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极爪零件的温锻成形及其三维有限元模拟 |
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作者：肖红生 汪晨 张质良 冯建华 吴希林 |
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1概述
温锻成形是近年来在冷塑性成形基础上迅速发展起来的一种塑性成形新工艺。与热模锻相比，温锻成形件表面不会发生强烈氧化作用，表面质量好，尺寸公差小，甚至可直接成形零件的工作表面，完全省去后续机加工，且没有飞边，节省原材料。冷锻成形对变形材料及零件形状的要求比较苛刻，对于常用的合金结构钢，只有在其含碳量低于0.45%时才能采用冷锻成形，且只限于成形形状简单的零件。在多工步冷锻成形中，各工步之间通常要加入热处理工步，以消除冷作硬化。此外，合金结构钢在冷成形时变形抗力大，对压力机吨位及模具材料要求高，这样势必降低生产效率，增加生产成本。
温锻成形的温度范围介于冷锻和热锻之间，对于常用的合金结构钢，其温锻时的屈服应力约为冷锻时的1/3，材料的变形能力和室温下相比可提高2～3倍。这样，可以减少成形工步，节约设备投资。而所成形零件的尺寸精度和表面质量与冷锻成形相当，若最后增加一个冷整形工步，则可获得冷锻成形相同的尺寸精度和表面质量。因此，温锻成形既突破了冷锻成形中变形材料、零件形状、需增加中间热处理工步及变形抗力的局限性，又克服了热锻中因强烈氧化作用而引起的表面质量及尺寸精度问题，具有显著的优越性。
温锻精密成形技术近年来在美国、日本、德国等发达国家的汽车工业中得到愈来愈广泛的应用，并有逐步取代热锻工艺的趋势。与发达国家相比，我国汽车工业中的温锻精密成形技术还比较落后，对于发达国家一些比较成熟的温锻工艺，也还没能完全消化吸收。为了提高我国汽车工业的温锻技术水平，缩小和发达国家之间的差距，我国金属塑性加工领域的研究人员在温锻成形理论和工艺两个方面都亟待展开深入研究。
极爪零件（如图1所示）属于形状复杂的旋转对称零件。受零件形状的限制，用单纯的冷锻工艺难以成形。若采用热锻工艺，则原材料、能源的消耗量及后续机加工难度和工作量大，势必增加生产成本。该锻件的生产批量大，如采用温锻工艺或"温锻+冷锻"综合工艺来生产，则可以充分发挥温锻精密成形的优越性，降低成本，提高质量。但该零件温锻成形关键工步的工艺参数还有待探索确定。本研究采用三维有限元模拟其温锻成形工步，得出变形过程中材料的流动情况、变形载荷及模具的受力分布，模拟结果可以为模具结构及其尺寸的选择提供依据。
2极爪零件的成形工艺分析
该零件形状复杂，若采用一般的热锻工艺生产，虽然材料的屈服应力较低，但是零件的爪部尖端难以充满，需要很高的成形载荷。国外研究结果表明，对于直径为95～130mm的低碳钢零件，若采用同一台压力机上多的工位热锻工艺，要求压力机吨位达22400kN。热加工完成以后需进行冷整形，所需整形力约11200kN。且在热锻和冷整形工步之间需加入热处理、吹砂、磷化处理、皂化处理等辅助工步。
棘爪零件的材料为08F钢，采用温锻和冷锻相结合的方法来生产该零件，则可大幅度降低生产成本。其成形工艺方案如图2所示。其中，前四个为温锻工步，后两个为冷锻工步。各温锻工步的变形温度为700～850℃。在这两种方案中复杂的零件形状通过径向挤压（或镦挤）、镦压、切边、弯曲等几个简单的工步共同实现。每一个成形工步的模具结构简单，易于加工，且各工步的变形抗力较小。在弯曲工步完成以后毛坯的形状已非常接近零件的最终形状，后续冷整形工步经受的变形小，这样不仅降低了整形力，还可保护型腔复杂的冷整形模具，延长其使用寿命。各温锻工步完成以后既不需进行热处理，也不需加入去氧化皮工步，且零件的精度高，后续机加工量很小。国外资料表明，对于外径为90mm低碳钢棘爪零件，只要压力机的刚性、工作台面和导向精度满足要求，一台11200kN的压力机上可安排前述四个温锻工位，即压力机的一次行程可加工一个经切边后的预成形件。
