高強度鋼制異形件制坯工藝優(yōu)化研究

王凌浩，單隴紅，覃羨烘

高強度鋼制異形件制坯工藝優(yōu)化研究

王凌浩，單隴紅，覃羨烘

（廣東理工學(xué)院，廣東肇慶526100）

利用有限元數(shù)值模擬軟件Deform-3D，對鎖閂的不同制胚方案進行模擬，對比分析模擬結(jié)果，優(yōu)化方案。進一步對預(yù)鍛模具進行應(yīng)力分析，根據(jù)模具應(yīng)力分析結(jié)果，進一步驗證優(yōu)化方案，以改善模具結(jié)構(gòu)，提高模具壽命。結(jié)果表明：預(yù)鍛模具應(yīng)力集中主要分布在模腔臺階處和模具中間區(qū)域，當坯料角度α=60°時，能有效地減少預(yù)鍛成形的單位應(yīng)力，降低擠壓力，提高模具壽命。

鎖閂；制胚；有限元數(shù)值模擬；工藝優(yōu)化；應(yīng)力分析

鎖閂是一款高強度、高硬度的異形冷鍛件，由于其主要應(yīng)用于高檔轎車的門鎖系統(tǒng)，具有高精度控制和高表面質(zhì)量要求的特點，在成形過程中難度頗大，模具壽命受到極大考驗。數(shù)值模擬方法是一種理想的研究手段，具有普遍性、快捷性和準確性，可以在計算機上虛擬實現(xiàn)成形過程并反復(fù)演示、計算和優(yōu)化，借助一定的后處理技術(shù)來直觀地表示出各場變量的分布狀態(tài)，大大增強分析的靈活性和直觀性，并且還可得到大量任一時刻的變形場量信息，對產(chǎn)品工藝設(shè)計和模具設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計提供有價值的參考，這是其他方法所無法比擬的[1-4]。

制坯作為金屬材料由原材料到預(yù)鍛件關(guān)鍵成形工序[5]，不僅可以為工件的終鍛成形工序作定位和成形的準備，也可以獲得所需要的工件組織性能。制胚方式的不當，不僅增加成本、降低效率，而且影響隨后的鍛造成形。因此制胚工藝的好壞，在很大程度上將影響工件的后序成形。本文將運用有限元數(shù)值模擬技術(shù)（Deform-3D軟件），優(yōu)化生產(chǎn)工藝與模具結(jié)構(gòu)，提高模具壽命。

1 初步制坯工藝及模擬

工件原材料為19MnB4，德國冷鐓鋼系列，具有高硬度、高強度、低塑性、低韌性的特點。工件三維造型如圖1所示。

圖1 鎖閂三維圖

在數(shù)值模擬之前，根據(jù)冷鍛件的特點，初步制定成形工藝為：下料（制胚）→潤滑→預(yù)鍛（墩頭）→切邊→終端→切邊→精整。根據(jù)圖1，初步成形工藝采用下料制坯，坯料制成長方體，通過計算，設(shè)計出坯料為長×寬×高：34.40 mm×6.20 mm×11.9 mm.模擬預(yù)鍛工序，模具結(jié)構(gòu)與模擬結(jié)果如圖2所示，考慮到對稱性，取1/2.

圖2 預(yù)鍛模具結(jié)構(gòu)及模擬結(jié)果

由圖4模擬結(jié)果可知，其成形力將近20 t，最大單位壓應(yīng)力和拉應(yīng)力分別為2 660 MPa和1 460 MPa，應(yīng)力集中區(qū)域平均應(yīng)力達到1 900 MPa，如此高的成形力及應(yīng)力水平，將對模具壽命帶來極大考驗。

2 制胚工藝分析及優(yōu)化

根據(jù)上文的分析及模擬結(jié)果，按照圖3所示長方體坯料進行預(yù)鍛，坯料左側(cè)的金屬將流動到右側(cè)，金屬流動不僅距離較大，而且只向右側(cè)流動，流動方向單一，這就增加了成形力，降低模具壽命。

通過分析，將坯料設(shè)計成圖3所示形狀，高為h的坯料體積設(shè)計為滿足預(yù)鍛出工件頭部所需的體積，這樣就能減少金屬流動距離，并且流動過程中受模具阻力將降低。

圖3 優(yōu)化后的坯料尺寸（單位：mm）

因為圖中角度α可能對預(yù)鍛產(chǎn)生很大影響，因此將圖4中角度α設(shè)置為30°、45°、60°和75°分別進行模擬，并與圖3中方案進行對比分析，找出最佳方案。

3 數(shù)值模擬及分析

對圖4不同α角進行模擬，模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同α角度預(yù)鍛數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)圖4模擬結(jié)果，預(yù)鍛最大成形力依次為15.3 t、12.4 t、8.7 t、13.5 t；最大單位壓應(yīng)力和拉應(yīng)力為：當α =30°時，為2 310 MPa和2 530 MPa；α=45°時，為2 240 MPa和1 530 MPa；α=60°時，為2 360 MPa和865 MPa；α=75°時，為2 270 MPa和4 070 MPa；工件拐角處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，如圖中所標示，應(yīng)力集中區(qū)域單位應(yīng)力依次為：1 580 MPa、1 560 MPa、1 560 MPa和1 780 MPa.

