一種限制料流動的預成形方案設計

文／張向卓，孟俊·陜西法士特齒輪有限責任公司

同步器滑動齒套是我公司需求量較大的一個零件，該件的鍛件(圖1)在鍛造自動線上生產。為便于后續表述，將該件中間部分稱輪轂，腹板部分稱輪輻，外側部分稱輪緣。

該件輪轂處厚度為44mm，輪緣處厚度為26mm，輪轂處厚度為輪緣處的1.7倍，輪轂處型腔體積大，不易充滿，并且由于該件在鍛造自動線上生產，對工藝的穩定性要求更高，因此對預成形方案有更高的要求。

原方案介紹及分析

原成形方案介紹

由于該件批量大，設計在自動線上生產，該件成形工步分四步：預鐓粗、鐓粗、預鍛、終鍛，如圖2所示。

該方案是按常規件的經驗進行設計的。由于平鐓粗比成形鐓粗在生產中更穩定可靠，因此鐓粗工步采取平鐓粗，但該件采用平鐓粗時常規的預鍛設計無法合理分料，導致預鍛輪轂處缺料過多，因此該方案在實際生產中存在以下幾點問題：

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圖2 成形工步

⑴輪轂處充滿較差。

⑵輪輻處易出毛刺。

⑶終鍛上模壽命低，生產約6000件后模具開裂，開裂部位在輪輻內側φ179mm對應的模具凹圓角處。開裂模具見圖3。

圖3 開裂模具

原方案分析

針對存在的問題，利用DEFORM軟件對原方案進行仿真模擬，模擬結果如下：

⑴預鍛成形時料向外流動較多，導致輪轂處嚴重缺料，如圖4上圖所示。

圖4 坯料流動趨勢

⑵終鍛成形時輪緣部分先充滿，此時輪轂部分還有很大范圍的缺肉，可以看到外側的料向內側回流，并且此時輪緣部分產生563MPa的壓應力，如圖4下圖所示。

⑶輪轂處完全充滿時，鍛件外圓產生毛刺，此時輪緣部分最大壓應力為1280MPa，此時載荷為4.14×107N，約4200t，如圖5所示。

對比實際情況，經過模擬可看出，該方案在成形過程中由于輪轂處缺料較多，輪轂處較難充滿，在輪緣充滿后上模繼續向下移動，此時料會大范圍向內橫向流動，輪緣處受到的壓應力急劇增加。由于該部位模具凹圓角處為應力集中點，在交變應力作用下，模具凹圓角處疲勞開裂。

圖5 受力分析

成形方案改進及生產驗證

改進方案

通過分析可以發現原方案的主要問題在于輪轂處缺料，以此為切入點，通過反復模擬和優化，得出了一種較為理想的方案。

由于預鐓粗和鐓粗工步的基本方案沒做改動，此處不再詳述。新方案主要是預鍛工步的改進，在預鍛工步的輪輻處設計斜度，增加坯料向外流動的阻力，限制坯料的流動方向，使輪轂部分存儲更多的坯料，圖6為預鍛工步的設計。

圖6 預鍛工步設計

改進方案模擬分析

改進后的方案模擬結果如下：

⑴預鍛成形時輪輻處的料向內流向輪轂處，有效補充了輪轂處的模具空腔，如圖7所示。

圖7 改進后的坯料流動趨勢

⑵終鍛成形時輪轂部分先充滿，此時輪緣部分也接近充滿，終鍛上模繼續向下壓時，輪轂處多的料會流向連皮倉部，坯料流動范圍小，如圖8上圖所示。

⑶此時鍛件完全充滿，當前載荷為3.31×107N，約3400t，打擊力較原方案降低了20%，如圖8下圖所示。

生產驗證

此方案經過實際生產獲得了質量良好的鍛件，見圖9。經過批量生產驗證后，鍛件質量良好且生產穩定，模具沒有出現過開裂失效，模具壽命從原來約6000件提高到15000件以上，此方案較原方案改善效果明顯。

圖8 改進后的受力分析

圖9 產品

結束語

通過模擬分析及生產驗證，可以發現對于輪轂和輪緣厚度相差較大的鍛件，可以通過在預鍛工步增加阻尼結構，達到合理分料的目的，這樣可以有效提高鍛件質量，同時可以改善模具受力情況，提高模具使用壽命。