近年來，基于鍛件優(yōu)良性能考慮，大型零件的生產(chǎn)越來越趨向于采用鍛造的方法。現(xiàn)階段，截齒齒套鍛造工藝路線如圖1 所示，該工藝需要兩步成形，工藝過程較多，不滿足節(jié)能環(huán)保的要求，因此需要優(yōu)化工藝。本文采取閉塞式鍛造(圖2)工藝，與普通模鍛相比，閉塞式鍛造可以成形出復(fù)雜形狀的鍛件，且成形過程中坯料處于強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，可以充分發(fā)揮其塑性，這對(duì)鍛造低塑性難變形合金尤為重要。此外閉塞式鍛造生產(chǎn)效率高，減少了切削加工，金屬流線沿鍛件外形連續(xù)分布，纖維不被切斷，鍛件的力學(xué)性能明顯提高。本文采用Deform-3D 有限元軟件對(duì)某截齒齒套傳統(tǒng)鍛造工藝與閉塞式鍛造工藝進(jìn)行模擬分析，研究截齒齒套閉塞式鍛造的成形特點(diǎn)。

圖1 傳統(tǒng)鍛造工藝路線

研究方案

鍛件的確定

圖3所示為使用UG建立的截齒齒套三維鍛件圖，該鍛件外形為圓柱形孔件，其中最小孔徑為33mm，最大直徑為90mm，總長為137mm。模鍛不能直接鍛出通孔，必須在孔內(nèi)保留一層稱之為連皮的金屬。沖去連皮后，才得到通孔。此鍛件的沖孔直徑為33mm，屬于中等孔徑(30mm＜d＜60mm)鍛件，而中等孔徑鍛件通常采用平底連皮，連皮厚度推薦為，其中，系數(shù)(5 ～7.5)按h/d 確定，當(dāng)h/d=0.5 時(shí)取5，h/d 接近1 時(shí)取7.5。為防止坯料高徑比過大造成失穩(wěn)，選擇圓柱形坯料的高徑比h/d 為1.5，最終確定坯料的尺寸為φ57mm×116mm。

圖3 截齒齒套鍛件三維模型

有限元模型的建立

根據(jù)齒套的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了傳統(tǒng)截齒齒套成形(即頂鐓后反擠的成形方案)和閉塞式鍛造兩種不同的工藝方案，在相同參數(shù)下，研究截齒齒套在不同工藝下的成形特點(diǎn)，其三維模型如圖4 所示。

圖4 不同工藝下的三維模型

采用三維造型軟件建立模具的三維幾何模型，導(dǎo)出STL 格式的文件，并導(dǎo)入到Deform-3D 中，坯料的材料為42CrMo，由于該材料具有強(qiáng)度高、韌性高、變形抗力大等特點(diǎn)，難以進(jìn)行冷鍛成形，因此需要對(duì)坯料進(jìn)行加熱。采用剪切摩擦模型，摩擦系數(shù)選取0.3，沖頭的進(jìn)給速度設(shè)為10mm/s，熱傳導(dǎo)系數(shù)設(shè)為11W/(m2·℃)，模具溫度設(shè)為400℃，坯料溫度設(shè)為1000℃，坯料劃分網(wǎng)格數(shù)為150000 個(gè)，模具劃分網(wǎng)格數(shù)為32000 個(gè)。鋁合金鍛件

模擬結(jié)果

頂鐓+反擠的成形特點(diǎn)

首先對(duì)頂鐓成形后的變形進(jìn)行分析，從圖5 中可以觀察到，等效應(yīng)變較大的區(qū)域主要集中在截齒的凸臺(tái)位置，這說明變形量大的區(qū)域也集中在凸臺(tái)處；當(dāng)金屬流動(dòng)到凸臺(tái)側(cè)壁時(shí)，由于流動(dòng)受阻，金屬若繼續(xù)流動(dòng)則需要較大的流動(dòng)速度，如圖5(c)所示，金屬流動(dòng)速度最大的區(qū)域集中在金屬流動(dòng)受阻的位置即凸臺(tái)側(cè)壁及凸起處，而其他位置的金屬流速則基本相同。在凸臺(tái)側(cè)壁處，由于金屬流動(dòng)受阻及坯料上表面沖頭壓應(yīng)力的作用，致使此區(qū)域的等效應(yīng)力較大。此外，由載荷行程圖[圖5(d)]可知，當(dāng)沖頭行程到達(dá)28mm 左右時(shí)，由于凸臺(tái)上方的凸起小且復(fù)雜，所以在較小的行程中載荷急劇增加，最大的成形載荷為573t。

