汽車盤轂精密鍛造工藝仿真研究

王石磊，段興旺，楊祖強(qiáng)，劉志奇，武子威，劉鵬根

（1.滄州嘉晟液壓氣動(dòng)設(shè)備有限公司，河北 東光 061600；2.太原科技大學(xué)，山西 太原030024）

汽車盤轂精密鍛造工藝仿真研究

王石磊1，段興旺2，楊祖強(qiáng)1，劉志奇2，武子威1，劉鵬根1

（1.滄州嘉晟液壓氣動(dòng)設(shè)備有限公司，河北 東光 061600；2.太原科技大學(xué)，山西 太原030024）

汽車盤轂是汽車離合器總成的重要組成零件，要求具有高強(qiáng)、高韌、耐沖擊、抗疲勞等綜合力學(xué)性能。傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝由自由鍛制坯和機(jī)械加工生產(chǎn)，產(chǎn)品力學(xué)性能及材料利用率較低，且生產(chǎn)中煤炭爐加熱能耗巨大，污染嚴(yán)重。本公司與太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院進(jìn)行產(chǎn)學(xué)研合作，提出汽車盤轂零件的精密閉式模鍛成形工藝，并對成形工藝進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算，通過理論分析和模擬，提出合理的鍛造工藝；分析了零件精密閉式模鍛變形過程的載荷變化規(guī)律、溫度變化規(guī)律和摩擦系數(shù)對零件成形的影響，進(jìn)一步修正了零件精密閉式模鍛工藝。

精密鍛造；汽車盤轂；Deform；閉式模鍛工藝

隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展和競爭的日趨激烈，市場對汽車結(jié)構(gòu)件的安全性能和生產(chǎn)成本提出了更高的要求。汽車盤轂是汽車離合器總成的重要組成零件，要求具有高強(qiáng)、高韌、耐沖擊、抗疲勞等綜合力學(xué)性能。傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝由自由鍛制坯和機(jī)械加工生產(chǎn)，不僅機(jī)械加工破壞了鍛造流線，造成產(chǎn)品綜合力學(xué)性能下降，而且傳統(tǒng)鍛造始終維持高成本生產(chǎn)，產(chǎn)品原材料利用率不足40%，煤炭爐加熱能耗巨大，污染嚴(yán)重。

本公司與太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院進(jìn)行產(chǎn)學(xué)研合作，提出汽車盤轂零件的精密閉式模鍛成形工藝，并進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算和試驗(yàn)研究。本文對此研究結(jié)果進(jìn)行歸納總結(jié)。

1 精密閉式模鍛工藝研究

所加工零件如圖1所示，其翼邊直徑和中心軸直徑相差比較大，成形精度較高，同時(shí)零件最大直徑處的直徑和厚度均有公差要求。在鍛造過程中，同時(shí)控制直徑和厚度均達(dá)到要求難以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也不宜采用兩火鍛造，因?yàn)榈诙鸬臒茣?huì)造成原材料損耗，不利于精密鍛造的成形精度，所以必須采用一火燒制。

圖1 零件加工示意圖

一火燒制條件下，根據(jù)鍛件圖初步制定鍛造工藝流程：下料-鐓粗-預(yù)鍛-精鍛。基本參數(shù)：鍛件體積135518.475mm3，始鍛溫度1200℃，終鍛溫度：950℃，摩擦系數(shù)0.4，材料45鋼。

1.1 坯料

坯料尺寸示意圖如圖2所示，坯料制作流程如下：①按熱軋棒料系列規(guī)格選取；②按體積不變算出下料長度；③下料體積在鍛件體積的基礎(chǔ)上，增加一火燒損量。

圖2 坯料尺寸示意圖

1.2 鐓粗

坯料準(zhǔn)備結(jié)束后，進(jìn)行鐓粗，具體流程如下：①采用成型鐓粗鐓出定位臺，其詳細(xì)尺寸及公差由試模調(diào)整確定；②計(jì)算機(jī)模擬中，摩擦系數(shù)取0.4時(shí)，坯料直徑取覬80；摩擦系數(shù)取0.3時(shí)，坯料直徑取覬78。需要在試鍛時(shí)根據(jù)實(shí)際摩擦調(diào)整。

1.3 預(yù)鍛

預(yù)鍛工藝如下：①基本鍛成鍛件圖尺寸，尺寸按交點(diǎn)標(biāo)注，不鍛出內(nèi)孔；②凹圓角先做成R2，隨著生產(chǎn)會(huì)逐漸磨成R4或更大；③為避免在分模面處出現(xiàn)毛刺，應(yīng)允許有少許充不滿，將覬141尺寸稍微放大；④在模具設(shè)計(jì)時(shí)，型腔尺寸（除圓角）全部增加熱膨脹值。

1.4 精鍛（終鍛、精整）達(dá)到圖紙要求

精鍛流程如下：①為避免二次加熱氧化皮問題，精鍛與預(yù)鍛同火次進(jìn)行。終鍛前注意清理氧化皮；②精鍛主要是精整凹圓角R2處；③為使各處（除覬141處）尺寸精度達(dá)到要求，應(yīng)在預(yù)鍛高度基礎(chǔ)上再壓制0.2mm左右。

2 模具設(shè)計(jì)

