基于Deform的萬向節鐘形罩溫冷聯合成形工藝與數值模擬＊

沈麗琴，金立艷

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基于Deform的萬向節鐘形罩溫冷聯合成形工藝與數值模擬＊

沈麗琴，金立艷

（南京交通職業技術學院軌道交通學院，江蘇 南京 211188）

車用萬向節鐘形罩的傳統加工方法是采用鍛壓機熱鍛和機加工，該方法存在表面質量和力學性能不高等缺點。設計了包括正擠、鐓頭、反擠、冷精整四道工序的溫冷聯合鍛造工藝，基于Deform軟件對各工序的應力應變分布進行了數值模擬，該研究結果為杯桿類零件的溫冷聯合成形研究與模具結構設計提供了一定參考。

鐘形罩；溫冷聯合成形；數值模擬；模具設計

1 引言

鐘形罩是車用等速萬向節的重要零件之一，形狀較為復雜，質量要求較高，其制造工藝決定了產品的質量及生產效率。傳統加工方法是采用鍛壓機熱鍛和機加工，該方法存在能耗高，工件易過燒、氧化，加工余量大，表面質量和力學性能不高等缺點。近年來，國內外學者和企業對于此類零件的成形工藝進行了多方面探討，主要改進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、模具結構等提高成形質量和模具壽命[1]。江蘇森威集團開發了多工序冷鍛成形方案。歐美、日本生產萬向節鐘形罩零件產品精度等級可達到7～9級。溫擠壓是一種坯料在室溫之上及再結晶溫度之下進行的成形工藝[2]。成形鍛件尺寸精度和表面質量較好，近年來在國內外得到了較廣泛研究與應用。此類零件的鍛造工藝目前來說較為成熟，但在如何提高生產效率、產品質量等方面仍有一定發展空間。本文提出一種“溫-冷聯合”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到尺寸要求。基于Deform軟件對各工序的應力應變分布進行了數值模擬，根據結果指導了模具結構設計。

2 成形工藝性分析

零件形狀如圖1所示，材料牌號為SAE1050M（對應國內牌號50號鋼）。首先進行成形工藝性分析，在溫鍛范圍內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。

本次設計的“溫鍛+冷精整聯合工序”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腔底部的微量反擠。

3 數值分析模型建立

3.1 毛坯與鍛件模型設計

終鍛件尺寸通過零件尺寸加余量，且需要考慮鍛件實際情況來選取余量。零件桿部尺寸取單邊余量1.5 mm，頭部取2 mm高度余量。按圖紙要求運用UG軟件三維造型，計算終鍛件體積為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。根據體積選用鋼坯規格，計算選定鋼坯尺寸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 有限元數值分析模型創建

采用剛塑性有限元法將鍛件屬性設計為塑性體，模具屬性設計為剛性體。為提高效率，結合利用零件的對稱性，采用1/6模型作為分析模型。網格劃分為50 000個網格，基本可以真實反映變形情況。

溫鍛坯料溫度按經驗值取830 ℃，環境溫度為20 ℃，溫鍛模具溫度按經驗值取300 ℃，傳熱時間統一設置為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，熱交換系數值為11 N·sec-1·mm-1℃-1。

4 溫冷聯合成形模擬數據與分析

4.1 溫擠成形等效應變分析

正擠工序的應變分布情況如圖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，隨著擠出的進行，局部應變增大。但整個應變都在可允許范圍內，最后整體應變場趨于平衡，其中有極少部位等效應變增至6 mm及以上，考慮有限元網格的畸變等問題切數量極少，因此可以忽略該處應變的劇烈變化。在正擠階段的成形過程中金屬能夠順利擠出設計鍛件的桿部長度，擠出質量良好。

圖2 正擠不同壓下量時等效應變分布

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

圖3 鐓頭160、172步時等效應變分布

反擠過程中等效應變分布如圖4所示。反擠時等效應變主要產生在頭部區域，凸模底面等效應變較小，擠出壁部等效應變較大。反擠過程中，鍛件內底部隨著厚度減小應變變大。總體而言，鍛件應變分布較為均勻。

圖4 反擠100、150、199步時等效應變分布

4.2 溫擠成形等效應力分析

正擠過程中等效應力變化如圖5所示，由圖5可以看出，隨著擠壓的進行，等效應力成增大趨勢。等效應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，而產生了較大應力。

圖5 正擠不同壓下量時等效應力分布

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

圖6 鐓頭30、160、172步時等效應力分布

反擠各階段等效應變分布如圖7所示。第一階段頭部應力分布較均勻；反擠出壁部時，壁部上端等效應力較小，此時上部由于沒有模具限制。而當上部與模具接觸，受到限制時，可看出壁部上端的等效應力又開始增大。此時，鍛件壁部下端等效應力降低，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。

圖7 反擠100、150、199步時等效應力分布情況

4.3 精整過程中等效應變分布

冷精整變形從工藝角度看，要求確保鍛件尺寸進度；從等效應變角度看，經過模擬分析發現等效應變均為較小值，符合精整變形的理念，從這個角度看該工藝較為合理。

5 結論

萬向節鐘形罩對表面質量和力學性能等要求嚴格，成形充填過程復雜。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，能有效保證產品質量。利用Deform軟件對各工序進行了數值模擬，結果表明，正擠工序中金屬大變形區在底部與底部中心處，而模具受應力較大區域在入模口處。可通過減小入模角和增大模具圓角等方式延長模具壽命，所提出的溫冷聯合成形工藝設計滿足質量要求。該研究結果為杯桿類零件的溫冷聯合成形研究與模具結構設計提供了一定參考。

［1］王艷蓉.杯形件溫擠壓成形的計算機模擬和試驗研究［D］.咸陽：西北農林科技大學，2017.

［2］施春宇，李旭東.十字軸溫擠壓成形工藝及模具設計［J］.熱加工工藝，2014（21）：116-119.

2095－6835（2019）05－0008－02

TG376

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.05.008

沈麗琴（1976—），女，江蘇南通人，高工，工學碩士，南京交通職業技術學院教師，研究方向為機械工程。

南京交通職業技術學院自然科學科研項目（編號：JZ1703）

〔編輯：嚴麗琴〕