圖5 頂鐓的成形效果圖

圖6 所示為頂鐓后反擠成形效果圖。從圖6 中可以發(fā)現(xiàn)，等效應(yīng)變較大的區(qū)域主要集中在截齒的凸起以及縮徑過渡區(qū)，這說明變形量大的區(qū)域也集中在這些區(qū)域；沖頭下壓反擠坯料使金屬向上流動(dòng)，在壓應(yīng)力的作用下，凸臺(tái)側(cè)壁與凸起處等效應(yīng)力增大，金屬繼續(xù)向上流動(dòng)到達(dá)縮徑過渡區(qū)即行程為36mm左右時(shí)，金屬流動(dòng)的阻力增大進(jìn)而所需載荷也迅速增大，隨著沖頭的進(jìn)一步下移以及坯料金屬流動(dòng)的不均勻，導(dǎo)致載荷在后續(xù)成形過程中上下波動(dòng)，其載荷最大值為521t。

圖6 頂鐓后反擠的成形效果圖

結(jié)合傳統(tǒng)的成形工藝(頂鐓+反擠)路線，得出結(jié)論：頂鐓成形時(shí)，應(yīng)力主要集中在凸臺(tái)與凸臺(tái)上的凸起位置，且在成形凸起時(shí)，成形載荷會(huì)在較短的行程中快速增加；反擠成形時(shí)，應(yīng)力主要集中在凸臺(tái)、凸起以及縮徑過渡區(qū)，其中在沖頭下壓使坯料通過縮徑過渡區(qū)時(shí)，載荷迅速增加，且由于金屬流動(dòng)的不均勻性，導(dǎo)致載荷值呈振蕩趨勢，整個(gè)成形過程的最大載荷為573t。

閉塞式鍛造的成形特點(diǎn)

圖7 所示為閉塞式鍛造成形效果圖。不同于傳統(tǒng)的成形工藝，在相同的參數(shù)條件下，閉塞式鍛造成形后的鍛件等效應(yīng)變最大區(qū)域主要集中在縮徑過渡區(qū)(此處的應(yīng)變量也較大)，而其他位置的等效應(yīng)變基本一致；等效應(yīng)力分布比較均勻，不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，避免了鍛件缺陷的產(chǎn)生，且金屬流速相對(duì)較均勻，上下沖頭在進(jìn)給成形過程中所需載荷相對(duì)較小，成形載荷最大值為372t。鋁合金鍛件

此外，當(dāng)閉塞式鍛造成形結(jié)束后，坯料與模具的接觸較好，即金屬能較好的填充型腔，未見到充填不足、折疊等缺陷(圖8)，而且在等效應(yīng)力集中的區(qū)域(凸臺(tái)、凸起和縮徑過渡區(qū))成形效果良好。

圖8 坯料與模具的接觸關(guān)系圖

結(jié)合對(duì)閉塞式擠壓成形截齒齒套的分析，可以得出結(jié)論：在相同的工藝參數(shù)下，閉塞式鍛造成形截齒齒套質(zhì)量較好，金屬充填型腔較為完整且成形載荷較低為372t。

結(jié)束語

通過對(duì)截齒齒套的傳統(tǒng)成形工藝和閉塞式鍛造工藝進(jìn)行有限元模擬，對(duì)變形過程中的等效應(yīng)變、等效應(yīng)力、金屬流動(dòng)速度及沖頭載荷進(jìn)行了對(duì)比分析，獲得了截齒齒套在不同工藝下的成形規(guī)律，最后發(fā)現(xiàn)在相同的成形參數(shù)條件下，閉塞式鍛造成形后的截齒齒套質(zhì)量較好，金屬充填型腔較為完整且成形載荷值比傳統(tǒng)工藝低201t。