基于Deform－3D的重型汽車新型同步環精密成形過程有限元分析*

陳 潔 蔡志武

（①重慶科技學院機械工程學院，重慶 400050;②江鈴汽車股份有限公司產品開發技術中心，江西南昌 330001）

基于Deform－3D的重型汽車新型同步環精密成形過程有限元分析*

陳 潔①蔡志武②

（①重慶科技學院機械工程學院，重慶 400050;②江鈴汽車股份有限公司產品開發技術中心，江西南昌 330001）

重型汽車新型同步環是一種基本對稱結構的、帶有3個Y型凸臺的環形薄壁型零件，主要用于汽車行駛中平穩快速換檔。由于新型同步環形狀復雜，成形困難，鍛造時極易產生填充不滿、折疊等情況，因此合理設計鍛造工藝與模具結構是一個關鍵。利用非線形有限元分析軟件Deform-3D對重型汽車新型同步環精密成形過程進行仿真，獲得成形過程中的應變、應力、材料流動情況，同時對成形過程中的缺陷如折疊、裂紋，進行預測。通過對同步齒環成形過程分析與缺陷預測，可以有效縮短產品開發周期。

新型同步環 有限元 成形工藝 Deform-3D

同步環是汽車變速器的關鍵零件，工況極其復雜， 其性能優劣直接影響著變速系統的可靠性和安全性。隨著重型汽車向大噸位、大扭矩方向發展，同步環的幾何尺寸增大、動力負荷及熱負荷急劇增加，對材料的強度、硬度、塑性及耐磨性等提出了更高的要求。為實現同步環摩擦表面材料在有效保障恒定的摩擦性能的同時減少磨損，同步容量大、可靠性高，我們開發了一種重型汽車新型同步環。它具有結構緊湊、質量輕、不生銹的特點，在保證摩擦系數條件下，具有高耐磨性和長壽命，使換檔力同步時間更穩定，性能更優越。圖1所示為新型同步環簡圖。其主要技術要求為：外錐面滲碳，滲碳層深1.2～1.6 mm;熱處理前表面硬度160～200 HB;外錐面圓度公差不大于0.05 mm，端面跳動公差不大于 0.02 mm，錐度角為 6°30'±1';材料為20CrMnTi;產品重量約0.43 kg。

新型同步環是一種基本對稱的環形薄壁零件，內錐面帶有3個Y字型且有溝槽的凸臺。該產品具有尺寸精度和表面質量要求高、形狀復雜、成形困難等特點。其生產工藝流程是離心鑄造環坯→摩擦壓力機精鍛成形→機械半精加工→柔性銑削加工中心→表面滲碳熱處理→噴鉬等表面拋光后處理→包裝。其中精密模鍛后機械加工余量少，尺寸精度高，表面質量好。但精密模鍛時易出現材料利用率低、模具壽命短等缺點。針對上述問題，本文結合數值模擬技術，利用Deform－3D較準確地模擬出同步環金屬塑性變形的過程，得到載荷－行程關系、應力場、模具應力分布等有關數據，并進行工藝分析和評估，為生產中缺陷預測和工藝參數的優化提供理論指導。

1 同步環有限元模型建立

1.1 剛粘塑性有限元基本理論概述

隨著圖形學、數值模擬理論及技術等的不斷發展，剛粘塑性有限元法是金屬體積成形的主要數值模擬方法，已經成為分析同步環精密成形的有效工具。剛粘塑性有限元的理論基礎是Markov變分原理，它指出了金屬成形問題的求解途徑，即在運動許可速度場中，設法找出滿足泛函駐值或最小值條件的速度場，從而得到真實解。因此，在滿足速度邊界條件、變形協調條件和體積不可壓縮條件的運動許可速度場中，使總能耗泛函取最小值的速度作為初始速度場，真實解使泛函取極值。剛粘塑性流動理論的基本假設是：忽略材料的彈性變形，不計質量力和慣性力;材料均質，且各向同性;材料體積不變;材料服從Mises屈服準則，且等向強化;剛塑性材料僅發生應變強化，而剛粘塑性材料同時存在應變強化和應變速率強化。因此在金屬塑性成形過程中，通常將金屬材料視為不可壓縮連續變形體。粘塑性基本模型由粘性元件和塑性元件并聯而成，具有兩元件應變相等及應力為二者之和的特點［1－2］。

在金屬塑性成形模擬中，剛粘塑性有限元法采用增量變形分析逐步解出坯料塑性變形的速度場、應變率場、應力場及應變場，而坯料的溫度場則采用時間差分格式逐步積分得到。這樣可以在某一瞬時分別計算坯料的變形和溫度，然后借助本構關系，將變形和傳熱的相互影響同時考慮，則可實現塑性成形過程的熱力耦合分析。實際分析中，可在每一增量步中分別計算溫度和變形，通過二者之間的聯系將它們的相互影響考慮進去，反復迭代計算，直至收斂，以便進行熱變形過程的耦合分析［3－4］。

