基于有限元法的輪轂成形工藝對比

張建新,周 敏,周玉峰

(1.南通福樂達汽車配件有限公司,江蘇南通226300; 2.合肥工業大學材料科學與工程學院,合肥230009)

基于有限元法的輪轂成形工藝對比

張建新1,周 敏1,周玉峰2

(1.南通福樂達汽車配件有限公司,江蘇南通226300; 2.合肥工業大學材料科學與工程學院,合肥230009)

目的 對比某型號輪轂成形的工藝方案。方法 對輪轂在不同條件下的成形過程進行了數值模擬和實驗研究,分析成形工藝對應力分布、應變分布、金屬流動速度場、成形載荷及內部組織的影響。結果 坯料在800℃下采用閉式模鍛所需成形載荷小,模具結構較簡單,內部組織為粒狀珠光體,力學性能優于其他2種方案下的內部組織魏氏體。結論 閉塞式擠壓和閉式模鍛成形等效應力、等效應變、金屬流動速度場、成形載荷及內部組織各不相同。模擬結果可以指導實際生產中工藝方案的選擇。

有限元;閉式模鍛;閉式擠壓

采用以凈成形或近凈成形為目標的精密塑性成形技術,是21世紀制造技術的發展趨勢[1]。近年來,以擠壓和閉塞式模鍛為核心的精密塑性成形技術在制造業的發展中發揮重要的作用,大量優質、高效、少無切削的成形技術得到發展[2—3]。

溫鍛成形是近年來在冷塑性成形基礎上迅速發展起來的一種塑性成形新工藝。它的變形溫度是在室溫以上、再結晶溫度以下的溫度范圍內。該工藝成形的零件精度高、質量好,且能成形形狀復雜的零件[4]。相比熱模鍛,溫鍛成形件表面不會發生劇烈氧化作用,很少或沒有氧化皮,尺寸公差小,可直接成形零件的工作表面,幾乎完全省去機加工工序,且沒有飛邊,節省原材料,并且可以鍛合金屬內部缺陷,改善金屬內部組織,使零件具有良好的力學性能,提高零件使用壽命[5—7]。

閉塞式擠壓技術是一種高精、高效、優質低耗的先進生產工藝技術,多用于中小型鍛件大批量生產中[2]。閉塞式擠壓擠壓材料利用率可達80%,大大節約材料、提高勞動生產率。并且在擠壓后金屬內部空隙及缺陷大大減少,提高零件力學性能此外,擠壓工藝可加工復雜斷面零件并獲得較好的表面粗糙度和尺寸精度。是一種先進的少無切削的塑性加工工藝[8]。

文中所研究的輪轂,是汽車空調離合器上的零件,目前多采用溫鍛與擠壓兩種工藝生產。文中通過對溫鍛和冷擠壓兩種成形過程進行數值模擬,對比兩種不同工藝下的成形載荷、應變分布、金屬流動速度場及內部組織,綜合分析兩種工藝的優劣,找出最佳工藝方案。本次結果對該輪轂成形工藝方案的選擇具有參考價值。

1 工藝方案確定

1.1 零件分析

輪轂材料為20Cr,零件圖如圖1所示。底部為圓盤狀,四周分布7個不同直徑的小孔,中間為空心凸臺,底盤外徑為87 mm,中間凸臺部分外徑為38 mm,內徑為21 mm。

圖1 零件示意圖Fig.1 Part diagram of wheel

1.2 輪轂成形過程

該輪轂以棒料為毛坯,經制坯工藝后沖孔成形。制坯采用2種不同方案成形,分別為400℃閉塞式擠壓、400℃閉式模鍛。2種方案的幾何模型如圖2所示。溫擠壓時,上沖頭下行,金屬由中心向四周流動,充滿型腔后完成成形。溫鍛時坯料中心金屬反擠完成凸臺部分的充型,四周金屬在沖頭作用下被鐓粗完成底盤部分的成形。

圖2 模具坯料幾何模型Fig.2 Geometric model of blank

2 有限元模擬

運用DEFORM-3D有限元軟件,采用剛塑性本構模型,對輪轂成形過程進行仿真模擬。定義坯料為塑性體,坯料材料 20Cr,模具為剛性體,網格總數50 000。成形參數為:溫度為400℃,沖頭速度為20 mm/s,摩擦因數為0.2,閉塞式擠壓的坯料尺寸為φ20 mm×36 mm,閉式模鍛的坯料尺寸為φ30 mm×24 mm。

