沈麗琴，金立艷

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基于Deform的萬向節(jié)鐘形罩溫冷聯(lián)合成形工藝與數(shù)值模擬＊

沈麗琴，金立艷

（南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院軌道交通學(xué)院，江蘇 南京 211188）

車用萬向節(jié)鐘形罩的傳統(tǒng)加工方法是采用鍛壓機(jī)熱鍛和機(jī)加工，該方法存在表面質(zhì)量和力學(xué)性能不高等缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)了包括正擠、鐓頭、反擠、冷精整四道工序的溫冷聯(lián)合鍛造工藝，基于Deform軟件對各工序的應(yīng)力應(yīng)變分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，該研究結(jié)果為杯桿類零件的溫冷聯(lián)合成形研究與模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一定參考。

鐘形罩；溫冷聯(lián)合成形；數(shù)值模擬；模具設(shè)計(jì)

1 引言

鐘形罩是車用等速萬向節(jié)的重要零件之一，形狀較為復(fù)雜，質(zhì)量要求較高，其制造工藝決定了產(chǎn)品的質(zhì)量及生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)加工方法是采用鍛壓機(jī)熱鍛和機(jī)加工，該方法存在能耗高，工件易過燒、氧化，加工余量大，表面質(zhì)量和力學(xué)性能不高等缺點(diǎn)。近年來，國內(nèi)外學(xué)者和企業(yè)對于此類零件的成形工藝進(jìn)行了多方面探討，主要改進(jìn)是采用冷鍛和溫鍛等多種成形方式。研究主要集中在通過改變成形溫度、潤滑與摩擦、模具磨損、模具結(jié)構(gòu)等提高成形質(zhì)量和模具壽命[1]。江蘇森威集團(tuán)開發(fā)了多工序冷鍛成形方案。歐美、日本生產(chǎn)萬向節(jié)鐘形罩零件產(chǎn)品精度等級可達(dá)到7～9級。溫?cái)D壓是一種坯料在室溫之上及再結(jié)晶溫度之下進(jìn)行的成形工藝[2]。成形鍛件尺寸精度和表面質(zhì)量較好，近年來在國內(nèi)外得到了較廣泛研究與應(yīng)用。此類零件的鍛造工藝目前來說較為成熟，但在如何提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量等方面仍有一定發(fā)展空間。本文提出一種“溫-冷聯(lián)合”成形工藝，通過溫鍛（正擠、鐓頭、反擠）來形成零件基本輪廓，確保零件組織性能，使模具壽命符合要求，再通過冷鍛精整零件來確保最后達(dá)到尺寸要求?；贒eform軟件對各工序的應(yīng)力應(yīng)變分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，根據(jù)結(jié)果指導(dǎo)了模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 成形工藝性分析

零件形狀如圖1所示，材料牌號為SAE1050M（對應(yīng)國內(nèi)牌號50號鋼）。首先進(jìn)行成形工藝性分析，在溫鍛范圍內(nèi)800 ℃左右時成形性能良好；由形狀可分為套部和桿部，鍛件由下模脫出可直接使用頂桿頂出，鍛件從上模脫下時需考慮采用卸料板裝置或采用頂桿頂出，滿足脫模要求；套部的表面粗糙度為Ra3.2 μm，零件尺寸精度為7級精度，溫鍛和冷精整能滿足要求。

本次設(shè)計(jì)的“溫鍛+冷精整聯(lián)合工序”中溫鍛包括正擠桿部、鐓粗頭部、反擠頭部，冷精整工序主要為縮徑及內(nèi)腔底部的微量反擠。

3 數(shù)值分析模型建立

3.1 毛坯與鍛件模型設(shè)計(jì)

終鍛件尺寸通過零件尺寸加余量，且需要考慮鍛件實(shí)際情況來選取余量。零件桿部尺寸取單邊余量1.5 mm，頭部取2 mm高度余量。按圖紙要求運(yùn)用UG軟件三維造型，計(jì)算終鍛件體積為261 489 mm3。初始鍛造溫度加熱至820 ℃。鍛件圖桿部直徑30 mm，頭部最大外徑約為95 mm。根據(jù)體積選用鋼坯規(guī)格，計(jì)算選定鋼坯尺寸φ60 mm×94 mm。正擠桿部直徑為φ31.5 mm×100 mm，頭部尺寸為φ60 mm×66.5 mm。頭部桿部連接處入模角120°。鐓粗頭部尺寸為φ80 mm×35 mm，入模角120°，桿部為φ31.5 mm×90 mm。反擠鍛件頭部尺寸為φ31.5 mm×74.5 mm，桿部φ31.5 mm×91 mm。終鍛頭部尺寸為φ60 mm×91.75 mm，桿部φ31.9 mm×105.5 mm。

3.2 有限元數(shù)值分析模型創(chuàng)建

采用剛塑性有限元法將鍛件屬性設(shè)計(jì)為塑性體，模具屬性設(shè)計(jì)為剛性體。為提高效率，結(jié)合利用零件的對稱性，采用1/6模型作為分析模型。網(wǎng)格劃分為50 000個網(wǎng)格，基本可以真實(shí)反映變形情況。