1.2 有限元建模方法

金屬成形三維有限元模擬系統一般由前處理、有限元分析及求解和后處理3個模塊構成，主要用于金屬成形及其相關工業的各種成形工藝和熱處理工藝，通過在計算機上模擬整個加工過程，能減少試驗成本，提高設計效率。目前應用最廣泛的Deform－3D是在一個集成環境內，綜合建模、成形、熱傳導和成形設備特性等進行模擬仿真的分析軟件。它適用于熱、冷、溫成形，可提供如材料流動、鍛造負荷、模具應力、金屬微結構和缺陷產生發展情況等工藝分析數據。Deform－3D的模擬引擎能夠分析金屬成形過程中多個關聯對象耦合作用的大變形和熱特性。

（1）實體模型 建立實體模型是三維有限元模擬的基礎，建模時為了滿足有限元求解的要求而對實際模型進行一定的滿足全面反映約束信息的簡化處理，且能夠按選定的單元離散化，便于數學表達。由于Deform－3D軟件造型功能不理想，所以利用三維軟件Pro/E建立上、下模具及同步環的三維模型，導出擴展名為*.stl文件，導入Deform－3D的前處理模塊。Deform－3D的前處理模塊中有數據輸入模塊，便于數據的交互式輸入，如初始速度場、溫度場、邊界條件、沖頭行程以及摩擦系數、材料模型的選定等初始條件。考慮到模具的彈性變形量相對較小，同時為了簡化模擬過程，模具采用剛體材料模型，材料為各向同性并服從Mises屈服準則，不再劃分網格和定義材料。定義同步環工件材料為20CrMnTi合金鋼，采用塑性材料模型，忽略彈性變形及其回彈對形狀和尺寸精度的影響［5］。

（2）網格劃分 網格質量的好壞直接影響到有限元分析求解的效率和精度。模擬中采用三維六面體網單元，單位步長為0.5 mm，將同步環網格劃分為71 000個（圖2）。在非穩態的復雜型腔金屬塑性成形過程的有限元模擬中，當工件的某些邊界網格與模具邊界相干涉時，將會使模擬結果產生誤差，并且金屬大變形會使初始網格產生畸變，導致計算精度降低，引起不收斂，嚴重時甚至不能繼續進行計算。所以對凹模凸臺型腔附近區域的網格進行了細化，設定此區域單元尺寸為0.05 mm，以保證在變形量較大、應力應變等情況比較復雜的區域有足夠高的網格密度。這樣其余區域變形量相對較小，網格相對稀疏，可提高運算速度。此外，Deform－3D中集成了在任何必要時刻能夠自行觸發自動網格重劃生成器，可生成優化的網格系統，并將舊網格上的單元量和節點量映射到新網格上，以進行后續分析。

（3）模型參數處理 數值模擬分析主要從成形溫度、坯料尺寸、飛邊厚度和潤滑等方面解決成形時的充填問題，從而確定最佳成形溫度、最佳坯料尺寸和最佳飛邊厚度。而摩擦問題對金屬的流動、產品質量和模具壽命有顯著影響，其中模具和坯料間的摩擦磨損是能耗的主要部分。因此精密鍛造成形過程的摩擦條件對工藝的成敗起著關鍵作用，須選用與實際鍛造條件（如變形材料的種類、變形溫度、速度、潤滑劑等）相當的摩擦模型，且摩擦模型應該簡單實用、方便引入有限元程序。

綜上所述，確定模型的相關參數如下：定義同步環材料為20CrMnTi，其尺寸為φ197.5 mm×φ165.5 mm×12.5 mm;上模的運動速度為45 mm/s，最小步長為0.03 mm。模具初始溫度20℃;坯料初始溫度950℃;成形速度為250 mm/s，熱對流系數為0.02 N/（s·mm·℃），輻射系數為0.3，接觸面傳熱系數10。接觸面上的摩擦采用剪切摩擦模型，摩擦因子取0.3。

2 數值模擬結果分析

2.1 成形分析

圖3所示為材料成形過程。根據模擬結果可知：首先，同步環坯料在上模凸頭的作用下圓環形坯料變形為錐形圓筒體。這一階段凸頭行程最大，材料主要在水平方向上流動。由于此階段坯料溫度高，變形相對小，故成形載荷小。然后坯料以鐓粗變形為主，同步環外形輪廓首先得到充填，同時材料被壓扁、展開并開始充填凹模中凸臺型腔，變形抗力開始增大。最后以材料充填凹模中凸臺型腔為主，這一階段凸頭行程最短。隨著坯料被壓扁、形成橫向飛邊，凸模與坯料的作用面積增大，同時坯料溫度下降使成形載荷迅速增大，成形結束的最大載荷為103 678.29 kN（圖4）。