3 模擬結果及分析

3.1 等效應力分析

圖3、圖4分別為閉塞式擠壓和閉式模鍛成形過程的等效應力分布云圖。由圖3和4可知:兩者存在顯著差異,閉塞式擠壓時,最大應力集中在零件底部凸臺部分;閉式模鍛最大應力則集中在底部圓盤部分。

閉塞式擠壓在成形前期時是靠沖頭擠壓坯料凸臺部分完成圓盤部分成形,在充填底部圓盤部分時凸臺部分在沖頭作用下僅僅發生剛性平移,而在底部受到較大應力由中心向四周流動,因此底部圓盤應力大于凸臺部分應力,在成形末期充填死角時,凸臺部分流動阻力變大,應力大于底部圓盤部分應力。應力呈軸向旋轉堆成分布,且越靠近中心部分,等效應力越大。

閉式模鍛在成形時靠上模給坯料施加壓力完成成形,受力區域則集中于與上模接觸的部分,由于坯料四周在模具施加的載荷下開始沿徑向流動充型,中心金屬并未受到來自模具的載荷,僅僅發生剛性平移,因此中心部分應力小于與模具接觸部分。應力呈軸向旋轉堆成分布,且越靠近中心部分,等效應力越小。

圖3 閉塞式擠壓等效應力分布Fig.3 Equivalent stress distribution during closed extrusion

圖4 閉式模鍛等效應力分布Fig.4 Stress distribution during closed die forging

3.2 等效應變場分析

圖5、圖6分別為閉塞式擠壓、閉式模鍛成形過程等效應變分布云圖。由圖5、圖6可知:閉塞式擠壓應變集中在零件底部,而閉式模鍛應變則集中在零件底部圓盤部分。二者應力分布存在較大差異。

圖5 閉塞式擠壓等效應變分布Fig.5 Equivalent strain distribution during closed extrusion

圖6 閉式模鍛等效應變分布Fig.6 Equivalent strain distribution during closed die forging

在閉塞式擠壓過程中,坯料在沖頭的作用下由中心向四周流動開始充型,因此在成形過程中零件凸臺部分僅僅發生剛性平移,并未參與變形,而零件底部圓盤部分在成形過程中發生較大變形。成形完成時應變場呈中心對稱分布,越靠近下方,應變越大。

在閉式模鍛的成形過程中,坯料在上模的壓力下充填型腔,坯料四周金屬在上模的作用力下向四周流動,發生應變,中心部分則僅僅發生剛性平移,應變接近于0。成形完成時閉式模鍛的應變場沿軸向呈旋轉對稱分布,越靠近對稱軸,應變越小。

圖7 閉塞式擠壓速度場Fig.7 Velocity field of closed extrusion

圖8 閉式模鍛速度場Fig.8 Velocity field of closed die forging

3.3 金屬流動場分析

圖7、圖8分別為閉塞式擠壓、閉式模鍛的斷面金屬流動速度場。由圖7、圖8可知,二者的速度場分布存在明顯差異。

在閉塞式擠壓過程中,零件在沖頭的壓力下開始由中心向底部鋪展開來充型底部圓盤部分,而在成形末期充填死角過程中,底部邊緣金屬開始出現回流充填死角,坯料與沖頭接觸的部分也開始向上流動產生飛邊,整個過程坯料中部始終未出現明顯的分流面。并且坯料內部金屬流動速度大于金屬外部流動速度。

閉式模鍛在成形開始后,金屬在上模的壓力下開始充型,坯料四周金屬向四周流動,中間部分則并未發生相對流動,僅僅在相鄰金屬作用下產生剛性平移,在成形末期凸臺與上模接觸部分則向下流動完成底部圓盤部分死角的充填,在金屬斷面上可以看到明顯的分流面。并且坯料內部金屬流動速度小于坯料外部金屬流動速度。

3.4 成形載荷分析

圖9為閉塞式擠壓和閉式模鍛兩種工藝的成形載荷曲線,由圖可知二者曲線走勢有明顯不同。閉塞式擠壓件成形過程中在A時刻以前載荷上升較快,此過程中坯料在型腔中處于兩向受壓狀態,載荷急劇增大;AB階段金屬由中心向四周流動,充滿型腔,此時坯料四周處于單向應力狀態載荷基本不變;BC階段坯料開始接觸到模具四周側壁,開始出現回流,充填死角,受力面積增大,載荷增加明顯。

