汽车滑动叉零件模锻工艺分析与平锻模设计

汽车滑动叉零件模锻工艺分析与平锻模设计

如图1所示，车辆传动轴上的零件数量大，品种多。对于该类锻件,多数企业均采用水平分模的开式模锻工艺,飞边金属消耗常达锻件自重的30%,甚至更高,材料利用率低［1－4］。针对如何提高这些叉形锻件的材料利用率,国内开展了相关研究。目前提出的小飞边开式模锻或无飞边闭式模锻工艺均有效地提高了材料利用率,但是为了使锻件顺利出模,模具结构通常较为复杂［1－2，4］。以图1c某型号汽车滑动叉锻件为例,进行了平锻成形工艺研究,实现了该类锻件的闭式模锻成形,该工艺能有效简化模具设计。1垂直模锻与平锻机相结合根据模锻时是否产生飞边,模锻工艺可分为开式模锻和闭式模锻。图2a为普通开式模锻,图2b为凹模合模方向与凸模运动方向一致的可分凹模闭式模锻,图2c为凹模合模方向与凸模运动方向垂直的可分凹模模锻。对于图1所示的具有2个分模面的较为复杂的叉形锻件,采用图2c方式进行闭式模锻,不仅可以实现小飞边或无飞边模锻,而且可以使金属的流线沿锻件的外形分布,获得优质锻件。平锻机有两个相互垂直方向的运动:凹模合模方向与冲头运动方向垂直;对于一个方向没有变形量,或者变形量较小,主要变形在与其垂直方向上的锻件,选用平锻机进行可分凹模锻造非常合适。图1c中的滑动叉为对称锻件,根据锻件的外形特征,适合在平锻机上进行闭式锻造,在冲头一次行程中,可镦锻出锻件的上端两耳、下端盲锥孔,同时,锻件出模方便［4］。2国外关节成像技术的分析2.1凹模特支冲头设余料腔本文研究的滑动叉的纵向剖面外形尺寸如图3所示,是一对称件;该锻件在水平分模平锻机的模锻示意图如图4所示。根据图2c所示的闭式模锻原理简图,在平锻时可同时成形上端部两耳和底部的锥孔。平锻模主要包括上、下凹模、冲头,上、下凹模可做成镶块式,固定在凹模体上,冲头固定在凸模体上。圆柱形毛坯放置在下凹模4的半圆型腔内,上、下凹模闭合,与冲头1形成封闭的型腔;冲头1前行,对坯料进行镦粗、挤压;正挤压变形对金属分叉,聚集两耳部所需的金属。锻件底部的锥孔较浅,因此,变形的第1阶段为镦粗、反挤锥孔复合成形,金属充满圆柱形腔。第2阶段为正挤压,金属被稳定挤入两耳部位。第3阶段为挤压和镦粗复合成形;把金属挤压到两耳的模腔,同时对两耳腔内金属镦粗,成形两耳外端的圆柱台及其它圆角部位。为了控制最大成形力,应在凹模的合适位置开设余料腔。根据锻件的形状特点及金属流动规律,两耳的外圆柱台最后成形,即图3所示的A处,考虑到后续加工要容易,在外圆柱台的内侧开设圆锥型余料腔,其尺寸大小根据实验确定;锻件上的余料锥台在后续加工两耳上的孔时去除。2.2挤压成形时的复杂系数锻件形状复杂系数可反应模锻时对金属流动的难易程度及对变现力的影响,叉形件挤压成形时的复杂系数λ越大则成形时越容易［1］,计算公式为:式中:FC为挤压筒的截面积;ΣFb为枝芽横截面积之和。对于图3所示的锻件,形状复杂系数λ≈2.1,属于中等复杂程度。3复合成形力的模拟及模拟滑动叉的模拟模型如图4所示,由于锻件有两个相互垂直的对称面,取其1/4进行模拟;模拟材料为AISI1045,不考虑温度变化,设置为恒温1150℃;摩擦因子设为0.3;计算过程中金属体积保持不变;冲头从接触坯料到结束的行程为87mm,每步0.25mm。图5分别为金属流动过程的模拟结果,变形过程显示,正挤压两耳要远远难于另一端盲孔的反挤压变形,因此在变形的开始阶段金属产生镦粗反挤复合成形,使金属充满圆柱形料腔,进而逐步反挤出盲孔,如图5a,5b,5c所示;图5c显示盲孔反挤基本结束,金属开始向前分流形成两耳,如图5d,直到两耳的前端金属接触到模腔的最前端;这一过程主要是正挤压变形,变形金属主要分布在挤压筒内靠近分叉部位的金属,如图5e所示。随着冲头继续前行,两耳部型腔内的金属产生镦粗变形,充满圆角部和成形外侧圆柱台。从图5f可以看出,金属最后充满的位置为耳的内前端A处、圆柱台外侧轮廓B处,即该处最难成形。因此,理论上控制成形力的余料腔可设置在A或B处,考虑到后续去除废料要容易,因此余料腔设置的位置如图3所示,从图5f可以明显看出,锻件的最难充满的圆角部位已经充满,此时余料腔还没有被充满,因此此余料腔可起到有效控制成形力的作用。图6为不同工步下模拟的等效应变分布。和前述分析一致,在变形初始阶段,变形主要是对毛坯的镦粗,随着冲头前行,冲头对毛坯进行反挤,毛坯前端分叉部位及反挤孔部的金属应变较大,如图6a、图6b所示。随着变形继续进行,金属被连续挤出形成枝丫,在挤出口部位金属变形剧烈,应变较大;挤出的枝丫做刚性平移,直到前端金属碰到模壁,枝丫部分在后续挤进的金属作用下发生镦粗变形,直到充满型腔。图5f所示的A、B处应变较小,变形困难;在设定余料腔的部位金属的应变亦较小,因此只要余料腔的尺寸形状设置合理,在余量腔充满前A,B部位先充满,成形合格的锻件。4上跨机余料腔位置根据锻件的尺寸大小,利用现有的模体制造该锻件平锻模具,安装在公称力为6300kN水平分模压力机上,试制出的锻件如图7所示,金属基本充满了型腔,达到了技术要求。由于选用的平锻机陈旧,精度低,考虑到会在分模面的位置出现小飞边而消耗一定体积的金属,可起到余料腔的作用,故未在指定位置设置余料腔;飞边可用切边模除去。对此原来采用的开式模锻工艺,闭式模锻的材料消耗能降低5%以上,因此,在大批量生产时所节约的材料费用相当可观。5有限元模拟模拟(1)针对汽车滑动叉锻件的形状特点,分析了闭式模锻金属的流动特点,指出金属的主要变形形式为挤压镦粗;并在模具合理的位置设计了余料腔以控制成形力的大小。(2)采用有限元