图2极爪零件的成形工艺方案
在图2所示的工艺中，径向挤压和镦挤是这两种方案的关键工步。本研究利用三维有限元分析结果预选成形参数，预测和消除可能存在的成形缺陷。
3关键工步的有限元模拟
塑性有限元从上限定理出发，按有限元模式把能耗率泛函表示为节点速度的非线性函数，利用数学上的极值原理和最优化理论得出满足极值条件的最优解。从理论上讲，它可以应用于各类塑性成形过程，能考虑多种外界因素对变形的影响，如变形材料性能、温度、摩擦条件、模具形状、模具运动速度等，且能获得成形过程的多方面信息，如金属流动速度场、成形力、应力分布、应变分布以及可能出现的成形缺陷等。因此，有限元模拟技术已成为优化金属塑性加工工艺的强有力工具。
目前，金属体积成形的二维有限元模拟技术已广泛应用于科学研究和工业生产中。三维塑性有限元主要用于分析简单形状零件的成形，对复杂形状零件成形过程的三维有限元模拟还少见报道。本研究根据温锻过程的工艺特性（包括变形温度范围，材料特性，变形速度，摩擦条件等），把温锻温度范围的材料抗力模型和摩擦模型引入有限元分析软件DEFORM-3D，建立与实际三维问题相符的有限元模型，模拟极爪零件温锻成形的关键工步（径向挤压和镦挤），优化成形参数。
温锻成形过程中模具要承受很高的变形抗力，为保证模具寿命，需确定模具的受力情况。为此，可用有限元法对模具的受力进行弹性分析。具体方法如下：首先选取需要研究的时间增量步，用单元积分的方法抽取变形体和模具接触面上变形体对模具的反作用力，然后按照弹性有限元方法离散化模具、等效模具所受的作用力及边界条件，得出模具的应力分布，从而为温锻模具材料及模具结构的选择、模具预应力圈的层数及径向过盈量的选择提供依据。本研究的技术路线如图3所示。
图3温锻成形的三维有限元模拟
4模拟结果与讨论
这里用前述三维有限元技术模拟极爪零件温锻成形的关键工步，得出了变形材料的流动情况、变形载荷及模具的受力分布。模拟结果可以为模具结构设计及其尺寸的选择提供依据。
两种不同工艺方案中的径向挤压和镦挤工步都是为成形极爪零件的爪部展开中间毛坯而设。图4给出了径向挤压和镦挤工步的变形网格图。图5给出了这两种温锻工步的载荷-行程曲线。从图中曲线可以看出，径向挤压时的最大载荷约为镦挤时的1/2。本研究中改变这两种工艺的模具结构参数对温锻过程进行模拟，分析得出了两种方案各自的优越性及限制条件，选择了较合适的模具结构参数。模拟结果很好地指导了该零件的物理模拟试验。研究结果提高了该零件实际生产时工艺选择和模具设计的可靠程度。
图4 极爪零件温锻成形工步的有限元网格
(a)径向挤压 (b)镦挤
图5 极爪零件温锻工步的载荷-行程曲线
本研究对凹模及预应力圈在工作状态的应力分布进行有限元模拟，求出凹模及预应力圈工作时等效应力及最大主应力的分布，确定了模具工作时的应力集中部位。根据分析结果选择了合适的凹模材料、凹模结构及预应力圈材料，确定了合适的预应力圈层数、尺寸及径向过盈量，提高了模具的工作效益。图6给出了镦挤凹模工作过程中的应力分布，图6a为凹模内圈的1/12在工作时的等效应力分布，图6b、6c为其两个径向截面内的等效应力分布。
图6 凹模内圈工作时的应力分布
5 结论
“温锻+冷锻”精密成形是生产汽车极爪零件效益最好的生产工艺。成形极爪零件的爪部展开中间毛坯是该工艺的关键工步。利用所建立的温锻成形三维有限元模型对成形过程及模具受力进行模拟，模拟结果可以有效地指导工艺和模具设计。
(end)
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(9/22/2006) |
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