基于數值模擬技術的內齒圈鍛造工藝優化

文／郭家雄，沈軍艦，沈鵬，蘭芳·武漢新威奇科技有限公司

在鍛造成形領域，有限元數值模擬技術已經成為新產品設計開發的重要手段之一，越來越多的企業也要求技術人員熟練掌握和使用有限元數值模擬方法。在與一些同行交流的時候我們發現，大多數企業的技術人員都能熟練地操作數值模擬軟件，但是利用軟件來指導實際生產的效果卻并不理想。

鍛造企業采用有限元數值模擬方法主要有兩大需求：一是在接到新產品時采用模擬仿真軟件計算鍛造成形力、成形能量，以此來評估現有設備能否滿足生產；二是在新產品模具設計時采用模擬仿真軟件，分析鍛件成形過程中的應力分布狀況和折疊風險趨勢，為工藝參數和模具形狀的修改提供理論依據。在實際生產中尤其是在新產品開發過程中，往往會出現數值模擬結果與實際生產不符的情況，當這種情況出現時，我們該如何破解并修正是所有技術人員面臨的一個重大難題。本文以內齒圈鍛件的工藝開發為例，探究數值模擬技術與實際生產驗證相結合的鍛造工藝優化方法，為數值模擬技術服務于新產品的開發提供指導建議。

鍛件工藝分析

內齒圈屬于工程機械鍛件，如圖1 所示。鍛件材料采用40Cr 鋼，鍛件上部碗口外輪廓直徑φ386mm，碗底外輪廓直徑φ147mm，鍛件總高146mm，鍛件重量46.3kg。鍛件型腔較深，底部壁厚小于20mm，復雜系數為0.34，等級為S2，成形具有一定難度。另外，該鍛件底部中心有一直徑φ95mm 的圓孔，需要熱沖孔成形。

圖1 鍛件模型

根據以往回轉體鍛件的鍛造經驗，該鍛件的鍛造工藝路線制定為：下料→加熱→鐓粗→成形→沖孔。

工藝數值模擬

鍛造工藝路線制定后，采用Deform 有限元軟件對鍛件鐓粗、成形工序進行模擬分析，并參照模擬結果制定鍛造工藝參數。

建立模型

根據已制定的工藝路線，分別建立鍛件平板鐓粗模型(圖2)和閉式鍛造模型(圖3)。

圖2 鐓粗模型

圖3 成形模型

模擬參數設定

設定坯料加熱溫度為1160℃，模具溫度為250℃。根據經驗公式P=k×A(P 為鍛件成形力，k 為鍛件難易程度系數，A 為鍛件投影面積)，大致估算出所需鐓粗力P1 ≈14000kN，終鍛成形力P2 ≈60000kN。因此，運動參數中鐓粗工序選用2000t 液壓機，成形工序選用J58K-4000 型電動螺旋壓力機。液壓機最終壓制速度為75mm/s，電動螺旋壓力機打擊速度為600mm/s。

模擬結果分析

將直徑φ170mm、高度280mm的棒料壓制成厚度為65mm 的圓餅，如圖4 所示。鐓粗過程中未見坯料彎折，鐓粗后鍛件形狀圓潤，材料分布均勻。成形過程中鍛件充型能力較好，且無折疊現象發生，最終成形結果如圖5 所示，模擬結果中設備成形力及設備成形參數均在所選用設備參數范圍之內，鍛造風險小，成功率比較高。

圖4 鐓粗結果

圖5 成形結果

成形模具設計

考慮到模具體積較大，制作成本較高，模具各部分失效情況也不盡相同，將模具設計為分體結構，如圖6 所示，以達到降低模具成本的目的。

圖6 模具結構圖

模具做分體結構主要遵循的原則：⑴磨損情況不一致處作分體；⑵容易出現應力集中的位置做分體；⑶應力突變處做分體；⑷排氣不暢處做分體。

第一次生產驗證

實際生產中，采用圓盤鋸下料，中頻感應加熱爐加熱，采用2000t 液壓機進行平板鐓粗，J58K-4000型電動螺旋壓力機進行終鍛成形，500t 閉式單點壓力機沖孔。生產驗證內齒圈鍛造后試件如圖7 和圖8所示。

圖7 鐓粗后試件

圖8 終鍛成形試件

從圖7 中可以看出，內齒圈坯料在平板鐓粗后材料分布極不均勻(見圖7 中黃線區域)，盡管在實際鐓粗過程中沒有發現明顯的模具失穩現象，但是鐓粗后的鍛件并沒有呈現預期的圓餅狀，而是類橢圓形，且橢圓形的最大直徑φ380mm，最小直徑僅有φ360mm。從圖8 中可以看出，終鍛成形后鍛件碗口邊緣左側出現毛刺而右側出現未充滿的現象(圖8 中黃線區域)。

上述實際生產驗證與數值模擬結果差異較大，大家一般都會認為，這是由于鍛造過程是一種復雜的變形過程，簡單的數值模擬軟件計算精度本來就不高，其模擬結果對于實際生產缺乏指導意義。因此，很多技術人員放棄了采用數值模擬軟件作為指導工具，轉而采用傳統的“人工試錯法”來調整試模方案，但是這種方法耗時費力，并不能提高新產品的開發效率。

驗證結果討論

當數值模擬結果與實際生產結果出現較大偏差的時候，需要進行正向和逆向對比分析。

正向分析

從數值模擬角度出發，檢查模擬時選用的材料參數、加熱溫度、模具溫度、環境溫度、傳熱系數、潤滑條件等邊界條件，以及需要考慮所選用的力學模型是否合適。

逆向分析

從實際生產因素出發，檢查實際生產過程中的參數是否達到了模擬中所設置的條件，加熱溫度是否合適，加熱溫度的均勻性是否合格，模具的溫度是否合格等各種條件。

經過仔細檢查和對比分析后，我們得出的結論是由于中頻感應加熱爐在加熱時棒料上下兩端溫差及心表溫差不均勻，材料的變形速率不一致，從而導致平板鐓粗后鍛件形狀失穩。在實際鐓粗后肉眼也見到鍛件的上下部位有明顯的溫度顏色差異，實際測量發現鍛件上下部位溫差大于100℃。但是，在實際生產中所采用的中頻感應加熱爐短期內無法整改到滿足要求，因此我們需要采用其他方法來保證鍛件的順利生產。

工藝方案優化

為了解決鐓粗后鍛件形狀失穩的問題，我們對鐓粗模具進行了優化，即將平板鐓粗改進為半閉式鐓粗。為了縮減鐓粗模具的設計時間，同樣采用Deform 軟件進行模擬仿真，經過多次分析后確定了半閉式鐓粗模具的最優方案。其他工藝參數和工藝路徑保持不變。優化后鐓粗模具結構如圖9 所示。

圖9 半閉式鐓粗模具結構

優化后生產驗證

采用半閉式鐓粗模具成形可以將鐓粗后鍛件形狀進行規整，同時克服了采用閉式鐓粗時鐓粗力過大的弊端。優化模具方案后，生產的鍛件符合圖紙的設計要求，終鍛成形后的合格鍛件如圖10 所示，鍛件碗口邊緣圓角全部充滿且無任何毛刺。

圖10 合格鍛件