溫鍛坯料溫度按經(jīng)驗(yàn)值取830 ℃，環(huán)境溫度為20 ℃，溫鍛模具溫度按經(jīng)驗(yàn)值取300 ℃，傳熱時間統(tǒng)一設(shè)置為5 s，選取凸模速度為100 mm·s-1，溫鍛摩擦因子為0.25、冷鍛摩擦因子為0.12，熱交換系數(shù)值為11 N·sec-1·mm-1℃-1。

4 溫冷聯(lián)合成形模擬數(shù)據(jù)與分析

4.1 溫?cái)D成形等效應(yīng)變分析

正擠工序的應(yīng)變分布情況如圖2所示。正擠初期，即在擠出桿部之前充滿凹模入模口階段，坯料的變形量很少，隨著擠出的進(jìn)行，局部應(yīng)變增大。但整個應(yīng)變都在可允許范圍內(nèi)，最后整體應(yīng)變場趨于平衡，其中有極少部位等效應(yīng)變增至6 mm及以上，考慮有限元網(wǎng)格的畸變等問題切數(shù)量極少，因此可以忽略該處應(yīng)變的劇烈變化。在正擠階段的成形過程中金屬能夠順利擠出設(shè)計(jì)鍛件的桿部長度，擠出質(zhì)量良好。

圖2 正擠不同壓下量時等效應(yīng)變分布

鐓頭160、172步時等效應(yīng)變分布如圖3所示。由圖3可看出等效應(yīng)變變化不大，僅頭部產(chǎn)生應(yīng)變，桿部基本保持不變，都在較小范圍內(nèi)。

圖3 鐓頭160、172步時等效應(yīng)變分布

反擠過程中等效應(yīng)變分布如圖4所示。反擠時等效應(yīng)變主要產(chǎn)生在頭部區(qū)域，凸模底面等效應(yīng)變較小，擠出壁部等效應(yīng)變較大。反擠過程中，鍛件內(nèi)底部隨著厚度減小應(yīng)變變大?？傮w而言，鍛件應(yīng)變分布較為均勻。

圖4 反擠100、150、199步時等效應(yīng)變分布

4.2 溫?cái)D成形等效應(yīng)力分析

正擠過程中等效應(yīng)力變化如圖5所示，由圖5可以看出，隨著擠壓的進(jìn)行，等效應(yīng)力成增大趨勢。等效應(yīng)力最高處為鍛件下部拐角處，由于在凸模作用下上部坯料向下流動，這里為入模口位置，限制了金屬向下流動，而產(chǎn)生了較大應(yīng)力。

圖5 正擠不同壓下量時等效應(yīng)力分布

鐓頭等效應(yīng)力分布如圖6所示，由圖6可以看出，頭部上表面等效應(yīng)力比內(nèi)部大，最大約為530 MPa，都在許可范圍內(nèi)。

圖6 鐓頭30、160、172步時等效應(yīng)力分布

反擠各階段等效應(yīng)變分布如圖7所示。第一階段頭部應(yīng)力分布較均勻；反擠出壁部時，壁部上端等效應(yīng)力較小，此時上部由于沒有模具限制。而當(dāng)上部與模具接觸，受到限制時，可看出壁部上端的等效應(yīng)力又開始增大。此時，鍛件壁部下端等效應(yīng)力降低，而凸模上部用于限制鍛件高度的部位與鍛件接觸起主要作用，上部金屬為主要受力區(qū)。

圖7 反擠100、150、199步時等效應(yīng)力分布情況

4.3 精整過程中等效應(yīng)變分布

冷精整變形從工藝角度看，要求確保鍛件尺寸進(jìn)度；從等效應(yīng)變角度看，經(jīng)過模擬分析發(fā)現(xiàn)等效應(yīng)變均為較小值，符合精整變形的理念，從這個角度看該工藝較為合理。

5 結(jié)論

萬向節(jié)鐘形罩對表面質(zhì)量和力學(xué)性能等要求嚴(yán)格，成形充填過程復(fù)雜。本文選取“溫鍛+冷精整”方式（正擠、鐓頭、反擠、冷精整）形成零件，效率高，能有效保證產(chǎn)品質(zhì)量。利用Deform軟件對各工序進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，正擠工序中金屬大變形區(qū)在底部與底部中心處，而模具受應(yīng)力較大區(qū)域在入?？谔?。可通過減小入模角和增大模具圓角等方式延長模具壽命，所提出的溫冷聯(lián)合成形工藝設(shè)計(jì)滿足質(zhì)量要求。該研究結(jié)果為杯桿類零件的溫冷聯(lián)合成形研究與模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一定參考。

［1］王艷蓉.杯形件溫?cái)D壓成形的計(jì)算機(jī)模擬和試驗(yàn)研究［D］.咸陽：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2017.

［2］施春宇，李旭東.十字軸溫?cái)D壓成形工藝及模具設(shè)計(jì)［J］.熱加工工藝，2014（21）：116-119.

2095－6835（2019）05－0008－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.05.008

沈麗琴（1976—），女，江蘇南通人，高工，工學(xué)碩士，南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程。

南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院自然科學(xué)科研項(xiàng)目（編號：JZ1703）

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