閉式模鍛件在B'時刻以前載荷上升較慢,此過程中模具凸臺部分尚未開始成形,坯料處于局部加載狀態,坯料四周被墩粗開始向四周流動充型底部圓盤部分。B'C'階段坯料載荷上升較快,此過程中坯料上端開始與上模接觸,完成凸臺部分成形,此時坯料與模具接觸面積急劇增大,載荷上升很快。

圖9 成形過程時間-載荷曲線Fig.9 Time-load curve of forming

3.5 工藝改進

輪轂的主要工作面為底部圓盤部分,在成形過程中圓盤部分發生的應變越大,越有利于延長零件使用壽命,并且成形載荷越小,成本越低[9]。由應變場及成形載荷分析知閉塞式擠壓優于閉式模鍛。但在生產中閉塞式擠壓需要單獨設計鎖模結構來保證成形的順利進行,在普通單動液壓機上難以實現。而閉式模鍛模具結構較為簡單,容易實現,成本較低[10],因此采用閉式模鍛更合適,在實際生產中可適當提高閉式模鍛的成形溫度來降低成形載荷[11]。

圖10為閉式模鍛件的成形時間-載荷曲線,此時800℃下成形載荷相比溫鍛件載荷明顯減少,輪轂可采用此種工藝生產。

圖10 閉式模鍛成形過程時間-載荷曲線Fig.10 Time-load curve of closed die forging process

4 試驗

分別生產出形狀符合要求的工件后,將400℃與800℃下成形的兩個閉式模鍛件從中軸線切開,磨平拋光后酸腐蝕。在金相顯微鏡下即可觀察到零件內部組織。

圖11為擠壓件與溫鍛件金屬內部組織金相圖。圖11a為400℃閉式模鍛件的內部組織金相照片,由于該零件在400℃下成形,因此內部組織仍保留坯料原始組織,可以看出金屬基體被片狀晶粒切割,主要是滲碳體魏氏組織。魏氏組織是鋼的一種缺陷組織,它會使鋼的力學性能,特別是沖擊韌性和塑性顯著降低,并提高鋼的脆性轉折溫度,因而使鋼容易發生脆性斷裂,降低零件使用壽命[12—15]。圖11b為800℃閉式模鍛件內部組織,該零件在800℃下采用閉式模鍛成形,在成形過程中發生動態再結晶,圖中斷面上的粒狀滲碳體均勻分布在鐵素體基體上,形成粒狀珠光體組織,具有較高的屈服強度和抗拉強度,強韌性較好,可以有效提高零件的機械性能及使用壽命[5]。

圖11 零件內部組織Fig.11 Internal organization of parts

5 結論

1)輪轂在閉塞式擠壓和閉式模鍛兩種工藝下成形應力應變、速度場分布各不相同。

2)輪轂采用800℃下閉式模鍛成形方案成形所需載荷不大,模具結構較為簡單。

3)輪轂采用800℃下閉式模鍛成形方案所得輪轂組織明顯優于其他兩種成形方案所得到的輪轂組織,采用該方案成形更有利于提高零件機械性能。

[1]李貝貝,嚴軍,劉雨生,等.曲軸輪轂中間齒精壓成形工藝研究[J].精密成形工程,2014,6(3):10—14. LIBei-bei,YAN Jun,LIU Yu-sheng,etal.Precision Coining Process of Crankshaft Hub Tooth[J].Journal of Netshape Forming Engineering,2014,6(3):10—14.

[2]劉芳,林忠欽,單德彬,等.2A70鋁合金轉子等溫閉塞式溫鍛工藝研究[J].機械工程學報,2005,41(9):161—165. LIU Fang,LIN Zhong-qin,SHAN De-bin,et al.Research on the Isothermal Enclosed Die Forging of the 2A70 Aluminum Rotor[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2005,41(9):161—165.

[3]胡成亮,劉全坤,劉永熙,等.齒輪鍛造金屬流動規律分析及工藝改進[J].機械工程學報,2008,44(5):186—189. HU Cheng-liang,LIU Quan-kun,LIU Yong-xi,et al.Analysis of Matal Flow and Technology Improvement on Gear Forging[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2008,44(5):186—189.

[4]喬碩,劉國凱,周結魁,等.行星齒輪冷閉塞式溫鍛工藝數值模擬和試驗研究[J].精密成形工程,2012,4(6): 5—8. QIAO Shuo,LIU Guo-kai,ZHOU Jie-kui,etal.The Numerical Simulation and Experimental Study of Clod Closed Die Forging Process of Planetary Gear[J].Journal of Netshape Forming Engineering,2012,4(6):5—8.

