花瓣輪轂閉式鍛造設計及實施

文/李季·東風鍛造有限公司

在不斷追求汽車輕量化、降低整車成本的前提下，鍛件減重首當其沖，在輪轂鍛件上減重的重要標志就是改變結構設計，法蘭盤上增加花瓣。為了減少整車費用，減少機械加工投入的時間和費用，采用鍛造一次成形非加工面。這樣勢必增加鍛造的難度，迫使鍛造更改工藝，重新研究鍛造設計和工藝流程，在保證鍛件質量的前提下減少鍛造成本。

本文有效運用了花瓣輪轂閉式鍛造三維設計和3D模擬相結合的方法，使鍛造調試一次成功。在設計過程中，預鍛模具采用DELCAM公司的PowerSHAPE三維軟件直接設計，然后利用DEFORM 3D模擬分析，根據模擬結果修改模具三維造型，經過優化定型設計后，直接數控加工模具成形，經過實際檢驗鍛造出合格的鍛件。花瓣輪轂閉式鍛造設計實施的成功，擴展了鍛造成形的產品范圍，并向國際先進鍛造理念邁進了一步。

新舊輪轂鍛件對比分析

圖1是做了很多減重處理的新輪轂鍛件，法蘭局部厚度變薄，減少了機加工量，該面只有4個凸臺機加工，因此增加了鍛造難度。圖2是老鍛件圖，法蘭面平整，鍛造工藝簡單。該花瓣輪轂鍛件采用最新的設計理念，改用三維直接設計→3D模擬→根據模擬結果修改三維設計→再模擬→再修改等循環往復，直至成功為止。

圖1 新輪轂終鍛鍛件

圖2 舊輪轂終鍛鍛件

鍛模設計

近年來鍛造設計中經常會應用到3D模擬，但在國內3D模擬軟件與三維設計軟件同步應用還處于非常低的水平。發達國家鍛造企業通過三維設計與3D模擬結合的方式，大大改善了后續鍛造工藝，同時也擴展了鍛造成形產品的范圍。

鍛造設計基本過程→產品鍛件圖設計→終鍛鍛件圖設計→預鍛鍛件圖設計→制坯設計。一旦產品鍛件圖定型，終鍛鍛件圖也隨之確定。因此終鍛鍛件三維直接設計和二維設計的區別不大，基本不用大改動。因此鍛造設計的重點是預鍛的三維設計。

第一種預鍛的設計方案

第一種預鍛設計方案（方案一）：采用常規的設計思路，預鍛時鍛件寬度方向比終鍛窄，而高度方向比終鍛高，增大R角。依據這個理念設計首個預鍛鍛件，如圖3所示，該預鍛鍛件通過模擬，終鍛的4個凸臺充不滿，但是法蘭邊緣產生很高的毛刺。

圖3 方案一

第二種預鍛的設計方案

第二種預鍛設計方案（方案二）：更改為圖4所示的方案，預鍛鍛件設計4個凸臺，形狀接近終鍛鍛件。通過模擬效果良好，從模擬的角度來講沒有任何問題。

圖4 方案二

圖5 第二方案剖面

圖6 第三方案剖面

第二種預鍛模擬理論上沒有任何問題，沒有出現充不滿、折紋等問題，鍛件合格。但是在實際生產過程中，預鍛件放置到終鍛模具時，無法定位，給操作者帶來困擾。

把預鍛模擬結果輸出到三維造型軟件PowerSHAPE中，在三維軟件中把預、終鍛進行比對分析，取縱切線（圖5），粗線是終鍛剖面線、細線是預鍛剖面線。把預鍛鍛件放置到終鍛型腔后高度位置是固定的。用X、Y、Z來解釋，就是預鍛在終鍛型腔內Z軸方向是可控的，其他X、Y軸方向都是自由轉動的，也就是說預鍛鍛件在終鍛型腔內可以周向360°轉動。

第二種預鍛設計主要目的是為了充滿終鍛的4個凸臺，預鍛時同樣設計出4個凸臺，然而模擬的時候沒有擺放定位的問題，所以模擬結果很好。如果采用先進的自動化生產線，定位應該也不會有問題。但是目前采用人工操作的閉式鍛造，因此工人把預鍛鍛件放到終鍛閉式模具內的時候看不到型腔中凸臺的位置，根本就無法定位，預鍛凸臺和終鍛凸臺位置錯位是必然的，因此實際鍛造的結果就是折紋和充不滿同時存在。

通過對第二種預鍛方案的模擬和三維剖面分析，拋出一個問題就是預鍛鍛件放到終鍛型腔中的定位問題，而且最佳定位方案是4個凸臺。

第三種預鍛的設計方案

第三種預鍛設計（方案三）：在上述分析中修改了預鍛三維造型，預終鍛比對分析的縱切剖面圖（圖6），同樣粗線是終鍛剖面線，細線是預鍛剖面線。從二維剖面中沒有觀測到凸臺的定位面。

PowerSHAPE三維面造型軟件可以任意取剖面（圖7），這個剖面圖是立體剖面，從剖面圖中可以觀測到4個凸臺預鍛和終鍛的位置匹配，可以起到定位的作用，是比較理想的狀態。圖8可以更直觀的看到立體剖面所在的位置。

圖7 第三方案剖面圖

圖8 第三方案下模

模擬試驗

對方案三重新進行模擬驗證，完全合格。模擬不但采用了正常的模擬，還進行操作錯誤模擬。錯誤模擬就是把預鍛鍛件旋轉5°后放入終鍛型腔，然后進行模擬，模擬的結果也完全合格，因為預鍛R角比較圓滑，鍛造初期預鍛鍛件在終鍛型腔中自動旋轉找正，沒有折紋出現。模擬導出結果如圖9、圖10、圖11所示。實際鍛件圖如圖12所示。

圖9 成形制坯

圖10 預鍛鍛件

圖11 終鍛鍛件

圖12 實際鍛造鍛件

結束語

該鍛件創造了巨大的經濟效益，閉式鍛造比開式鍛造提高材料利用率10%；利用模擬和三維軟件設計節約鍛件調試時間，減少各種人力物力浪費；提高設計人員對鍛造設計的理解，有助于現場問題的解決。

該鍛件的成功生產是三維設計與模擬相結合使用的成功案例，整個過程也給筆者帶來以下心得體會：(1)預鍛三維設計不適合使用參數化的體造型，參數化的體造型適合于修改變動較小的終鍛設計。對于預鍛鍛件過渡面和圓角比較大、修改變動大的部位最好使用三維面造型，像PowerSHAPE軟件最適合模具的三維面造型，修改及其方便，過渡圓角隨心所欲。(2)國有大型企業分工較細，復合型人才比較缺少，對于鍛造設計、三維模擬、三維造型、模具加工、鍛造工藝全面掌握的人才太少，所以注重培養復合型人才能創造更大的效益。(3)鍛造業是臟、熱、累、苦、險、艱的行業，越是這樣的行業，改善的空間越大。(4)現在很多鍛造企業仍然依靠人們的經驗進行設計，鍛造技術和工藝有待取得突破性發展。