成形方案中均包含預(yù)鍛（基本成形）和終鍛（精整）工序，因而可考慮：①設(shè)計(jì)兩套模具，分別安裝在兩臺壓力機(jī)上，模具采用圓形套圈結(jié)構(gòu)即可；②在一臺壓機(jī)上采用兩個(gè)工位的模具，模具型腔部分仍為兩個(gè)圓形，但因?yàn)槠拇驌舨豢杀苊猓瑯O易出現(xiàn)錯(cuò)模廢品，因此建議使用上、下模板和導(dǎo)柱導(dǎo)套構(gòu)成的整體模架，將兩套圓模安裝在一套模架內(nèi)。

第一步成形鐓粗制坯，一是去除氧化皮，更重要的是合理分配金屬體積，以實(shí)現(xiàn)無折疊飽滿成形和預(yù)鍛時(shí)的精確定位。該工步可以在其他設(shè)備（如空氣錘）上進(jìn)行，也可在成形壓力機(jī)的邊角上進(jìn)行（即三個(gè)工位），但該工位不需要導(dǎo)向。

3 模擬計(jì)算

3.1 方案預(yù)鍛模擬

預(yù)鍛模擬如圖3所示，其中模擬參數(shù)：坯料與模具摩擦系數(shù)0.4，加工坯料材料45#鋼，始鍛溫度1200℃。坯料尺寸見1.1中工藝方案。模擬中觀察預(yù)鍛后的工件尺寸形貌、鍛造變形中的載荷變化情況以及鍛壓擠出毛刺時(shí)的剖面圖、載荷分布及溫度分布情況。圖4為預(yù)鍛結(jié)束后的工件三維模擬圖，表明預(yù)鍛達(dá)到了工件尺寸要求，工件基本成形（分模面無毛刺，有少許未充滿）。

圖3 預(yù)鍛模擬示意圖

圖4 預(yù)鍛成形后模擬示意圖

圖5為變形過程載荷圖。由圖可見，基本成形時(shí)載荷為881t。

圖5 預(yù)鍛變形過程載荷881t模擬示意圖

圖6為材料體積稍大時(shí)擠出毛刺的剖面模擬示意圖，可見在工件的邊緣出現(xiàn)毛刺，而此時(shí)的載荷模擬曲線如圖7所示，擠出毛刺時(shí)的載荷1820t。溫度分布云圖如圖8所示，溫度變化范圍在1200℃以下。

圖6 預(yù)鍛擠出毛刺剖面示意圖

圖7 預(yù)鍛變形過程載荷1820t模擬示意圖

3.2 模擬結(jié)果分析

從成形模擬過程可以看出，按照我們提出的原坯料和成形鐓粗后的中間坯料的形狀尺寸（經(jīng)多次模擬調(diào)整獲得），方案能夠保證成形過程中金屬材料光順平滑合理流動(dòng)，并最終獲得無缺陷、無折疊、飽滿成形的合格鍛件。

由模擬結(jié)果可知，基本成形時(shí)（分模面無毛刺，有少許未充滿），載荷為881t；若產(chǎn)生毛刺，則載荷急劇上升，達(dá)到1820t；大圓盤成形時(shí)注意保證高度尺寸60mm±0.3，保證分模處不擠出毛刺，而將直徑覬141mm適當(dāng)增大，鍛后機(jī)加工獲得要求尺寸覬141mm±0.2。

觀察方案的溫度分布圖可見，溫度均在始鍛溫度和終鍛溫度之間。

圖8 預(yù)鍛擠出毛刺溫度分布云圖

4 結(jié)論

汽車盤轂精密鍛造工藝仿真研究發(fā)現(xiàn)結(jié)論如下：

（1）結(jié)合鍛件圖（圖1）和精密閉式模鍛成形理論提出合理的鍛造工藝，需要解決精密成型精度問題。在一火燒制條件下，進(jìn)行下料、鐓粗、預(yù)鍛、精鍛能夠滿足生產(chǎn)要求。

（2）應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件Pro/E對鍛件和模具進(jìn)行三維成形，同時(shí)應(yīng)用Deform軟件對鍛件成形過程進(jìn)行有限元模擬計(jì)算，得出零件精密閉式模鍛變形過程的載荷變化規(guī)律、溫度變化規(guī)律和摩擦系數(shù)對零件成形的影響，為修正此零件精密閉式模鍛模具提供參考，同時(shí)印證了精密閉式模鍛工藝的合理性。

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Study on simulation of precision forging process for automobile disc hub

WANG Shilei1,DUAN Xingwang2,YANG Zuqiang1,LIU Zhiqi2,WU Ziwei1,LIU Penggen1
（1.Cangzhou Jiasheng Hydraulic Pneumatic Apparatus Co.,Ltd.,Dongguang 061600,Hebei China; 2.Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024,Shanxi China）

The precision closed die forging process for automobile disc hub has been put forward in the text.The computer simulation calculation has been carried to the forging process.By theoretical analysis and simulation,the reasonable forging process has been put forward.The influence of load&temperaturefluctuation law and friction coefficient to part forging has been analyzed,which modifies the precision closed die forging process for parts in further.

Automobile disc hub;Metal processing;Precision forging;Deform

TG316.3

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.02.026

1672-0121（2016）02-0098-03

2015-09-17；

2015-11-03

王石磊（1988-），男，從事精密鍛壓裝備生產(chǎn)線及其液壓傳動(dòng)與控制系統(tǒng)研究。E-mail：liuzhiqi@tyust.edu.cn