萬向節(jié)叉鍛造成形過程模擬與分析

南車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司高級(jí)工程師 陳勝

萬向節(jié)叉鍛造成形過程模擬與分析

南車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司高級(jí)工程師 陳勝

傳動(dòng)軸萬向節(jié)叉是車輛傳動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵零件之一，傳遞著車輛運(yùn)行的全部驅(qū)動(dòng)力，載荷重、受力情況極其復(fù)雜，其力學(xué)性能和產(chǎn)品質(zhì)量直接影響著傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和車輛運(yùn)行的安全性，采用常規(guī)機(jī)械切削加工成形很難滿足其強(qiáng)度要求，而模鍛成形萬向節(jié)叉因力學(xué)性能好、耐磨損、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)目前正被廣泛使用。

DEFORM軟件由美國(guó)SFTC（科學(xué)成形技術(shù)公司）研究開發(fā)，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(duì)鍛造生產(chǎn)的全過程進(jìn)行模擬，用于預(yù)測(cè)如材料流動(dòng)、零件缺陷、分析零件溫度分布、應(yīng)力應(yīng)變分布及纖維變化，優(yōu)化鍛造工藝及提高模具壽命等。

1. 工藝分析

萬向節(jié)叉熱鍛件如圖1所示，萬向節(jié)叉屬于撥叉類薄壁零件，鍛件左右、前后均對(duì)稱；桿部與叉部截面面積相差較大；叉部長(zhǎng)度較長(zhǎng)，成形難度大；桿部屬于回轉(zhuǎn)體，具有一個(gè)不通孔，在叉部與桿部的交界區(qū)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(jié)叉材料為40CrMo4，屬于低合金結(jié)構(gòu)鋼，鍛件重量為3.7kg，根據(jù)萬向節(jié)叉結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和現(xiàn)有鍛造工藝條件，選用自由鍛簡(jiǎn)單預(yù)成形和機(jī)械壓力機(jī)開式模鍛。預(yù)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(duì)萬向節(jié)叉成形過程進(jìn)行有限元分析，通過修改預(yù)成形毛坯形狀，預(yù)測(cè)鍛件模鍛的成形結(jié)果及成形過程中可能出現(xiàn)的質(zhì)量問題，達(dá)到縮短設(shè)計(jì)周期和降低產(chǎn)品成本的目的。

2. 有限元分析

圖1　萬向節(jié)叉鍛件

（1）有限元模型及參數(shù)設(shè)置取鍛件1/4作為對(duì)象，用三

維造型軟件UG進(jìn)行建模，作為導(dǎo)入有限元DEFORM-3D中進(jìn)行模擬分析，如圖2所示。定義坯料初始網(wǎng)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(yù)熱溫度200℃，潤(rùn)滑劑為水基石墨，定義坯料、模具與環(huán)境強(qiáng)熱交換，選擇空氣錘制坯、機(jī)械壓力機(jī)模鍛，預(yù)成形坯料直接導(dǎo)入終鍛模進(jìn)行終鍛模擬。

（2）模擬結(jié)果及分析進(jìn)行模擬分析時(shí)，由于考慮到鍛件叉部部分尺寸較桿部長(zhǎng)寬比較大，為減小桿部飛邊大小，降低材料消耗，初步設(shè)想方案是用棒料φ75mm鐓粗至40mm后直接終鍛成形，模擬結(jié)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(dǎo)致鍛件失穩(wěn)，在后續(xù)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(dòng)速度情況。當(dāng)上模開始下壓時(shí)，坯料開始向下流動(dòng)；隨著上模的繼續(xù)下壓，坯料和模具接觸面積增加。下模不通孔凸臺(tái)完全接觸坯料，此時(shí)坯料受下模不通孔凸臺(tái)的擠壓開始向四周運(yùn)動(dòng)，上模進(jìn)一步下壓，金屬沿鍛件寬度方向流動(dòng)增加，鍛件水平寬度增大，同時(shí)兩個(gè)叉部開始成形，飛邊也開始出現(xiàn)，并且飛邊處金屬外流趨勢(shì)逐漸增強(qiáng)，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(yīng)力狀態(tài)，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(jìn)后坯料未出現(xiàn)鍛造失穩(wěn)現(xiàn)象。隨著上下模具的逐步打靠，飛邊處金屬水平向外流動(dòng)，且速度急劇增大，從金屬流動(dòng)情況可以看出，采用改進(jìn)后的坯料尺寸可以優(yōu)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(duì)產(chǎn)品鍛造后的組織形態(tài)和模具的使用壽命影響較大。圖5是萬向節(jié)叉終鍛溫度場(chǎng)分布。分析可知，在成形過程中，一方面，坯料與模具和環(huán)境之間存在溫度差，使得坯料在變形的同時(shí)，將以各種形式與模具及周圍環(huán)境進(jìn)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(zhuǎn)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(cè)的飛邊部位（溫度高達(dá)1255℃）。在實(shí)際成形生產(chǎn)中，通過對(duì)成形過程的模擬，得到坯料溫度分布情況，為成形工藝優(yōu)化提供了依據(jù)。

圖2　萬向節(jié)叉模擬模型

圖3　模鍛模擬結(jié)果

圖4　模擬各階段鍛件內(nèi)部金屬流動(dòng)速度矢量

圖5　終鍛溫度場(chǎng)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(fā)生的相對(duì)位移，必然造成模具磨損，當(dāng)磨損積累到一定程度時(shí)，鍛件的尺寸就會(huì)發(fā)生變化，最終導(dǎo)致模具報(bào)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(xiàn)在下模不通孔凸臺(tái)。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(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)加強(qiáng)此處潤(rùn)滑，控制模具的溫度升高。

3. 模擬驗(yàn)證

萬向節(jié)叉鍛模按負(fù)公差設(shè)計(jì)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(jì)算公式為

式中，F(xiàn)為鍛件投影面積（mm2）。計(jì)算所得飛邊橋厚度接近4mm，根據(jù)設(shè)備規(guī)格選取了飛邊橋部寬度15mm，但倉(cāng)部寬度增加到50mm。模具如圖7所示。根據(jù)DEFORM-3D模擬結(jié)果生產(chǎn)的鍛件完全充滿型腔，未出現(xiàn)缺料、折疊等缺陷（鍛件見圖8），驗(yàn)證了萬向節(jié)叉有限元模型的可靠性。

圖7　萬向節(jié)叉模具

圖8　萬向節(jié)叉鍛件

4. 結(jié)語

通過對(duì)萬向節(jié)叉的工藝性分析，借助DEFORM-3D有限元分析模擬軟件，對(duì)萬向節(jié)叉鍛造成形整個(gè)過程進(jìn)行模擬分析，對(duì)鍛造坯料的溫度分布、模具磨損分布、材料流動(dòng)速度、毛坯尺寸優(yōu)化等作了深入研究，并通過生產(chǎn)驗(yàn)證了坯料及模具設(shè)計(jì)的合理性和工藝的可行性。

（基金項(xiàng)目：中國(guó)南車股份科技計(jì)劃項(xiàng)目2012NCK183）

20150720