[5]崔榮榮.汽車轉向節溫鍛工藝及有限元模擬研究[D].濟南:山東大學,2008. CUIRong-rong.Research on Finite Element Simulation of Steering Kunckle Forging Process[D].Jinan:Shandong U-niversity,2008.

[6]趙穎.鋁管連續擠壓金屬流動的數值模擬研究[D].大連:大連交通大學,2006. ZHAO Ying.Numercial Simulation Study on the Metal Flow of Continuous Extrusion for Aluminum Tubes[D].Dalian: Dalian Jiaotong University,2006.

[7]BONTCHEVA N.PETZOV G.Microstructure Evolution during Metal Forming Process[J].Computational Materials Science,2003(28):563—573.

[8]DOEGE E,BOHNSACK R.Closed Die Technologies for Hot Forging[J].Journal of Materials Processing Technology, 2000,98:165—170.

[9]寧玲艷,張治民.履帶板擠壓成形加載速度對金屬流動規律影響的研究[J].熱加工工藝,2011,40(5):90—93. NING Ling-yan,ZHANG Zhi-min.Effect of Loading Speed in Extrusion Forming on Metal Flow Rule[J].HotWorking Technology,2011,40(5):90—93.

[10]王忠雷,趙國群.精密鍛造技術的研究現狀及發展趨勢[J].精密成形工程,2009,1(1):32—38,83. WANG Zhong-lei,ZHAO Guo-qun.Recent Condition and Developing Trends of Precise Forging Technology[J].Journal of Netshape Forming Engineering,2009,1(1):32—38, 83.

[11]鄭偉剛,陳大,陸海東.直齒輪的精密擠壓成形工藝研究[J].貴州工業大學學報,2005,34(3):36—38. ZHENGWei-gang,CHEN Da,LU Hai-dong.Study of Precision Extrusion's Technology for Spur Gear[J].Journal of Guizhou University of Technology,2005,34(3):36—38.

[12]冀東生,夏巨諶,朱懷沈,等.汽車傳動軸叉形件精密模鍛工藝研究[J].鍛壓技術,2010,35(6):14—18. JIDong-sheng,XIA Ju-chen,ZHUHuai-she.Investigation of Precision Die Forging Process for Fork Parts Used in Automotive Propeller Shaft[J].Forming and Stamping Technology,2010,35(6):14—18.

[13]陳志仁.曲軸溫鍛過程金屬流動與微觀組織演化規律的數值模擬研究[D].濟南:山東大學,2013. CHEN Zhi-ren.Study on Numerical Simulation of Metal Flow and Microstructure Evolution of a Crankshaft Forging Process[D].Jinan:Shandong University,2013.

[14]李峰.盤類件模鍛過程金屬變形模式及流動規律研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2007. LIFeng.Deformation Modes and Flow Behavior of Metal in Die Forging Process of Disk Components[D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2007.

[15]YOSHIMURA H,TANKA K.Precision of Aluminum and Steel[J].Journal of Materials Processing Technology, 2000,98:196—204.

Com parison of Hub Form ing Process Based on the Finite Element Method

ZHANG Jian-xin1,ZHOU Min1,ZHOU Yu-feng2
(1.Nantong Fuleda Vehicle Accessory Component Co.Ltd.,Nangtong 226300,China; 2.School of Materials Science and Engineering,Hefei University of Technology,Hefei230009,China)

This experiment compared processing plans for forming of a certain type of hub.The numerical simulation and the experimental research of the forming process of hub were conducted under different conditions to analyze the influence of the forming process on stress distribution,strain distribution,metal flow velocity,forming load and internal organization.The results showed that the forming load for workpieces at 800℃ by closed die forging was low,and under this condition,the internal organization was granular pearlite,themould structure was simple and themechanical properties of the internal organization were better than those of the widmanstatten under the conditions in the other two processing plans. In conclusion,the closed die extrusion and the closed die forging have differences in the equivalent stress,the equivalent strain,themetal flow velocity and the internal organization.The simulation result is instructive for the choice of the actual production process.

finite element;closed die forging;closed extrusion

10.3969/j.issn.1674-6457.2015.04.009

TG302

:A

:1674-6457(2015)04-0042-06

2015-05-26

張建新(1963—),男,江蘇南通人,主要研究方向為旋壓成形。