中的尺寸數(shù)據(jù)均可以測(cè)量，上下模具和工件的位置均使用參數(shù)化移動(dòng)，并在定位中采用“落下”的方式。設(shè)置單個(gè)步數(shù)為0.2mm，當(dāng)上下模具間隙為零時(shí)停止模擬。同時(shí)設(shè)置對(duì)象間關(guān)系后檢查并生成BD檔案文件。

(2)軸向鐓粗坯料網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分并非最后一步設(shè)置，只因?yàn)槠渲匾远鴨为?dú)說(shuō)明，坯料網(wǎng)格劃分應(yīng)大小適中，過(guò)大了計(jì)算失真、誤差大，過(guò)小了計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，根據(jù)產(chǎn)品尺寸，我們確定網(wǎng)格尺寸為絕對(duì)值0.6mm，網(wǎng)格重劃分系數(shù)取絕對(duì)值0.4mm，劃分效果如圖6所示。

(3)軸向鐓粗求解計(jì)算。返回Deform-2D/3D Ver主界面，在界面左側(cè)選擇剛才保存的BD檔案文件，在界面右側(cè)的求解（Simulator）中選擇“執(zhí)行”，結(jié)果如圖7所示。

二次預(yù)鍛（壓扁）成形

軸向鐓粗完成以后其結(jié)果可供下一階段模擬使用，新建BD檔案，導(dǎo)入上下模具后導(dǎo)入工件時(shí)選擇鐓粗工步計(jì)算完成的BD文件模型，將工件沿X軸旋轉(zhuǎn)并平移至二次預(yù)鍛（壓扁）腔位置，并在定位中采用“落下”的方式，由于不研究溫度變化，取值1100℃。其他前處理參數(shù)及網(wǎng)格劃分均與上一工序軸向鐓粗中的一致，保存并返回后求解計(jì)算。

圖5 產(chǎn)品模具效果圖

圖6 網(wǎng)格設(shè)置與劃分效果圖

圖7 軸向鐓粗結(jié)果

精鍛成形設(shè)置

二次預(yù)鍛（壓扁）完成以后其結(jié)果可供下一階段模擬使用，通過(guò)新建BD檔案，導(dǎo)入上下模具后導(dǎo)入工件時(shí)選擇二次預(yù)鍛（壓扁）計(jì)算完成的BD文件模型，將工件沿Y向平移至精鍛腔位置，在定位中采用“落下”的方式，工件溫度取1050℃。其他前處理參數(shù)及網(wǎng)格劃分均與軸向鐓粗中的一致，保存并返回后求解計(jì)算。

模擬結(jié)果及分析

精鍛求解完成后可以在后處理模塊（Post Processor）中觀察到結(jié)果。軸向鐓粗→二次預(yù)鍛（壓扁）→精鍛成形每工步模擬效果依次為圖8～圖10所示，載荷分別如圖11、圖12所示。從結(jié)果看上下模具圓餅部分均充滿、無(wú)缺料現(xiàn)象，從網(wǎng)格形狀觀察無(wú)折疊現(xiàn)象，成形效果較好。

圖8 軸向鐓粗

圖9 二次預(yù)鍛

圖10 精鍛成形

圖11 二次預(yù)鍛（壓扁）載荷

圖12 精鍛成形載荷

圖13 模鍛產(chǎn)品及飛邊

結(jié)論

根據(jù)模擬結(jié)果及載荷情況，我們選用2t電液錘作為鍛造設(shè)備、160t沖床為切邊設(shè)備，產(chǎn)品下料尺寸優(yōu)化為φ24mm×68mm，小批量試產(chǎn)后效果良好，通過(guò)測(cè)算材料利用率達(dá)到85.08%，最終產(chǎn)品及飛邊情況如圖13所示。

對(duì)于T形鍛件類(lèi)產(chǎn)品，通過(guò)采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，改進(jìn)預(yù)鍛工藝，采用合理的鐓粗徑長(zhǎng)比將圓柱坯料軸向鐓粗，能獲得較為理想的二次預(yù)鍛制坯形狀；借助主流CAE分析軟件金屬塑性成形模擬軟件Deform進(jìn)行鍛造過(guò)程數(shù)值模擬，模擬多步鍛造工藝，提前發(fā)現(xiàn)鍛造折疊或缺材問(wèn)題；利用Adams虛擬樣機(jī)軟件能有效避免T形鍛件產(chǎn)品精鍛時(shí)歪頭產(chǎn)生的折疊和缺料，從而達(dá)到縮短研發(fā)設(shè)計(jì)周期、節(jié)約研發(fā)成本的目的。

(1)針對(duì)T形鍛件類(lèi)產(chǎn)品，模鍛鐓粗制坯方案可以提供良好的制坯結(jié)果。

(2)通過(guò)對(duì)預(yù)鍛壓扁工序增大模具凸圓角設(shè)計(jì)，可以把預(yù)鍛坯料水平置于精鍛模膛內(nèi)，有效避免因零件歪頭產(chǎn)生的折疊和缺料。

(3)經(jīng)過(guò)實(shí)際生產(chǎn)證明，數(shù)值模擬確定的成形工藝具有可行性，確保了產(chǎn)品設(shè)計(jì)前期的可靠性、安全性，可批量用于生產(chǎn)。