對比圖3和圖4模擬結(jié)果，優(yōu)化方案整體好于原方案，綜合分析，當α=60°時，效果最好，為最優(yōu)方案。通過實際生產(chǎn)的驗證，最優(yōu)方案很大程度上提高了模具壽命，將模具壽命從原來的4 000多件提高到7 000多件。

4 優(yōu)化后預(yù)鍛模具的應(yīng)力分析

對優(yōu)化后的預(yù)鍛模具進行應(yīng)力分析，研究其應(yīng)力分布特點及規(guī)律，為模具參數(shù)優(yōu)化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考，從而提高模具壽命。

運用Deform-3D對模具進行應(yīng)力分析，需考慮容差值的設(shè)置，這在一定程度上將影響工件的成形載荷映射到模具的精度。石然然等[6-7]的研究表明，容差值的選擇需參考最大和最小網(wǎng)格尺寸，這樣得到的插值計算力可以趨于穩(wěn)定且計算時間相對不長。因此，根據(jù)實際的網(wǎng)格劃分結(jié)果，容差值設(shè)置為0.25.模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 預(yù)鍛凹模應(yīng)力分析結(jié)果

從圖5可以看出，在成形過程中，應(yīng)力主要集中在模腔內(nèi)壁左側(cè)中間部分和模腔臺階處。究其原因，在模腔沒有充滿時，金屬流動較為自由，模具應(yīng)力相對較小，隨著鍛壓行程的增加，充填阻力逐漸增加，模具應(yīng)力也在逐漸增大，當?shù)竭_預(yù)鍛終步時，模腔已充滿，加載區(qū)域金屬流動受限，阻力增大，模具中間區(qū)域應(yīng)力達到最大。由于金屬一開始流動機會受到模具臺階的阻力，隨著變形的加大，這種阻力也會逐漸加大，最終導(dǎo)致應(yīng)力在此處集中。因此，可以通過優(yōu)化工藝方案避免預(yù)鍛的大成形力和高應(yīng)力集中，或者改變模具結(jié)構(gòu)和選擇合理的圓角，降低成形力，減輕應(yīng)力集中。

5 結(jié)束語

（1）制坯方案優(yōu)化后，能顯著改善預(yù)鍛成形，有效地降低成形力，減小應(yīng)力集中，當坯料角度α =60°時，效果最好，能很大程度提高模具壽命。

（2）預(yù)鍛模具應(yīng)力分析結(jié)果不僅進一步驗證制坯優(yōu)化方案，而且通過分析研究預(yù)鍛模具的應(yīng)力分布規(guī)律，為產(chǎn)品工藝設(shè)計、制坯優(yōu)化以及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

[1]趙宏敏，解延鵬.冷鐓模具的冷擠壓加工[J].模具工業(yè)，2001，244（6）：43-44.

[2]劉郁麗，楊合，詹梅.摩擦對葉片精鍛預(yù)成形毛坯放置位置影響規(guī)律的研究[J].機械工程學(xué)報，2003，39（1）：97-100．

[3]王鵬.基于數(shù)值模擬的葉片精鍛過程優(yōu)化設(shè)計[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2005．

[4]左旭，陳軍，衛(wèi)原，等.塑性成形三維數(shù)值模擬中的模具幾何描述技術(shù)[J].鍛壓技術(shù)，1997，22（6）：59-61.

[5]王芳，齊廣霞，曹娜.GH4169合金葉片制坯成形工藝數(shù)值模擬優(yōu)化[J].鍛壓技術(shù)，2012，37（2）：148-153.

[6]石然然，李名堯，王波，等.基于DEFORM_3D的曲軸鍛造模具應(yīng)力分析[J].熱加工工藝，2014，43（3）：121-123.

[7]Lapovk R.Improvement of die life by minimization of damage accumulation and optimization design[J].Journal of material Processing Technology，1998，80（81）：608-612.

Process Optimization of Billet Making of High Strength Steel Shaped Parts

WANG Ling-hao，SHAN Long-hong，QIN Xian-hong
（Guangdong Polytechnic College，Zhaoqing Guangdong 526100，China）

Using the finite element numerical simulation software Deform-3D to simulate the different schemes of embryo for the latches，compares and analysis of the simulation results，optimized scheme.Further to，the stress analysis was carried out on the preliminary composition to find the mold stress distribution and improve the mould structure and the die life.Results show that preliminary forging die with stress concentration is mainly distributed in the mold cavity steps and the middle of mold.when the blank angle α=60°，unit stress in the process of the forging can effectively reduce，the extrusion pressure will reduce and the die life will improve.

latches；blank making；finite element numerical simulation；process optimization；stress analysis

TG316.3

A

1672-545X（2017）07-0077-02

2017-04-02

機械電子工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新實驗區(qū)（CXSY2016002）

王凌浩（1988-），男，河南信陽人，碩士，助教，研究方向主要為精密成形；單隴紅（1991-），女，廣東肇慶人，碩士，助教，研究方向為機器視覺與數(shù)字圖像處理。