同步環屬于薄壁型零件，坯料尺寸對成形性能有非常重要的影響。從模擬分析可以得出減小坯料與模具的間隙，使整個外形輪廓快速充填，是防止金屬“倒流”、預防折疊最有效的方法［6］。為防止折疊，可適當增大坯料外形尺寸。當坯料尺寸為φ199.5 mm×φ168 mm×10.5 mm時，折疊現象消失，成形效果較好。數值模擬結果表明，金屬成形過程中不能出現局部較大的應力、應變集中的情況，否則會導致工件在鍛造過程中產生損壞或破裂。

2.2 摩擦因子對模具的影響

從圖5可知，當摩擦因子大于0.3時，成形載荷變化得較為迅速。換言之，在成形過程中，一旦不給模具表面潤滑或潤滑不良，導致摩擦因子增大，模具表層溫度將迅速升高，從而使模具表面硬度下降，引起凹模表面應力集中，特別是凹模凹腔部位變化梯度較大，應力集中更顯著，模具使用壽命將大大縮短。因此，考慮到實際的潤滑條件，摩擦因子取0.3比較適宜。

在同步環精密成形過程中，模具與坯料間的熱交換、坯料變形及坯料與模具表面間的摩擦將引起模具表層溫度的升高，是影響模具壽命重要因素。因為良好的潤滑不僅能減小熱擠壓件的表面粗糙度值和擠壓力，而且能夠保持模具表面質量，減小模具表面的應力集中，從而延長模具的使用壽命。

3 結語

本文基于Deform－3D建立了同步環精密成形過程中的三維有限元模型，獲得了載荷－行程曲線、應力場、應變場等有關數據及其影響規律。通過數值仿真模擬很直觀地看到金屬的流動情況;觀察有無折疊產生，材料能否充滿整個模具型腔，是否產生缺陷;并可以通過多次模擬尋求消除缺陷的方法，進而判斷所選用的工藝參數、模具參數是否合理等。這樣能夠為同步環精密成形工藝參數的確定提供理論參考，從而節省大量的工藝試驗材料和費用，縮短產品開發周期。

［1］孫繼旺，付建華，李永堂，等.基于Deform－3D的后橋半軸擺輾新工藝分析［J］.鍛壓技術，2009，34（3）：160 －163.

［2］楊慧，李振紅，張質良.20CrMnTi鋼的溫熱變形行為及其數學建模［J］.上海交通大學學報，2005，39（11）：1799－1802.

［3］呂成，張立文，邰清安，等.壓氣機葉片多工步鍛造成形過程數值模擬［J］.農業機械學報，2007，38（6）：169－172.

［4］羅迎社，余敏，李倩妹，等.鈦合金葉片盤近凈熱流變成形的數值模擬及其應用［J］.塑性工程學報，2009，16（4）：73 －78.

［5］周勇，傅蔡安.基于DEFORM－3D的微型螺釘冷成形過程有限元分析［J］.機械設計與制造，2008，（3）：109 －111.

［6］趙軍，周杰，安治國.汽車鋼質同步環精密成形與實驗研究［J］.機械科學與技術，2007，26（12）：1565－1569.

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Finite elements analysis of precision forming process on new synchronizing ring of heavy-duty truck based on deform-3D

CHEN Jie①，CAI Zhiwu②
（①College of Mechanical Engineering，Chongqing University of Science and Technology，Chongqing 400050，CHN;②Jiangling Motors Co.，Ltd.，Nanchang 330001，CHN）

The new synchronizing ring of heavy－duty truck is a basic symmetric ring thin wall part with three Y boss structure.It is mainly used in gearshift.It is a key for forging process and mould design because its complex shape which results in insufficient filling，folding and so on.Analyzing of new synchronizing ring of heavy－duty truck precision forming process with Deform －3D，the strain field and the stress field in the forming process can be solved，meanwhile the faults which possibly occur during the forming like folding and crack can be predicted.The cycle life of new product development is reduced greatly by forming process analyzing and flaw prediction of the synchronizer ring.

New Synchronizing Ring;Finite Element;Forming Technology;Deform－3D

TH162.1

A

* 重慶市科技攻關項目資助（CSTC，2010AC6082），重慶市教委科學技術研究項目資助（KJ101405）

陳潔，男，1969年生，副教授，博士生，主要從事產品數值設計與仿真分析等研究。

（編輯 周富榮）（收修改稿日期：2010－09－13）

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