萬向節叉鍛造成形過程模擬與分析

南車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司高級工程師 陳勝

萬向節叉鍛造成形過程模擬與分析

南車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司高級工程師 陳勝

傳動軸萬向節叉是車輛傳動系統中的關鍵零件之一，傳遞著車輛運行的全部驅動力，載荷重、受力情況極其復雜，其力學性能和產品質量直接影響著傳動系統的可靠性和車輛運行的安全性，采用常規機械切削加工成形很難滿足其強度要求，而模鍛成形萬向節叉因力學性能好、耐磨損、使用壽命長等優點目前正被廣泛使用。

DEFORM軟件由美國SFTC（科學成形技術公司）研究開發，軟件基于有限元方法建立，廣泛用于模擬熱鍛、溫鍛和冷鍛金屬成形工藝，可以對鍛造生產的全過程進行模擬，用于預測如材料流動、零件缺陷、分析零件溫度分布、應力應變分布及纖維變化，優化鍛造工藝及提高模具壽命等。

1. 工藝分析

萬向節叉熱鍛件如圖1所示，萬向節叉屬于撥叉類薄壁零件，鍛件左右、前后均對稱；桿部與叉部截面面積相差較大；叉部長度較長，成形難度大；桿部屬于回轉體，具有一個不通孔，在叉部與桿部的交界區域最薄處不到8mm。鍛件分模為曲面分模，分模面高度差接近鍛件總高度的1/2。

萬向節叉材料為40CrMo4，屬于低合金結構鋼，鍛件重量為3.7kg，根據萬向節叉結構特點和現有鍛造工藝條件，選用自由鍛簡單預成形和機械壓力機開式模鍛。預成形是將初始坯料φ75mm×135mm放倒，鐓粗至一定尺寸后直接立放在終鍛模中直接終鍛成形。利用DEFORM-3D軟件對萬向節叉成形過程進行有限元分析，通過修改預成形毛坯形狀，預測鍛件模鍛的成形結果及成形過程中可能出現的質量問題，達到縮短設計周期和降低產品成本的目的。

2. 有限元分析

圖1　萬向節叉鍛件

（1）有限元模型及參數設置取鍛件1/4作為對象，用三

維造型軟件UG進行建模，作為導入有限元DEFORM-3D中進行模擬分析，如圖2所示。定義坯料初始網格最小單元尺寸0.75mm，尺寸比為3，初始坯料溫度為1180℃，模具預熱溫度200℃，潤滑劑為水基石墨，定義坯料、模具與環境強熱交換，選擇空氣錘制坯、機械壓力機模鍛，預成形坯料直接導入終鍛模進行終鍛模擬。

（2）模擬結果及分析進行模擬分析時，由于考慮到鍛件叉部部分尺寸較桿部長寬比較大，為減小桿部飛邊大小，降低材料消耗，初步設想方案是用棒料φ75mm鐓粗至40mm后直接終鍛成形，模擬結果如圖3所示。這種方案由于鍛件鐓粗的太小，坯料高徑比太大，導致鍛件失穩，在后續鍛造中在圖示A位置圓圈部位形成折疊，鐓粗至50mm后這種情況得到了解決。

圖4是終鍛過程金屬的流動速度情況。當上模開始下壓時，坯料開始向下流動；隨著上模的繼續下壓，坯料和模具接觸面積增加。下模不通孔凸臺完全接觸坯料，此時坯料受下模不通孔凸臺的擠壓開始向四周運動，上模進一步下壓，金屬沿鍛件寬度方向流動增加，鍛件水平寬度增大，同時兩個叉部開始成形，飛邊也開始出現，并且飛邊處金屬外流趨勢逐漸增強，模具模腔在逐步充滿，該階段變形金屬各部分處于不同的三向壓應力狀態，隨著金屬與型腔的接觸面積增大，摩擦力和金屬的變形抗力逐漸增大，所需變形力也隨之增加。可以看出，改進后坯料未出現鍛造失穩現象。隨著上下模具的逐步打靠，飛邊處金屬水平向外流動，且速度急劇增大，從金屬流動情況可以看出，采用改進后的坯料尺寸可以優先避免折疊缺陷，使鍛件順利成形。

在熱鍛過程中，溫度是影響塑性和變形抗力的主要因素之一，對產品鍛造后的組織形態和模具的使用壽命影響較大。圖5是萬向節叉終鍛溫度場分布。分析可知，在成形過程中，一方面，坯料與模具和環境之間存在溫度差，使得坯料在變形的同時，將以各種形式與模具及周圍環境進行熱交換。另一方面，鍛造的過程是在高溫下的大變形過程，在鍛造過程中約有85%左右的塑性能將轉化為熱量被坯料自身吸收，造成坯料溫度上升，并主要分布在鍛件兩側的飛邊部位（溫度高達1255℃）。在實際成形生產中，通過對成形過程的模擬，得到坯料溫度分布情況，為成形工藝優化提供了依據。

圖2　萬向節叉模擬模型

圖3　模鍛模擬結果

圖4　模擬各階段鍛件內部金屬流動速度矢量

圖5　終鍛溫度場分布

圖6　終鍛模具磨損分布

在鍛造成形過程中，熱鍛模具因承受高溫而軟化以及坯料與模具發生的相對位移，必然造成模具磨損，當磨損積累到一定程度時，鍛件的尺寸就會發生變化，最終導致模具報廢。圖6是終鍛模具磨損分布，從圖上可知磨損最大的部位出現在下模不通孔凸臺。由于此處模具型腔又高又窄，金屬向叉部充填困難，造成變形抗力增大，磨損加劇。在

實際生產中，應加強此處潤滑，控制模具的溫度升高。

3. 模擬驗證

萬向節叉鍛模按負公差設計成形模膛深度，為保證鍛件充滿和棱角清晰，選用了較小圓角。飛邊橋厚度計算公式為

式中，F為鍛件投影面積（mm2）。計算所得飛邊橋厚度接近4mm，根據設備規格選取了飛邊橋部寬度15mm，但倉部寬度增加到50mm。模具如圖7所示。根據DEFORM-3D模擬結果生產的鍛件完全充滿型腔，未出現缺料、折疊等缺陷（鍛件見圖8），驗證了萬向節叉有限元模型的可靠性。

圖7　萬向節叉模具

圖8　萬向節叉鍛件

4. 結語

通過對萬向節叉的工藝性分析，借助DEFORM-3D有限元分析模擬軟件，對萬向節叉鍛造成形整個過程進行模擬分析，對鍛造坯料的溫度分布、模具磨損分布、材料流動速度、毛坯尺寸優化等作了深入研究，并通過生產驗證了坯料及模具設計的合理性和工藝的可行性。

（基金項目：中國南車股份科技計劃項目2012NCK183）

20150720